Calor Y Temperatura

ASPECTOS BIOLOGICOS Y CLINICOS DE LA TRANSMISION DE CALOR EN LOS MAMIFEROS, FOCO EN LOS HUMANOS.

Talleres de verano. Ciclo Lectivo 2004 Cátedra de Física, CBC, UBA

Ricardo Cabrera Profesor de Matemática y Física Licenciado en Ciencias Biológicas JTP, CBC - UBA, Investigador Tesista DQIAFQ - INQUIMAE, FCEyN - UBA

Horas del día W.D.Kiedel, FISIOLOGIA, 2da edición, Ed. Salvat (modificado)

Piezas principales de ajuste de la termorregulación humana Regulación autónoma Producción de calor Resistencia térmica

Regulación voluntaria

Tono muscular, tiritar de frío Termogénesis química

Movimientos voluntarios. Ingestión de alimentos. Actitud Vestidos, actitud Riego sanguíneo corporal. de la piel Humedecer el Transpiración cuerpo

W.D.Kiedel, FISIOLOGIA, 2da edición, Ed. Salvat (modificado)

Helen Curtis, Biología, Ed. Panamericana, 6ta

Composición porcentual de la pérdida de calor en situaciones normales Pérdida por radiación Evaporación de la transpiración Convección / Conducción Respiración Calentamiento del aire Evaporación de agua

42 % 18 % 26 % 2% 12 %

FUENTE: Helmut Landsberg, EL TIEMPO Y LA SALUD, Eudeba (modificado)

Pérdida de calor en la evaporación de agua en la respiración

E = dv M L (e37 – eA ) Donde dv densidad del vapor M es la masa de aire (unos 10 litros por minuto) L es el calor latente del vapor espirado e37 presión de vapor a 37 oC eA presión de vapor a temperatura del ambiente

Ejemplo a 10 oC, Hrel = 50%, 300 calorías por minuto o 432 kcal por día FUENTE: Helmut Landsberg, EL TIEMPO Y LA SALUD, Eudeba

GASTO DE ENERGIA POR HORA DE UN HOMBRE DE 70 kg DURANTE DISTINTAS ACTIVIDADES

Durmiendo Despierto descansando Parado Trabajando en un escritorio Caminando Trabajo pesado sostenido Esfuerzos pesados cortos

kcal 65 80 105 140 200 600 1100

FUENTE: Arthur Guyton, TRATADO DE FISIOLOGIA MEDICA, Interamericana. (Modificado)

GASTO DIARIO 2.400 a 3.500 (kcal)

Radiación

R e = ε e σ A Te4 R α = ε α σ A T α4 εe≈ εα R = ε σ A (Te4 - T α4 )

Coeficientes de absorción de diversas superficies expuestas a radiación solar (ε) Superficies metálicas relucientes Piel humana para IR Cuerpo negro perfecto

<0,1 0,95 1

W.D.Kiedel, FISIOLOGIA, 2da edición, Ed. Salvat (modificado)

Convección

Qc = α A (TP – TAL) TP temperatura de la piel TAL temperatura del aire lejano A área de piel α coeficiente de conductividad aumenta con la curvatura de la superficie y proporcional a la raíz cuadrada de la velocidad del viento

Conducción

R = λ A ΔT Δx ¿Cómo hacemos para regular la cantidad de calor que perdemos o ganamos por conducción? ¿Cuánto sabe de biofísca nuestro cuerpo?

Conducción

R = λ A ΔT Δx

Conductividades térmicas (en kcal s-1 m-1 K-1)

Plata 420 Cobre 400 Aluminio 240 Acero 79 Hielo 1,7 Vidrio 0,8 Agua 0,59 Músculo, grasa 0,2 Madera, asbestos 0,08 Fieltro, lana mineral 0,04 Aire 0,024 Vacío 0 Kane, Streinheim, FISICA, Ed. Reverté (modificado)

Conducción

R = λ A ΔT Δx

Area efectiva de intercambio o exposición 80 % - 50 %

¿Cuánto mide la piel?

2,13 m2

S = P 0,425 . T 0,725 . 71,84

Conducción

Anastomosis arterio venosa (AV)

W.D.Kiedel, FISIOLOGIA, 2da edición, Ed. Salvat

R = λ A ΔT Δx

Helen Curtis, Biología, Ed. Panamericana, 6ta

MECANISMO DE CONTRACORRIENTE

Conducción

R = λ A ΔT

Δx

Resistividad térmica de diferentes capas Piel (según su irrigación sanguínea) 1 cm de grasa 1 cm de musculatura Ropa que se lleva en la calle Ropa de invierno Ropa polar

0,1 – 0,7 0,4 0,15 1 2 5

W.D.Kiedel, FISIOLOGIA, 2da edición, Ed. Salvat (modificado)

Evaporación de la transpiración

L = 580 cal/gr

Transpiración invisible = 500 ml diarios. Visible = 1 a 4 litros por hora. 10% deshidratación= delirios. 12% deshidratación = imposibilidad de tragar.

¿Puede el organismo transpirar en un ambiente saturado de humedad? (Hrel = 100 %)

CASI TODOS LOS PROCESOS DE INTERCAMBIO DE CALOR CON EL MEDIO (DESPRENDIMIENTO DE CALOR) DEPENDEN DEL AREA DE PIEL.

R = ε σ A (Te4 - T α4 ) Qc = α A (TP – TAL) R = λ A (TP – TA) Δx

RADIACION CONVECCION CONDUCCION

E≈

EVAPORACION

A

LA GENERACION DE CALOR DEPENDE DEL METABOLISMO CELULAR, O SEA DE LA MASA CORPORAL.

Qi

≈

M

≈

δV

La Ley cuadrado-cúbica Galileo Galilei (1564-1642) enunció la ley cuadrado-cúbica de esta manera: cuando un objeto crece sin cambiar de forma su superficie aumenta como el cuadrado de una longitud característica, por ejemplo la altura, mientras que el volumen aumenta como el cubo de dicha longitud

Superficie de un cuerpo, piel = desprendimiento de calor Volumen de un cuerpo, su masa = generación de calor equilibrio térmico corporal: calor generado (V) = calor desprendido (S)

1 cm Cubín

l cm

S cm2

V cm3

S/V

1

6

1

6

Cubín

Cubín es un niño común y silvestre de cubolandia. Su anatomía es tan sencilla que los estudiantes del CBC pueden calcular varios de sus parámetros fácilmente.

10 cm

Cubete

S 2 cm 6

V 3 cm 1

S/V

Cubín

l cm 1

Cubete

10

600

1.000

0,6

6

La carrera entre S y V es despareja. S corre a 100 por hora y V corre a 1.000 por hora Siempre gana V

Cubote 100 cm

S 2 cm 6

V 3 cm 1

S/V

Cubín

l cm 1

Cubete

10

600

1.000

0,6

Cubote

100

60.000

1.000.000

0,06

6

Desde que nació Cubote aumento su volumen 1.000.000 de veces, en cambio su piel creció apenas 10.000 veces

Cubín tiene mucha piel para poco contenido, mucha ventilación para un hornito tan pequeño

S/V = 6

Cubote tiene mucha masa para poca superficie, mucho calor para poco refresco

S/V = 0,6

S/V = 0,06

CONSECUENCIAS

Diferencias de sensación y comportamiento intentan contrarrestar la ley cuadrado-cúbica

En climas cálidos se generan variedades de bichos más pequeños y con apéndices más largos. En los climas fríos se generan bichos más grandes y esféricos.

La mecánica también impone sus condiciones (pero a Hollywood no le conviene atenderlas)

Robert Wadlow (2,70) el hombre más alto del que se tenga registro . El enano de l lado es su padre (1,80)

El metabolismo productor de calor es una variable limitada

2

3

TASA METABOLICA RELATIVA Densidad de producción energética diaria en reposo

Peso en gr Ratón

kcal/kg

21

158

400

82

2.600

45

Perro

14.000

35

Hombre

65.000

25

600.000

20

3.672.000

13

Rata Conejo

Toro Elefante

W.D.Kiedel, FISIOLOGIA, 2da edición, Ed. Salvat (modificado)

TASA METABOLICA RELATIVA

Tejido adiposo pardo (BAT, Grasa parda)

La grasa parda posee una maquinaria oxidativa extraordinaria ya que sus lípidos son consumidos in situ

BIBLIOGRAFIA Helen Curtis et al, BIOLOGIA, 6ta edición, Ed. Panamericana. Purves et al, VIDA, 6ta. edición, Panamericana. Manuel Moreno Lupiáñez, DE KING KONG A EINSTEIN, Alfaomega Kane, Streinheim, FISICA, Ed. Reverté. Cromer, FISICA PARA LAS CIENCIAS DE LA VIDA, Reverté. W.D.Kiedel, FISIOLOGIA, 2da edición, Ed. Salvat Helmut Landsberg, EL TIEMPO Y LA SALUD, Eudeba Arthur Guyton, TRATADO DE FISIOLOGIA MEDICA, Interamericana. Investigación & Ciencia. nros. 58 y 240. DOCUMENTA GEIGY, TABLAS CIENTIFICAS, Geigy, Basilea.

¡¡¡AUUULLAN LOS NEGROS!!!