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Biofsica Mdica

TRANSFERENCIA DEL CALOR

Cmo pierde calor el organismo?Por conduccin:Al entrar en contacto con un cuerpo fro (suelo, ropa, equipo...) el organismo cede calorPor conveccin:El aire que rodea al cuerpo se calienta, asciende y es sustituido por aire fro Por radiacin:Cualquier cuerpo caliente en un ambiente fro emite calor en forma de radiacin infrarrojaPor evaporacin:La sudoracin y el aliento emiten partculas de agua caliente

FORMAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR POR EL CUERPO HUMANO

Transferencia por conduccinLa conduccin tiene lugar cuando dos objetos a diferentes temperaturas entran en contacto. El calor fluye desde el objeto ms caliente hasta ms fro, hasta que los dos objetos alcanzan a la misma temperatura. La conduccin es el transporte de calor a travs de un medio material y se produce gracias a las colisiones de las molculas prximas

Transferencia por conduccin (SOLIDOS)La velocidad de flujo R es la cantidad de calor que fluye en una unidad de tiempo y esta dado por:

K= coeficiente de conductividad trmicaK=5x10-5 Kcal/s m oK (para msculo animal y grasa)A= rea de las caras de las laminasT= Variacin de temperaturasL= longitud o espesor de la lminaUnidades J/s cal/s

EjemploEl rea de la superficie de una persona es 1,9 m2 y la temperatura de la piel es 31 oC cual es la velocidad de transmisin del calor a travs de la piel? si la conductividad del aire es de 0,025 W/m.oCa) Cuando no hay casi flujo de sangre a la piel mnimo (L= 3mm)

b) Cuando hay un flujo de sangre mximo (L=0,2mm)

EjemploUna chica que tiene una superficie de 1,2 m lleva una chaqueta y unos pantalones de 0,03m de grosor. Si su piel se halla a 34 oC y puede perder sin peligro 72 Kcal/h por conduccin Cul es la menor temperatura exterior para que su vestido resulta adecuado? (supngase que el exterior del vestido esta a la misma temperatura del aire) considerando que la conductividad trmica del vestido es K = 10-5 Kcal/s m K

Transferencia por conveccin (FLUIDOS)En lquidos y gases la conveccin es usualmente la forma ms eficiente de transferir calor. La conveccin tiene lugar cuando reas de fluido caliente ascienden hacia las regiones de fluido fro. Cuando esto ocurre, el fluido fro desciende tomando el lugar del fluido caliente que ascendi

Velocidad de transferencia por conveccin:

CONVECCION EN EL HOMBRECONVECCIN EN HOMBRENATURALFORZADAGRADIENTE DE DENSIDADAGENTES EXTERNOS DENSIDAD DE FLUIDOSVENTILADORESBOMBASDIFUSORESETC.

TPIEL q1 q2 2da. Etapa

EjemploCuanto calor perder por conveccin una persona desnuda de 1,4 m de rea en el aire a 0 oC? suponga que el coeficiente de conveccin h es 1,7x10-3 Kcal/s m K y que la temperatura de la piel es 30 oC

EjemploEn una habitacin caliente una persona desnuda en reposo tiene la piel a una temperatura de 33 oC si la temperatura de la habitacin es de 29 oC y el rea de la superficie del cuerpo es 1,5 m Cul es la velocidad de perdida de calor por conveccin (h=1,7x10-3 Kcal/s m K )

EjemploUna persona desnuda de 1,8 m de rea superficial, temperatura cutnea de 31 oC y en un medio de 1,7 x10-3 Kcal/s m K, pierde 0,03 Kcal/s por conveccin. Cul es la temperatura del aire?

Transferencia por radiacin Tanto la conduccin como la conveccin requieren la presencia de materia para transferir calor. La radiacin es un mtodo de transferencia de calor que no precisa de contacto entre la fuente y el receptor del calor. Por ejemplo, podemos sentir el calor del Sol aunque no podemos tocarlo.

Transferencia por radiacin El calor se puede transferir a travs del espacio vaco en forma de radiacin trmica. Esta, conocida tambin como radiacin infrarroja, es un tipo de radiacin electromagntica (o luz). La radiacin es por tanto un tipo de transporte de calor que consiste en la propagacin de ondas electromagnticas que viajan a la velocidad de la luz. No se produce ningn intercambio de masa y no se necesita ningn medio.

TRANSFERENCIA DEL CALOR POR RADIACION

SISTEMARADIACINVISIBLEINFRARROJAULTRAVIOLETAA TEMP. ALTAA TEMP. AMBIENTEA TEMP. ALTA

AbsorcinEmisinFormasse produce

SISTEMAS RADIADORESNEGROGRISESREFLECTOR < 1 = 1 = 0PIEL HUMANARANGO INFRARROJORANGO VISIBLEPiel blanca = 0,97Piel negra = 0,97Negra Blanca

Absorcin energa

RADIACION TRMICAENERGIA RADIANTE EMITIDA POR UN SISTEMATEMPERATURALONIGTUDES DE ONDARANGO Rad. Term. [0,1 m y 100 m ]ULTRAVIOLETA < 0,38VISIBLE0,38 < < 0,78INFRARROJO < 0,78

como consecuenciaes

Transferencia por RadiacionLa velocidad de flujo R con que se transfiere el calor por radiacin esta dado por:

e= emisividad que varia entre 0 y 1 dependiendo de la naturaleza de la superficie= constante de Boltzmann = A= rea de la superficieT= temperatura en grados kelvin Te = temperatura de emisinTa = temperatura de absorcinUnidades J/s

EjemploUna persona desnuda de 1,5 m de rea y piel a 40oC se halla en una sauna a 85 oC a) Cuanto calor absorbe la persona por radiacin de las paredes, suponiendo una emisividad igual a la unidadb) Cuanto calor irradia la persona a los alrededores

EjemploCual es la velocidad neta de perdida de calor por radiacin del cuerpo de una persona, si el rea de la superficie total de su cuerpo es de 1,9m , si la temperatura de la piel de de una persona desnuda sentada en una habitacin a 22 oC es 28 oC, considerando que la emisividad de la piel humana en el infrarrojo es 0,97

EjemploUna persona desnuda de rea superficial 1,8m y temperatura cutnea de 33 oC se halla en una habitacin a 10 oC ( suponga que e = 1), se desea saber:a) Cuanto calor irradia por segundo dicha personab) Cual es la perdida neta de calor por radiacin de dicha persona

Evaporacin:Se pierden 575 caloras por cada centmetro cbico de sudorEn climas templados supone entre el 20 y 30 % de prdidas calricas totalesPrdidas adicionales al tener que calentar el aire inspirado a la temperatura corporalPrdida de calor y agua mucho mayor a grandes alturas: hasta 4 litros de agua y 2300 kilocaloras por da a travs de la respiracinLas ropas con barrera de vapor no funcionan bien a temperaturas superiores a 0

EjemploUna persona no habituada al clima tropical puede producir un mximo de 1,5 kg de sudor por hora cual es la velocidad mxima de perdida de calor por evaporacin de esa persona, considerando que el calor de vaporizacin del agua a 37 oC es de 241 J/g

EjemploLa velocidad metablica de una mujer de 60 kg aumenta a 360 W mientras avanza despacio. Si su cuerpo pierde calor a una velocidad de solo 320 W cuanto aumentara su temperatura interna en 2 h, considerando que el calor especifico del cuerpo humano es de 3500 J/kg.oC

TermodinmicaTermodinmica es parte de la fsica que estudia los efectos de los cambios de la temperatura, presin y volumen de los sistemas fsicos a un nivel macroscpico. La termodinmica estudia la circulacin de la energa y cmo la energa genera movimiento.

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Principios de la termodinmicaLey Cero: Permite definir la temperatura como una propiedad. Si pones en contacto un objeto fro con otro caliente, ambos evolucionan hasta que sus temperaturas se igualan.

Primera ley: establece que la energa no se crea, ni se destruye, sino que se conserva. Define el concepto de energa como magnitud conservativa.

Segunda Ley: Define la entropa como magnitud no conservativa, una medida de la direccin de los procesos.

Tercera Ley: Postula algunas propiedades en el cero absoluto de temperatura.

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Termodinmica del cuerpo humano. Efectos Biolgicos.

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Los seres vivos cuentan con informacin, y con ella generan su propia estructura, o en otras palabras, se auto-organizan. Esta tendencia a auto organizarse, es opuesta al caos y el desorden.

Los seres vivos se ordenan, al paso que desordenan el ambiente en el que se encuentran. La creciente entalpa del ser vivo, se acompaa de la creciente entropa de su entorno.

Los seres vivos cumplen con la segunda ley de la termodinmica, como cualquier otro sistema fsico, a veces se piensa que los seres vivos, finalmente mueren "en cumplimiento" de la segunda ley, porque la creciente entropa acaba con ellos.

En la definicin de vida, desde el punto de vista de la termodinmica los sistemas vivos son regiones localizadas donde se produce un continuo incremento de orden sin intervencin externa.

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Esta definicin se basa en el segundo principio de la termodinmica, el cual dice que la entropa o desorden, del universo siempre aumenta.

Aplicado al estudio de la clula, pues tiene que ver desde el proceso de alimentacin y respiracin celular, desde el punto de vista de la cadena alimenticia, que desde este punto de vista es la cadena de energa; muchas veces se compara a la clula con una fbrica con materia prima, proceso de produccin y consumo de energa.

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Termodinmica de sistemas abiertosLos seres vivos intercambiamos energa y materia con el medio ambiente. Aqu nos encontramos lejos de un equilibrio termodinmico. Los procesos son irreversibles y no reproducibles. La flecha del tiempo es infranqueable en nuestro organismo as como en la naturaleza. Nunca los sistemas regresan a su antiguo estado de orden. Aqu rigen las leyes de la teora del caos y la no-linealidad.

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ORGANISMO HUMANO, UNA MAQUINA TERMICA?

1. Transformacin de energaa partir de los alimentos (Primera ley)

2. Conceptos de eficiencia trmica y eficiencia muscular(segunda ley )

Primera ley:

La principal fuente de energa en el organismo la constituyen los carbohidratos que ingerimos en nuestra alimentacin.

La transformacin de energa en el organismo, se realiza oxidando esencialmente glucosa en el proceso de respiracin, mediante mecanismos moleculares realizados a nivel celular, a temperatura constante y baja.

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Segunda ley:Una mquina trmica es un dispositivo que transforma calor en trabajo mecnico, opera entre dos depsitos a diferente temperatura, y el trabajo mecnico se obtiene si el calor se transfiere del depsito con mayor temperatura al depsito de menor temperatura.

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los seres humanos efectuamos trabajo al caminar, correr, levantar un objeto, etc., para realizarlo requerimos de energa que el organismo obtiene al transformar la energa potencial qumica de los alimentos. Para las actividades antes mencionadas se asocia el concepto de eficiencia muscular (E) , como el cociente del trabajo mecnico realizado y la energa suministrada al cuerpo, a travs de los alimentos. Se ha verificado que la eficiencia muscular en el trabajo mecnico es aproximadamente del 20%, (E = 0.2).

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Similitudes y diferenciasUna mquina trmica y el organismo, como sistemas que realizan trabajo, requieren de combustible, pero:La maquina, opera con diferencias de temperatura y con ello la realizacin de trabajoEn cambio en el organismo la oxidacin se realiza a temperatura constante y no hay transferencia de calor asociada a la realizacin de trabajo.

La transformacin de energa, en la combustin como en la oxidacin, tienen el mismo principio, ya que se realizan mediante mecanismos moleculares. La diferencia radica en la velocidad con que se realizan; combustin es violenta y la reaccin se mantiene por s, la oxidacin es un proceso lento y controlado, por lo que, la energa se transforma de acuerdo a los requerimientos del organismo.

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El metabolismo basal.Es el consumo energtico necesario para mantener las funciones vitales y la temperatura corporal del organismo. Su formula es simple: 24 Kcal/kg de peso.

Este valor se ve afectado por otros factores variables, a saber: La superficie corporal, la masa magra, el sexo, la edad, embarazos (en el caso de las madres), raza, clima, alteraciones hormonales, estados nutricionales actuales, y otros.

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Trabajo muscular o factor de actividad.

Es el gasto energtico necesario para el desarrollo de las diferentes actividades. En una persona moderadamente activa representa del 15% al 30% de las necesidades totales de la energa

Injuria trmica

Es la energa adicional utilizada por el organismo para tratar enfermedades o problemas. Segn la patologa que padezca cada individuo, este factor varia segn el grado de severidad, extensin o duracin del proceso patolgico.

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HIPOTERMIALesiones por froDescenso de la temperatura corporal por debajo de 35 C

Limitacin fisiolgica de las prdidas calricasEl ser humano dispone de mecanismos ms adecuados para aumentar las prdidas calricas que para reducirlas (adaptacin a medios clidos)A 28 C de temperatura ambiente, el cuerpo humano sin ropa pierde ms calor que el que es capaz de producirVasoconstriccin perifrica: se reduce el paso de sangre a travs de la piel, y por lo tanto su enfriamientoSe mantiene as el flujo de sangre caliente en los rganos vitalesTejido adiposo: material aislante trmico adems de tejido de reserva energticaZonas cubiertas de pelo o vello

Mecanismos fisiolgicos para generar calor:Temblor:Las contracciones musculares al temblar generan calor, por combustin de las reservas de glucgenoTrabajo muscular voluntario:Los movimientos enrgicos generan calorCatabolismo celular:Conjunto de reacciones qumicas exotrmicas que se producen en los tejidos orgnicos

Factores que favorecen la hipotermia:Baja temperatura: Una persona sepultada por un alud se enfra 3 C cada horaAltitud: La temperatura disminuye 0,5 C por cada 100 metros de ascensin verticalViento: multiplica por 10 el efecto del froHumedad: multiplica por 14 el efecto del froCondiciones personales: fatiga, deshidratacin, desnutricinIngesta de alcohol

HIPERTERMIA

La hipertermia Es un aumento de la temperatura por encima del valor hipotalmico normal por fallo de los sistemas de evacuacin de calor, esto es, una situacin en la que la persona experimenta un aumento de la temperatura por encima de los lmites normales, es decir, por encima de los 38 C

TIPOS DE HIPERTERMIAEstrs por calor. Incomodidad y tensin fisiolgica en ambientes calidos, sobre todo con actividad fsica.Las personas de edad avanzada (es decir, las personas de 65 aos de edad en adelante) son ms propensas a sufrir de estrs por calor porque no se adaptan tan bien como los jvenes a los cambios repentinos de temperatura

TIPOS DE HIPERTERMIACalambres por calor. Lesin leve por calor. Junto con calambres musculares intermitentes en piernas y brazos despus del ejercicio (leve aumento de la temperatura corporal). Se suele dar en personas jvenes y sanas

Hacer deportes en tiempos clidos obliga a tomar ciertas precauciones.

Los calambres, agotamientos, dificultades de movimiento, y golpes de calor, comienzan generalmente en circunstancias similares, es decir cuando un deportista sale de golpe al clima caluroso, sin ajustarse gradualmente al mismo, y posee una relativa deshidratacin

TIPOS DE HIPERTERMIAAgotamiento por calor. Es el ms habitual de los casos de hipertermia ambiental. Fatiga, debilidad, confusin, cefalea, cuadros vegetativos y anorexia en jvenes despus del ejercicio o ancianos con poca capacidad cardaca. La temperatura suele permanecer por debajo de 38C, y suele haber una cada de agua y sal en el organismo.Las enfermedades por el calor son causados por la incapacidad del organismo para regular adecuadamente la temperatura medio ambiente, como estar en el calor durante largos perodos de tiempo o realizar esfuerzos en un clima clido y hmedo

TIPOS DE HIPERTERMIAElgolpe de calorLa temperatura corporal supera los 40C, producindose cambios en el sistema nervioso central por la elevada temperaturaGeneralmente ocurre por estar expuesto a una fuente de calor que lleva la temperatura corporal por encima de 40C, y viene acompaado de mortalidades de hasta el 70%, dndose especialmente durante las olas de calor (ms de tres das por encima de 32,3C).Se considera golpe de calor cuando la temperatura corporal rebasa los 40C En la hipertermia el punto de ajuste hipotalmico no cambia, pero la temperatura corporal sube superando los mecanismos De regulacin de temperatura. Como consecuencia de esto se produce el llamado golpe de calor.

Hipertermia Maligna (HM)Conocida tambin como Hiperpirxia maligna, Fiebre maligna o Fiebre anestsica, es una afeccin ubicada en el captulo de la farmacogentica, desencadenada usualmente por la anestesia general, pudiendo comprometer seriamente la vida. En raras ocasiones es desencadenada por ejercicio vigoroso y stress.

Es una reaccin del organismo que se dispara cuando se le suministra anestesia y que proviene de un trastorno del metabolismo del calcio que aumenta su concentracin en las clulas provocando hipermetabolismo.

No presenta sntomas previos sino que aparece durante la intervencin, aunque puede sospecharse su existencia debido a que es de origen gentico. En caso de no tratarse adecuadamente puede llevar a la muerte por insuficienciarenal o cardiaca