El Calor y la Temperatura. AplicacionesTerapeuticas

Matıas Enrique Puello Chamorrowww.matiaspuello.wordpress.com

26 de octubre de 2015

Indice

1. Introduccion 4

2. Temperatura 5

3. Escalas Termometricas 63.1. Escala Celsius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.2. Escala Fahrenheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.3. Escala Kelvin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

4. Equilibrio Termico 10

5. Calor 11

6. Unidades del Calor 12

7. Capacidad Calorifica 13

8. Calor Especifico 14

9. Calor Latente 15

10.Curva de calentamiento 16

11.Calorimetrıa 1711.1. Problemas de Calorimetrıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

12.Transmision del Calor 1912.1. Conduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2012.2. Conveccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

12.3. Radiacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

13.Termorregulacion corporal 23

1. Introduccion

El ser humano es un animal homeotermo que en condiciones fisiologicas nor-males mantiene una temperatura corporal constante y dentro de unos lımitesmuy estrechos, entre 36,6 ± 0,38o C, a pesar de las amplias oscilaciones de latemperatura ambiental. Esta constante biologica se mantiene gracias a un equi-librio existente entre la produccion de calor (termogenesis ) y las perdidasdel mismo (termolisis ) y no tiene una cifra exacta.

Para entender estos procesos y el uso terapeutico que se le da al calor enCiencias de la salud, se requiere estudiar desde el punto de vista fısico alcalor y las formas como se transfiere.

2. Temperatura

La temperatura (T ) es una magnitud fısica fundamental, que esta asociadacon la energıa cinetica media de las moleculas individuales. Segun la teorıacinetica de los gases

T =2

3k

(12mv2

)Donde:k: Es la constante de los gases12mv2: Es la energıa cinetica media de traslacion por molecula.

Observese que la temperatura es una medida directa de la energıa cineticamolecular media.

3. Escalas Termometricas

Son cinco las escalas de temperatura que se tienen en uso: la Celsius, conocidatambien como escala centıgrada, la Fahrenheit, la Kelvin, la Rankine, y laescala internacional de temperatura termodinamica.

3.1. Escala Celsius

El astronomo sueco Anders Celsius (Uppsala, Suecia, 1701 - 1744) ideo laescala de temperatura conocida como escala centıgrada o Celsius, que asigna alpunto de congelacion del agua el valor (0oC) y el valor (100oC) al de ebulliciondel agua.

Tc = Tk − 273, 15 Tc = 59(TF − 32)

3.2. Escala Fahrenheit

Daniel Gabriel Fahrenheit (1686 - 1736), fısico aleman, que nacio en Dan-zig actualmente Gdansk, Polonia. Se instalo en los Paıses Bajos y se dedico ala fabricacion de instrumentos meteorologicos. En 1714 construyo el primertermometro con mercurio en vez de alcohol. Con el uso de este termometro,concibio la escala de temperatura conocida por su nombre.

TF = 32 + 95(Tc)

3.3. Escala Kelvin

William Thomson Kelvin (Belfast, 1824 - Netherhall, 1907) El fısico ymatematico conocido comunmente como lord Kelvin fue uno de los cientıficosmas sobresalientes del siglo XIX. Investigo la equivalencia entre calor y trabajoy establecio la escala absoluta (escala Kelvin) de temperatura.

TK = TC + 273,15

4. Equilibrio Termico

El principio de equilibrio termico dice que cuando dos sistemas o sustancias, adiferentes temperaturas, se ponen en contacto dentro de un recipiente aislado,alcanzaran finalmente la misma temperatura como resultado de la transferen-cia de energıa termica de los cuerpos calientes a los frıos.

5. Calor

Sabemos que se efectua trabajo cuando la energıa se transfiere de un cuerpoa otro por medios mecanicos. El calor es una transferencia de energıa de uncuerpo a un segundo cuerpo que esta a menor temperatura. Es decir, el calores muy semejante al trabajo.

El calor se define como una transferencia de energıa debido a unadiferencia de temperatura, mientras que el trabajo es una transferenciade energıa que no se debe a una diferencia de temperatura.

6. Unidades del Calor

Podemos definir una unidad de calor con base en el cambio de temperatura deun material especıfico.

calorıa (cal) se define como la cantidad de calor necesario para elevar latempertura de un gramo de agua desde 14,5o a 15,5oC.

La kilocalorıa (Kcal) que equivale a 1000 calorıas.

La unidad termica britanica o (B.t.u), es la cantidad de calor necesaria paraelevar la temperatura de 1 libra de agua 1oF, desde 63oF a 64oF.

Equivalencias:

1 cal = 4, 186 J

1Kcal = 1000 cal = 4186 J

1B.t.u = 252 cal = 1055 J

7. Capacidad Calorifica

Las sustancias difieren entre sı en la cantidad de calor que se necesita paraproducir, en una cantidad de masa dada, un determinado aumento de tempe-ratura. La relacion directamente proporcional entre la variacion de la cantidadde calor (∆Q) y la variacion de temperatura (∆T ) se denomina capacidadcalorica.

C =∆Q

∆TDe la anterior definicion se deduce que las unidades de medida de la capaci-dad calorıfica serıan unidades de energıa sobre unidades de temperatura porejemplo J

Ko Cal

oC

8. Calor Especifico

El calor especıfico de una sustancia es la cantidad de calor que es necesario sumi-nistrar a una unidad de masa de dicha sustancia para elevar su temperatura en ungrado. Ası por ejemplo el calor especıfico del agua es 1,0 ( cal

g oC), significa que un

gramo de agua necesita de 1,0 calorıa para elevar en 1oC su temperatura.

ce =Q

m× ∆T

De aqui se deduce que la cantidad de calor Q que interviene en un proceso sedetermina por

Q = ce ×m× ∆T

9. Calor Latente

Cuando se esta materializando un cambio de estado fısico, se verifica que elagregado o sustraccion de calor no origina variacion de temperatura. En efecto,por ejemplo, si se tiene agua en ebullicion, durante todo el proceso que estadura, la temperatura se mantiene constante en los 100 ◦C, aunque se le agreguecalor continuamente.

A ese calor que agregado a una sustancia no origina cambio de nivel termico otemperatura, se lo denomina calor latente, o sea, como su nombre lo indica,ese calor se encuentra latente, y se consume en la accion de transformacionfısica.

Q = m · Lv

Donde:Lv es el calor latente de vaporizacion (kcal

kg)

El calor latente de vaporizacion del agua (100◦C) es 539 (kcalkg

)

El calor latente de fusion del agua (0◦C) es 80 (kcalkg

)

10. Curva de calentamiento

Determine la cantidad de energıa necesaria para llevar a un kilogramo de hielo(1000 g) desde -20oC hasta vapor a 100oC

11. Calorimetrıa

La calorimetrıa es la medida de la cantidad de calor y tiene por objeto medir lascantidades de calor desprendidas o absorbidas por los cuerpos en los intercam-bios de energıa calorica; en consecuencia permite conocer el calor especıfico olos calores de transformacion de una sustancia, o la temperatura final de unamezcla.

El principio de general de la calorimetrıa indica que la suma algebraica de los caloresque intervienen en el proceso es igual a cero, es decir,

ΣQ = 0

lo que es equivalente a decir

Q1 + Q2 + ...... + Qn = 0

11.1. Problemas de Calorimetrıa

Ejemplo Calor especıfico de un metal

Un calorımetro de aluminio de 50 gramos contiene una masa de 200 gramos deagua a una temperatura de 25oC. Se agrega un pedazo de metal de 150 gramosa una temperatura de 100oC. Si la temperatura final de equilibrio es de 30oC.Determine el calor especıfico del metal.

12. Transmision del Calor

12.1. Conduccion

En los solidos, la unica forma de transferencia de calor es la conduccion, la cualse da por contacto directo entre sus partıculas sin flujo neto de materia y quetiende a igualar la temperatura dentro de un cuerpo o entre diferentes cuerposen contacto por medio de transferencia de energıa cinetica de las partıculas.

La conduccion termica esta determinada por la ley de Fourier. Estableceque la tasa de transferencia de calor por conduccion en una direccion dada, esproporcional al area normal a la direccion del flujo de calor y al gradiente detemperatura en esa direccion. Para un flujo unidimensional de calor se tiene:

∆Q

∆t= −kA∆T

∆x

12.2. Conveccion

La conveccion es el mecanismo de transferencia de calor por movimiento demasa o circulacion dentro de la sustancia. Puede ser natural producida solopor las diferencias de densidades de la materia; o forzada, cuando la materiaes obligada a moverse de un lugar a otro, por ejemplo el aire con un ventiladoro el agua con una bomba.

La transferencia de calor por conveccion se expresa con la Ley del Enfria-miento de Newton:

∆Q

∆t= hA(Ts − Tinf)

Donde h es el coeficiente de convec-cion, en ( W

m2K), A es el area del cuerpo

en contacto con el fluido, Ts es la tem-peratura en la superficie del cuerpo yTinf es la temperatura del fluido adya-cente.

12.3. Radiacion

La radiacion termica es energıa emitida por la materia que se encuentra auna temperatura dada, se produce directamente desde la fuente hacia afue-ra en todas las direcciones. Esta energıa es producida por los cambios en lasconfiguraciones electronicas de los atomos o moleculas constitutivos y trans-portada por ondas electromagneticas o fotones, por lo que recibe el nombre deradiacion electromagnetica

La rapidez a la cual se libera energıa se llama potencia de radiacion Pr, suvalor es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta. Esto seconoce como la ley de Stefan (Joseph Stefan, austriaco, 1835-1893), que seescribe como

Pr = σεAT 4

donde σ = 5,67× 10−8 ( Wm2K4) se llama constante de Stefan-Boltzmann y ε es

una propiedad radiativa de la superficie llamada emisividad, sus valores varıanen el rango 0 < ε < 1.

13. Termorregulacion corporal

El hombre es un ser homeotermo, es decir, que mantiene su temperatura cons-tante. Esto lo realiza por medio de un proceso denominado termorregulacion,necesario para poder realizar todos los procesos vitales.

La variacion de la temperatura va a poner en marcha la termorregulacion yesto va a producir ante una elevacion de la temperatura una vasodilatacionperiferica, sudoracion, hiperventilacion, irradiacion termica y piloereccion.

Si hay un descenso de la temperatura el cuerpo va a responder con una va-soconstriccion periferica, un estimulo circulatorio profundo, activacion de losorganos internos y contraccion muscular.

Referencias

[1] FRUMENTO, Antonio Elementos de Biofısica. Intermedica 1979.

[2] MACDONALD y BURNS. Fısica para las ciencias de la vida y de la salud.Mexico: Addison-Wesley Iberoamericana, 1989, 589 p.

[3] CROMER, Alan H. Fısica para las Ciencias de la Vida. 2 ed. : EditorialReverte.

[4] STROTHER. G. K Fısica Aplicada a las Ciencias de la Salud. McGraw-Hill.Latinoamericana 1980.

[5] Wilson. J.D Fısica con aplicaciones. Editorial McGRAW-HILL