UACH Fisica En La Medicina 06 Termodinamica

Termodinámica
en la Medicina
Dr. Willy H. Gerber
Instituto de Fisica
Universidad Austral
Valdivia, Chile

Objetivos: Comprender como nuestro cuerpo administra
su temperatura corporal.

1
www.gphysics.net – UACH-Fisica-en-la-Mediciona-06-Termodinamica-Version-04.09

Administración de Energía

Redistribución interna

Calor generado por movimiento

Calor generado por operación

Equilibrio con entorno

2

Temperatura

Una medida es la temperatura…

Gas Liquido Solido

Temperatura = Energía = Movilidad de los átomos
3

Calor especifico

cagua = 1 kcal/kgK = 4186.8 J/kgK

Termómetro 1 Grado

Agua 1 kg Agua

1 kcal = 4186.8 J

Calor/Energía

4

Capacidad o contenido calórico

Calor /Energía [J o cal]
Masa [kg]
Calor especifico [J/kgK, kcal/kg K]
Grados Kelvin [= 273.15 + °C]

Persona de 80 kg con 36.7 °C:

Q = 80 kg 1kcal/kgK 309.85 = 24788 kcal = 2.4788x10+4 kcal = 1.04x10+8 J

5

Administración del consumo

Balance energético:

Consumo

Desayuno: 200 – 300 kcal
Snack: 100 kcal
Almuerzo/Cena: 400 – 600 kcal

Consumo diario: 1100 – 1600 kcal

Contenido calórico aprox. 18 días de consumo

6
www.gphysics.net – UACH-Kinesiologia-Fisica-04-Energia y Potencia-Capacidad del Cuerpo – Versión 10.07

Administración del consumo

Consumo por actividad medidos en Met = Kcal /Kg hrs

Ej. 6 Mets x 70 Kg. de peso x (50 min. /60 min.) = 350 Kcal

Bicicleta 4 – 16 Met Tocar Música 2-4 Met
Ejercicios 3 – 10 Met De pie 1.5 Met
Bailar 3 – 7 Met Hablando 1.8 Met
Labores hogareñas 1-3 Met Trabajo en maquinaria 2-5 Met
Trabajos pesados en el hogar 5-10 Met Conducir 2-4 Met
Reparaciones 4-6 Met Correr 10-18 Met
Trabajo en el jardín 5-7 Met Deporte 6-12 Met
Descansar < 1 Met Caminar 3-10 Met

60% de la energía consumida por el musculo debe ser irradiada en forma de calor.
= sobre un promedio de 1350 kcal consumidas 810 kcal deben ser disipadas como calor
o sea alcanza para elevan a 12.8 kg la temperatura de 36.7°C a 100°C.

7
www.gphysics.net – UACH-Kinesiologia-Fisica-04-Energia y Potencia-Capacidad del Cuerpo – Versión 10.07

Conducción de calor

Calor transportado [J o cal]
Conductividad térmica [J/msK o kcal/m hrs K = 1.163 J/msK]
Sección del conductor [m2]
Tiempo transcurrido [s o hrs]
Largo del conductor [m]
Diferencia de temperatura [°K o °C]
Conducción por una pierna de largo 0.8 m, sección 0.01 m2, con una diferencia de 3
grados, durante una hora y conductividad de 0.5 kcal/m hrs K:
no es un mecanismo
∆Q = 0.5 kcal/m hrs K 0.01 m2 1 hr 3 K/0.8 m = 0.01875 kcal ->
eficiente 8

Transmisión de calor

Coeficiente de transmisión [J/s m2 K o kcal/hrs m2 K]

9

Arterias y venas

Diametro Numero Seccion Largo
Elemento mm total cm2 cm Re
Aorta 10.000 1 0.8 40 1.04E+05
Grandes Arterias 3.000 40 3 20 2.93E+03
Ramas arteriales principales 1.000 600 5 10 1.09E+02
Ramas arteriales secundarias 0.600 1800 5 4 2.17E+01
Ramas arteriales terciarias 0.140 76000 11.7 1.4 2.81E-01
Ramas arteriales terminales 0.050 1000000 19.6 0.1 1.28E-02
Midizinische Hochschule Hannover, Christoph Hartung

Ramas arteriales finales 0.030 13000000 91 0.15 2.73E-03
Arteriolas 0.020 40000000 1250 0.2 8.14E-03
Capilares 0.008 1200000000 600 0.1 5.21E-05
Venolas 0.030 80000000 570 0.2 2.78E-03
Ramas venosas finales 0.075 13000000 570 0.15 4.28E-02
Ramas venosas terminales 0.130 1000000 132 0.1 2.23E-01
Ramas venosas terciarias 0.280 76000 47 1.4 2.25E+00
Ramas venosas secundarias 1.500 1800 30 4 3.26E+02
Ramas venosas principales 2.400 600 27 10 1.41E+03
Grandes Venas 6.000 40 11 20 2.15E+04
Vena hueca 12.500 1 1.2 40 1.95E+05
Cuidado: nombres traducidos del alemán, posibles errores

Re >> 50000 flujo turbulento 60.04 m2
Re ≈ 2300-50000 transición
Re << 2300 flujo laminar
10

Transmisión

Transmisión a y desde vasos sanguíneos con una superficie
total de 60.04 m2, coeficiente de transmisión de 300
kcal/m hrs K y 3 grados de diferencia de temperatura:

∆Q = 300 kcal/m hrs K 60.04 m2 1 hr 3 K = 5.4036x10+4 kcal

Transporte de calor en el cuerpo ante todo por flujo
sanguíneo

11

Transmisión

Radiación de un cuerpo de superficie 2 m2, con una
temperatura corporal de 36.7 °C grados y una temperatura
ambiental de 20 °C. Suponiendo un coeficiente de
transmisión de 300 kcal/m hrs K se obtiene por hora:

∆Q = 300 kcal/m hrs K 2 m2 1 hr 16.7 K = 10020 kcal
∆

Perdida de calor ante todo por transmisión al aire

12

Transmisión de calor

Coeficiente de transmisión [J/s m2 K o kcal/hrs m2 K]

13

Transmisión

ambiental de 20 °C. Suponiendo que nos envuelve una capa
de 5 mm de grasa con conductividad térmica de 0.12 kcal/m
hrs K y los coeficientes de transmisión son 300 kcal/m hrs K:

1/k = 2/300 + 0.005/0.12 = 0.0483 m hrs K/kcal

k = 20.69 kcal/m hrs K

∆Q = 20.69 kcal/m hrs K 2 m2 1 hr 16.7 K = 691 kcal

Perdida de calor muy reducido por capa aislante

14

Radiación

Calor irradiado [J o cal]
Constante de Stefan Boltzmann
[4.87x10-8 kcal/hrs m2 K4 = 5.67x10-8 J/s m2 K4]
Grado de emisión
Sección del emisor [m2]
Temperatura del cuerpo 1 [°K]
Temperatura del cuerpo 2 [°K]

15

Radiación

ambiental de 20 °C. Suponiendo el grado de emisión del
agua (0.67) se obtiene por hora:

= 4.87x10-8 kcal/hrs m2 K4 0.67 2 m2 (309.854 – 293.154)

= 119.57 kcal

Factor de importancia pero no trascendental

16

Evaporación

Calor irradiado [J o cal]
Masa evaporada [kg]
Energía de evaporación [kcal/kg o J/kg]

Para 1 kg de sudor con una energía de evaporación de 538.9 kcal/kg.
-> sistema de alta eficiencia para reducir calor en forma puntual
810 kcal a eliminar – 1 litro de sudor reduce 538.9 kcal
17

Resumen: generación de calor

Digestión/operación

Desayuno: 200 – 300 kcal
Snack: 100 kcal
Almuerzo/Cena: 400 – 600 kcal

Consumo diario: 1100 – 1600 kcal

Movimiento/actividad

Consumo por actividad medidos en Met = Kcal /Kg hrs

Ej. 6 Mets x 70 Kg. de peso x (50 min. /60 min.) = 350 Kcal

810 kcal en calor a disipar

18

Resumen: distribución en el cuerpo vía torrente sanguíneo

19

Resumen: perdida vía transmisión al medio

20

Resumen: disipación controlado vía sudor

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Contacto

Dr. Willy H. Gerber
wgerber@gphysics.net

Instituto de Fisica
Universidad Austral de Chile
Campus Isla Teja
Casilla 567, Valdivia, Chile


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