Propiedades térmicas 2016 - Apoyo para la Fac. de Odontología

Documento de apoyo a la docencia. Del libro FISICAMATEMATICA PARA EL ESTOMATOLOGO.
TEMA: PROPIEDADES TÉRMICAS
ENERGÍA TÉRMICA
Las moléculas que forman los cuerpos no se encuentran en posiciones fijas, sino que están en
movimiento continuo y rápido. Este movimiento se denomina agitación térmica. En los sólidos y los
líquidos, las moléculas vibran describiendo oscilaciones, y en los gases, se mueven en todas
direcciones con libertad. Debido a este movimiento, las moléculas tienen energía cinética.
La energía térmica de un cuerpo es la suma de las energías cinéticas (movimientos continuos
y rápidos) de sus moléculas.
1.
EL CALOR
El físico hace diferencia entre energía térmica y calor. Calor es la energía térmica que se
transfiere de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura entre ellos. El calor fluye,
mientras que la energía térmica puede o no hacerlo. Una vez que se ha transferido calor a un cuerpo
o sustancia, deja de ser calor y se convierte en energía térmica.
En el caso de cuerpos o sustancias en contacto térmico, el calor fluye de la sustancia de
mayor temperatura hacia la que se encuentra a menor temperatura, pero no necesariamente de una
sustancia con más energía térmica hacia otra con menor energía térmica. El calor nunca fluye por sí
mismo de un cuerpo frío hacia uno caliente. Por otro lado, cuánto calor fluye, depende no sólo de la
diferencia de temperatura entre las sustancias sino también de la cantidad de materia. Una cantidad
mayor de materia transferirá más calor que un cuerpo con menos cantidad de materia.
La unidad de calor se define como el calor necesario para producir algún cambio estándar
acordado. La unidad comúnmente empleada para el calor es la caloría, que es la cantidad de calor
que se requiere para cambiar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius. También,
otra unidad común es la unidad térmica británica (BTU), ésta se define como la cantidad de calor que
se requiere para cambiar la temperatura de una libra de agua en 1ºF.
Otra unidad de calor común es la kilocaloría, la cual corresponde a 1,000 calorías (la energía
que se requiere para calentar un kilogramo de agua en 1ºC).
En la actualidad, hay un período de
transición hacia el Sistema Internacional de Medidas (SI), en el cual el calor se mide en joules (1
caloría = 4.186 J) para todas las formas de energía.
Cada material experimenta diferente movimiento de las moléculas, por lo que cada uno tiene
un calor específico, el que se define como la cantidad de calor que se requiere para elevar la
temperatura de una unidad de masa de la sustancia en un grado de temperatura.
Aparte de la energía térmica de las moléculas en movimiento, hay otros tipos de energía,
principalmente la energía potencial dentro y entre las moléculas, la cual influye en las propiedades
térmicas de las sustancias. Al gran total de todas las energías internas de una sustancia se le
denomina energía interna.
2.
LA TEMPERATURA
La cantidad que expresa cuán caliente o frío es algo respecto de un cuerpo patrón se
denomina temperatura. Se dice que la temperatura es una medida del movimiento aleatorio de
traslación de los átomos y moléculas de un cuerpo, en forma más específica, es una medida de la
energía cinética promedio de los átomos y moléculas de un cuerpo.
Cuando se toca una estufa
caliente, la energía térmica penetra a la mano porque la estufa está más caliente que la mano. En
cambio, cuando se toca un trozo de hielo, la energía térmica pasa de la mano hacia el hielo, más frío.
En tales circunstancias la dirección de la transferencia de energía es siempre de un cuerpo caliente a
uno vecino más frío.
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Por lo general, cuando la temperatura de una fracción de material cambia, pueden ocurrir
varias cosas. Esa materia puede experimentar variaciones en su tamaño y sus propiedades
eléctricas, magnética u ópticas, y es posible emplear alguno de tales cambios para detectar y medir el
cambio en temperatura. En la mayoría de los casos el más sencillo de emplear es el cambio en
dimensiones. Casi todos los materiales se dilatan cuando se eleva su temperatura, y se contraen
cuando ésta desciende.
Temperatura y energía térmica son dos conceptos distintos. Por ejemplo, si se tienen dos
recipientes, uno con un litro de agua y el otro con dos litros de agua, ambos están en ebullición, es
decir, a la misma temperatura, pero el segundo tiene más energía térmica porque la masa del líquido
es mayor.
2.1. EL TERMÓMETRO Y LAS ESCALAS DE TEMPERATURA
El termómetro es un instrumento común que mide la temperatura por medio de la dilatación y
contracción de un líquido, por lo general mercurio o alcohol coloreado. Para establecer la escala de
un termómetro, se asigna el número 0 a la temperatura a la cual se congela el agua, y el número 100
a la temperatura a la cual ésta hierve (a la presión atmosférica normal). El espacio entre estos dos
valores se divide en 100 partes iguales, denominadas grados. Un termómetro calibrado de esta forma
recibe el nombre de termómetro centígrado. Ahora se le denomina termómetro Celsius, en honor al
astrónomo sueco Anders Celsius, quien fue el primero en sugerir la escala.
En los países de habla inglesa se asigna el número 32 a la temperatura a la cual se congela el
agua, y el número 212 a la temperatura a la que ésta hierve. Tal escala constituye un termómetro
Fahrenheit, denominado así en honor a su creador, el físico alemán G. D. Fahrenheit. Esta escala
está hecha con el ser humano como modelo.
La escala de temperatura que emplean los científicos es la Kelvin, en la cual se asigna el
número 0 a la temperatura más baja posible, a la que una sustancia carece en absoluto de energía
térmica que ceder: el cero absoluto. En la escala Celsius, el cero absoluto corresponde a -273ºC.
Los grados de la escala Kelvin son del mismo tamaño que los de la escala Celsius, por lo que la
temperatura en fusión del hielo es de +273 Kelvins. (no grados Kelvins). No hay números negativos
en la escala Kelvin. También se le denomina como escala termodinámica.
Resulta de sumo interés el que un termómetro registre su propia temperatura. Cuando un
termómetro está en contacto térmico con algo cuya temperatura se desea conocer, la energía térmica
fluirá entre ambos hasta que sus temperaturas sean iguales, estableciéndose el equilibrio térmico. Si
ahora se conoce la temperatura del termómetro, también se conocerá la de ese algo.
3. TRANSFERENCIA DEL CALOR
El calor tiende siempre a pasar de los cuerpos calientes a los fríos. Si varios cuerpos con
temperaturas diferentes se encuentran en contacto térmico, los que están calientes se enfrían y los
que están fríos se calientan. Todos tienden a alcanzar una temperatura común. Este igualamiento de
temperatura ocurre en tres formas: por conducción, por convección y por radiación.
4.1. CONDUCCIÓN
Si el extremo de un hierro se coloca en una flama, se
calentará tan rápidamente que no será posible sostenerlo con la
mano desnuda (ver figura No. 179). El calor penetra al calvo por el
extremo que está sobre la flama y se transmite a todo su largo.
Esta forma de transmisión del calor se denomina conducción. El
fuego hace que las moléculas se muevan con mayor rapidez en
el extremo del clavo que se está calentando. A causa de este
incremento en el movimiento, las moléculas y los electrones
libres chocan con sus vecinos, haciéndolos que a su vez se
muevan más rápido. Éstos a su vez chocan con sus vecinos y
así sucesivamente. El proceso continúa hasta que el incremento
1
Figura No. 179
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en movimiento ha sido transmitido a todas las moléculas, con lo que todo el cuerpo queda caliente. La
conducción del calor se verifica por medio de choques electrónicos y moleculares.
En 1822, el matemático francés Joseph Fourier dio una expresión matemática precisa que hoy
se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor. Esta ley afirma que la velocidad de
conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al
gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado).
El factor de proporcionalidad se denomina conductividad térmica del material. Los materiales
como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor,
mientras que materiales como el vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de
veces menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes.
El valor numérico de la conductividad térmica depende de las unidades que se escojan para el
calor, espesor, área, tiempo y temperatura. Las unidades de conductividad térmica son:
Sistema sbg :
Sistema Métrico :
2
k = Btu x pulg / pie x h x F°
2
k = Kcal x m / m x s x C°
El factor de conversión entre los dos sistemas es:
2
-5
2
1 Btu x pulg / pie x h x F° = 3.445 x 10 Kcal x m / m x s x C°
4.2. CONVECCIÓN
Los líquidos y los gases transmiten el calor
principalmente por convección, que es la transmisión de energía
en un líquido o gas por la transferencia real de fluido de alta
temperatura desde una región de temperatura más elevada a
otra de temperatura más baja.
El fluido de alta temperatura
posee una energía interna mayor que el fluido
de baja
temperatura al que desplaza, de modo que la energía es
transferida a la región de más baja temperatura junto con el
fluido.
Por ejemplo, el agua calentada por la placa asciende
mientras el agua más fría desciende, después que el agua
caliente sube, se enfría y desciende, tras lo cual se repite el
proceso (ver figura No. 180).
Figura No. 180
4.3. RADIACIÓN
El calor del sol pasa de alguna manera a través de la atmósfera y calienta la superficie
terrestre. Este paso del calor a través de la atmósfera no ocurre por conducción, pues el aire es uno
de los peores conductores. Tampoco lo hace por convección, pues ésta comienza sólo después de
que la tierra se calienta. Además se sabe que ni la convección ni la conducción son posibles en el
espacio vacío entre nuestra atmósfera el sol. Podemos ver que el calor debe ser transmitido por otro
proceso, denominado radiación.
La radiación incluye la transferencia de energía asociada con una amplia variedad de
fenómenos como radio, televisión, rayos X y algo más familiar, la
luz solar. La radiación puede definirse en términos generales
como la transferencia de energía por las rápidas oscilaciones de
campos electromagnéticos en el espacio.
Estas oscilaciones
viajan en forma de ondas, a las que se denomina ondas
electromagnéticas, con longitud de onda y frecuencia
característica.
El calor no se transmite en el proceso de radiación. La energía
térmica de un cuerpo radiante se transforma, en el instante de la
2
Figura No. 181
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radiación, en energía radiante. La energía térmica de una fogata, por ejemplo, se transforma en
energía radiante y viaja en esa forma en ondas electromagnéticas a través del espacio, cuando incide
sobre el gato, se retransforma en energía térmica (ver figura No. 181). En el espacio, entre el objeto
radiante y el receptor, la radiación es una forma de energía completamente distinta de la energía
térmica o del movimiento molecular. Dicho estrictamente, la radiación es la transmisión de energía
radiante, no de calor.
4. DILATACIÓN
Cuando se incrementa la temperatura de una sustancia, sus moléculas se mueven más
aprisa. Los choques de mayor energía entre las moléculas las fuerzan a alejarse más entre sí, dando
por resultado una dilatación de la sustancia. En general, todas las formas de la materia, sólidos,
líquidos, gases y plasmas, se dilatan cuando se les calienta y se contraen cuando se les enfría.
En muchos casos los cambios en tamaño de los objetos no son muy notorios, pero suelen ser
detectables con una cuidadosa observación. Los alambres telefónicos son más largos y cuelgan más
en los días calurosos del verano que en los fríos del invierno. Las tapas metálicas de los frascos de
vidrio para conservas a menudo se pueden aflojar con agua caliente. Si una parte de un trozo de
vidrio se calienta o enfría más rápido que las partes adyacentes, la dilatación o contracción resultantes
pueden romper el vidrio. Esto es especialmente cierto en el caso de vidrios de mucho espesor. El
vidrio pyrex se elabora en una forma especial a fin de que se dilate muy poco al incrementarse la
temperatura.
Los líquidos se dilatan en forma apreciable con los incrementos de temperatura. Cuando se
llena el tanque de gasolina en una estación de servicio y luego se le estaciona, el combustible a
menudo se derrama después de estar alojado en el tanque durante un corto tiempo. Esto se debe a
que la gasolina está fría al extraerse del depósito bajo tierra; cuando se aloja en el tanque del auto
adquiere la temperatura de éste.
Cuando la gasolina se calienta, se dilata; su volumen se
incrementa y el tanque se derrama. De manera similar, un radiador de automóvil al que se le llena
hasta el borde con agua fría se derrama cuando se calienta.
Los gases se dilatan aún más cuando se les calienta. Cuando se sostiene un globo lleno de
aire sobre una estufa caliente se advierte que aumenta de tamaño; esto se debe a que el aire del
interior se dilata al aumentar la temperatura.
Las diferentes sustancias se dilatan en diferentes grados. En la mayoría de los casos la
dilatación de los líquidos es mayor que la de los sólidos. Una evidencia de esto es el caso de la
gasolina que se derrama en un tanque de automóvil en un día caluroso. Si el tanque se dilatara en la
misma proporción, tanto el tanque como su contenido se dilatarían lo mismo no habría derrame. De
manera similar, si la dilatación del vidrio de un termómetro ocurriera en la misma medida que la del
mercurio, éste no ascendería al incrementarse la temperatura. El mercurio de un termómetro sube
con la temperatura en ascenso porque la dilatación del mercurio líquido es mayor que la del vidrio.
La dilatación de las sustancia debe tenerse presente en la construcción de estructuras y
dispositivos de todas clases. Un dentista emplea rellenos que tienen el mismo factor de dilatación que
los dientes, los pistones de aluminio de un motor de automóvil se hacen con un diámetro lo
suficientemente menor que los cilindros de acero para permitir el mucho mayor grado de dilatación del
aluminio. De manera similar, el camino y las aceras, de concreto, están separados por espacios
libres, algunas veces llenos de alquitrán, para que el concreto pueda dilatarse libremente en verano y
contraerse en invierno.
5.1. DILATACIÓN TÉRMICA DE SÓLIDOS.
La mayor parte de los cuerpos se dilatan cuando se incrementa su temperatura. Este
fenómeno juega un papel importante en un gran número de aplicaciones en la Odontología. Un
ejemplo de ello sería que al emplear rellenos, éstos tienen que tener el mismo factor de dilatación que
los dientes, para que el tratamiento sea un éxito.
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La dilatación térmica global de un cuerpo es consecuencia del cambio en la separación media
entre sus átomos o moléculas. El sólido como un todo se dilata al aumentar su temperatura. Si la
expansión de un objeto es suficientemente pequeña en comparación con sus dimensiones iniciales,
entonces el cambio en cualquier dimensión (longitud, ancho o espesor), dentro de una buena
aproximación, es una función lineal de la temperatura.
Si se supone que la dimensión lineal de un cuerpo a lo largo de alguna dirección es L para
cierta temperatura. La longitud se incrementará en una cantidad L para un cambio de temperatura
T. De manera experimental se encuentra que el cambio en la longitud es proporcional al cambio en
la temperatura y a la longitud inicial siempre que T sea suficientemente pequeño. Por lo tanto la
ecuación básica para la dilatación de un sólido es:
 L =  L0  T
donde  es la constante de proporcionalidad que se conoce como coeficiente promedio de dilatación
lineal para un material dado. A partir de esta expresión entonces:
=
1
L
L
T
El coeficiente promedio de dilatación lineal de un sólido es el cambio fraccionario en la
-1
longitud (L/ L0 ) por cambio de un grado en la temperatura. La unidad de  es grado . Por
-5
-1
ejemplo, un valor de  11 x 10 (Cº) significa que la longitud del objeto cambia en 11 parte por millón
de su longitud original por cada grado Celsius de cambio en la temperatura.
Debido a que las dimensiones lineales de los cuerpos cambian con la temperatura, se deduce
que el área y el volumen de un cuerpo también cambian con la temperatura. El cambio en el volumen
a presión constante es proporcional al volumen original V0 y al cambio en la temperatura de acuerdo
con la relación:
V =  V0 T
donde  es el coeficiente promedio de expansión volumétrica. Para un sólido isotrópico, el coeficiente
de expansión volumétrica es el triple del coeficiente de dilatación lineal, o  = 3. Un sólido isotrópico
es uno en el que el coeficiente de dilatación lineal es el mismo en todas las direcciones, por lo tanto se
puede escribir la siguiente ecuación:
 V = 3  V0  T
1. APLICACIÓN A LA MEDICINA
El calor y el frío han sido usados para propósitos médicos durante siglos. Desde la antigüedad se
recomendaba el uso del calor para algunas enfermedades (baños de aceite caliente o en aguas
termales), mientras que para otras enfermedades se recomendaba la aplicación de sustancias frías.
La controversia sobre estos tratamientos subsiste hasta nuestros días; sin embargo, ha habido
progresos debidos a la colaboración entre médicos, físicos y pacientes.
La termometría es la parte de la física que se encarga de la medida de la temperatura, mientras
que la termografía es la parte de la medicina que se encarga de hacer un registro gráfico de la
temperatura del cuerpo humano que puede usarse en el diagnóstico y la terapia del calor; mientras
que la criogenia y la criocirugía son términos que se refieren a los usos del frío.
6.1. REGULACIÓN DE LA TEMPERATURA DEL CUERPO
La temperatura del cuerpo humano, en general , es medida utilizando termómetros ya sea orales,
anales o de contacto con la piel. También pueden ser electrónicos, de mercurio, de alcohol, etcétera.
Una forma muy común de comparar la temperatura del cuerpo es simplemente colocar la mano sobre
la frente de otra persona y comparar su temperatura con la nuestra. Éste es un método muy primitivo
para poder comparar la temperatura, pero es efectivo.
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La temperatura del cuerpo humano varía entre los 34° y los 42°C, por lo que un termómetro para
medir la temperatura ambiente no es lo adecuado para el cuerpo humano. Cuando se usa un
termómetro electrónico, la lectura es muy rápida, mientras que si el termómetro es de mercurio (el
más común), hay que esperar el tiempo suficiente para que la lectura sea la correcta,
aproximadamente 3 o 4 minutos, de otra manera no es confiable. Otros dos dispositivos muy usados
para medir la temperatura o cambios en la temperatura del cuerpo humano son el termistor y el
termopar.
Un termistor es, una resistencia cuyo valor varía de acuerdo con la temperatura; es tan sensible
que con él pueden medirse cambios de temperatura de hasta 0.01°C. En general, en la práctica
médica los termistores son colocados en la nariz de los pacientes para registrar la temperatura del aire
que entra y compararla con la del que sale; al aparato completo se le conoce como neumógrafo. En
los niños de pocos días de nacidos que presentan problemas respiratorios es necesario tener el
registro permanente de esta función, ya que se puede presentar un problema de apnea y causar la
muerte.
Un termopar consiste de la unión de dos metales diferentes entre los cuales existe un voltaje que
cambia directamente con la temperatura; es decir, al aumentar la temperatura aumenta el voltaje en
forma proporcional. Dependiendo del tipo de metales que se usen, pueden medirse diferentes
intervalos de temperatura, en particular cuando se usan cobre y constantán (aleación de cobre y
níquel), se pueden medir temperaturas entre -190 y 300°C. Los termopares pueden construirse tan
pequeños que es posible medir la temperatura de células individuales; la precisión dependerá del
aparato con el que se mida.
A fin de mantener la temperatura del cuerpo humano a 37°C, éste emplea una variedad de
mecanismos para igualar la velocidad de pérdida del calor a la velocidad metabólica. Durante el
ejercicio físico, por ejemplo, la velocidad de pérdida del calor debe aumentarse para igualar a la
velocidad metabólica también incrementada. El cuerpo no tolera ni siquiera una pequeña diferencia
entre estas velocidades por mucho tiempo. Un cambio de temperatura de esta magnitud es suficiente
para activar los mecanismos de regulación de la temperatura del cuerpo.
La temperatura del cuerpo es captada y controlada por neuronas especiales en el hipotálamo
que responden a la temperatura de la sangre circundante.
Esto ha sido demostrado por
experimentos que han encontrado que cuando se utilizan electrodos implantados para variar la
temperatura del hipotálamo, se activan completamente los mecanismos de regulación de la
temperatura del cuerpo, aun cuando la temperatura del resto del cuerpo permanezca invariable.
Cuando la temperatura del hipotálamo está por encima de 37°C se activan los mecanismos de pérdida
de calor, tales como la vasodilatación y el sudor, y cuando la temperatura está por debajo de 37°C se
activan los mecanismos de conservación y generación del valor, tales como la vasoconstricción y el
temblor.
Es conveniente considerar la transmisión del calor procedente del cuerpo como un proceso en
dos etapas. La etapa 1 es la conducción del calor desde el interior a la superficie de la piel, y la etapa
2 es la transmisión del calor desde la piel al medio ambiente. La velocidad de transmisión del calor de
cada etapa debe ser la misma e igual a la velocidad metabólica.
El control principal de la transmisión del calor se hace a través de la conductancia, que el
cuerpo puede eficazmente variar por constricción y dilatación (vasoconstricción y vasodilatación) de
las arteriolas (pequeñas arterias) que suministran sangre a la rica red de venas y capilares situada
justamente debajo de la capa exterior de la piel (epidermis). El flujo de sangre a la piel puede variarse
de este modo desde casi cero hasta un 30% del flujo total del cuerpo. Cuando el flujo de sangre a la
piel es pequeño, el calor debe ser conducido desde el centro del cuerpo a través de la piel y el tejido
graso subyacente, que es un buen aislador y equivale a 2 o 3 mm de aire. Cuando el flujo de sangre
a la piel es importante, el calor es transmitido directamente por la sangre a través de la epidermis, que
es un mal aislador y equivale a unos 0.2 mm de aire. La velocidad de conducción de la etapa 1
depende también de la temperatura de la piel.
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La transmisión del calor de la etapa 2 es normalmente por radiación de la piel y por
conducción desde la piel al aire circundante.
El mapa de la temperatura corporal se conoce como termograma. Y se usa en diagnósticos de
cáncer principalmente, ya que éste se caracteriza porque sus células se encuentran a temperaturas
relativamente altas respecto a las restantes; la temperatura en la piel, sobre un tumor (que puede ser
interno), es 1°C arriba del promedio.
La termografía también se usa frecuentemente en el estudio de la circulación de la sangre,
principalmente en la cabeza, ya que diferencias en la temperatura entre los lados derecho e izquierdo
son indicativas de problemas circulatorios.
6.2. BENEFICIOS TERAPEÚTICOS DEL CALOR
Los beneficios terapéuticos del calor son conocidos hace siglos: los baños de agua caliente
son muy relajantes, el calentar una cierta área del cuerpo provoca una aceleración en el metabolismo,
produciendo vasodilatación e incremento en el flujo sanguíneo, lo que resulta benéfico para piel
dañada.
La transferencia de calor por conducción es aplicada en medicina a superficies en forma local;
por ejemplo, la aplicación de plasmas de parafina caliente: la circulación sanguínea distribuye el calor
que penetra en la piel en esta zona, y se usa en el tratamiento de neuritis, artritis, contusiones,
sinusitis y otras enfermedades.
El calor de radiación se usa para calentamiento superficial del cuerpo, por ejemplo con
lámparas incandescentes. La radiación infrarroja (radiación con longitudes de onda entre 800 y 40
000mm) tiene una penetración en la piel de aproximadamente 3 mm, e incrementa la temperatura de
la superficie; generalmente se usa para los mismos problemas que el calentamiento conductivo, pero
exposiciones prolongadas pueden causar lesiones a la piel.
Cuando el problema es de inflamación de un hueso, una neuralgia o bursitis, por ejemplo, se
usa la diatermia, que consiste en pasar corriente eléctrica de determinada frecuencia a través del
cuerpo, el calor producido de esta manera aumenta al incrementarse la frecuencia de la radiación, la
cual puede ser de onda corta (longitud de onda del orden de 10 m) o bien encontrarse en el intervalo
de las microondas (longitud de onda del orden de 10 cm).
También puede usarse ultrasonido para calentamiento de partes internas. Este produce un
efecto de micromasaje ya que se trata de ondas mecánicas y no electromagnéticas. Desde la década
de los setentas se comenzó a usar la radiación combinada con el calor en el tratamiento de algunos
tumores cancerosos con muy buenos resultados.
6.2. BENEFICIOS DEL FRIO (BAJAS TEMPERATURAS)
Criogenia es la ciencia y la técnica de producir muy bajas temperaturas. La historia de la
criogenia data de 1840 en que se usó el frío (hielo) para el tratamiento de la malaria; en 1877 se logró
licuar aire (- 196°C) y en 1908 se licuó hélio (-269°C). Uno de los problemas más difíciles de resolver
fue el de guardar los líquidos a estas temperaturas, ya que por convección o por radiación
aumentaban fácilmente su temperatura. Este problema fue resuelto por James Dewar en 1892 y el
dispositivo inventado por él ahora lleva su nombre: dewar. Un dewar está hecho de vidrio plateado o
de acero delgado para minimizar las pérdidas por conducción y por radiación, con vacío entre sus
paredes para evitar las pérdidas de energía por convección.
En medicina se usan las bajas temperaturas para la preservación de sangre, esperma, tejidos,
etcétera. De hecho, el frío retarda todos los procesos; puede decirse que provoca un estado de
animación retardada o suspendida si la temperatura es muy baja.
Cuando los métodos criogénicos se usan para destruir células, se habla de la criocirugía; ésta
tiene varias ventajas: hay poco sangrado en el área destruida, el volumen del tejido destruido se
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puede controlar por la temperatura de la cánula crioquirúrgica, hay poca sensación de dolor porque las
bajas temperaturas insensibilizan las terminales nerviosas. Una de las primeras aplicaciones de la
criocirugía fue en el tratamiento del mal de Parkinson, el cual provoca temblores incontrolables en
brazos y piernas. Es posible detener los temblores destruyendo quirúrgicamente la parte del tálamo
cerebral que controla estos impulsos, para lo cual se diseñó un dispositivo especial que permite llegar
a esta parte del cerebro y mantenerla por unos minutos a -85°C, destruyéndola sin afectar otras partes
del cerebro; todo esto se lleva a cabo con el paciente consciente, de modo que los beneficios son
detectados de inmediato y su recuperación es sumamente rápida comparada con la que tendría si se
somete a una intervención quirúrgica tradicional.
En la cirugía de cataratas y la reparación de retinas dañadas, se empieza a usar mucho la
criogenia. Sin lugar a dudas tiene gran cantidad de aplicaciones, que están siendo desarrolladas
actualmente.
2. APLICACIÓN EN ODONTOLÓGÍA
7.1. DILATACIÓN
Los materiales dentales de restauración están sujetos a cambios de temperatura bucales y
éstos originan cambios dimensionales en dichos materiales, así como en la estructura dental
circunvecina. Con frecuencia la dilatación térmica del material de restauración no es igual al de la
estructura dental, por lo tanto, hay un diferencial de dilatación que causa la filtración de los fluidos
bucales entre la restauración y el diente.
El coeficiente de dilatación no es uniforme a lo largo de la extensión de temperatura y suele
ser más alto para los líquidos que para los sólidos. Por ejemplo, para un sólido como la cera dental, el
coeficiente de expansión térmico suele elevarse en algún punto cuando la temperatura aumenta. Es
frecuente informar el coeficiente lineal de expansión térmico más que el volumétrico.
Es importante la relación entre los coeficientes de dilatación térmicos de los dientes naturales
y los materiales de restauración. En el cuadro No. 6 se observa que los valores de esta relación para
la amalgama y los plásticos compuestos son alrededor de dos a tres veces los de los dientes
naturales. Sin embargo, los valores para los plásticos sin relleno son cinco o siete veces los de los
dientes, siendo los de la porcelana una mitad a un tercio y la de las aleaciones de oro
aproximadamente la misma que para los dientes naturales.
CUADRO No. 6
Tabla de coeficientes de dilatación térmica lineal de los
materiales dentales en el rango de temperatura de 20º a 50º c
MATERIAL
COEFICIENTE
(10-6/ºc)
10 - 15
22 - 28
25 - 50
12 - 15
70 - 100
Dientes naturales
Amalgama Dental
Plásticos Compuestos
Aleaciones en oro
Plásticos sin relleno y
selladores
Porcelana
Cera para incrustaciones
4 - 14
300 - 1,000
(10-5/ºc)
Aluminio
Vidrio Pyrex
acero
Zinc
Latón
hierro
cobre
2.4
0.3
1.2
2.6
1.8
1.2
1.7
7
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plomo
3
5.2. CONDUCCIÓN DEL CALOR
Los materiales cualitativamente tienen diferentes grados de conducir el calor, los metales tienen
valores más altos que los plásticos y las cerámicas. Cuando la porción de un diente se reemplaza
por una restauración metálica como la amalgama o la aleación de oro, el diente puede estar
temporalmente sensible a los cambios de temperatura de la boca. Las personas que usan aparatos
ortodónticos o prótesis acrílicas completas también observan efectos de temperatura.
La conductividad térmica se ha utilizado como una medida de calor transferido y se define como el
2
número de calorías por segundo que fluyen a través de una área de 1 cm , en la cual la caída de
temperatura a lo largo de la longitud de la muestra es de 1ºC/cm. Este es un término cuantitativo
bastante complicado, pero cualitativamente está relacionado en forma simple al grado de calor que
fluye. La conductividad térmica de una variedad de materiales se detalla en el cuadro No. 7:
CUADRO No. 7
Conductividad térmica de los materiales dentales
Material
Conductividad termal
(Cal//seg/cm2 [ºC/cm] )
0.0022
0.0015
0.055
0.0025
0.710
0.0005
0.0025
0.0028
0.0011
Esmalte Natural
Dentina Natural
Amalgama Dental
Plásticos Compuestos
Aleaciones de oro
Plásticos acrílicos sin relleno
Porcelana
Cemento de fostato de cinc
Cemento de óxido de cinc-eugenol
Parece que el esmalte y dentina humanos son conductores térmicos deficientes, comparados
con las aleaciones de oro y la amalgama dental, a pesar de que esta última es substancialmente más
baja que el oro. Los cementos de óxido de cinc-eugenol y de fosfato de cinc reemplazan ligeramente
la estructura dental perdida con respecto a la conductividad térmica. Es obvio el uso de cementos
como bases aislantes térmicas en preparaciones cavitarias profundas. Aunque la dentina es un
conductor térmico deficiente, una capa delgada de la misma proporciona aislamiento térmico
inadecuado para la pulpa, excepto si se usa una base de cemento debajo de la restauración metálica.
Las restauraciones de resina compuesta y de acrílico sin relleno tienen conductividades térmicas
comparables a la estructura dental y no presentan ningún problema con respecto a ésta. Los barnices
cavitarios tienen baja conductividad térmica, como los acrílicos sin relleno, pero se usan en capas tan
delgadas que son ineficaces como aislantes térmicos.
Documento modificado para fines docentes con la autorización del autor Master Sandra Rivera.
Realizado por el Dr. Edwin López
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