EL CUERPO HUMANO COMO SISTEMA TERMODINAMICO Diagrama: Vision general: La termodinámica estudia las relaciones entre calor y energía y por eso se entiende que es aplicable a una gran gama de aplicaciones, uno de esos proceso es el proceso en los seres humanos, este blog será enfocado desde los puntos de vista del proceso de regulación termodinámica en el cuerpo humano, enfocada desde la termodinámica biológica. Variación de la temperatura Corporal La primera ley de la termodinámica nos dice que la energía no se crea ni se destruye solo se trasforma , en organismos vivientes las reacciones más frecuentes son irreversibles y no son hechas en condiciones adiabática y es por eso que la aplicación de las leyes de la termodinámica se limita bastante , en sistemas biológicos el proceso de clasificación de las propiedades de sistemas es mas complicado pero en general podemos decir que los seres vivos no son sistemas en equilibrio , estos organismos son organismos abiertos que intercambian energía y materia con el entorno. Calor que producimos= Calor que perdemos Introducción: Los animales de sangre calientes (mamiferos y pajaros) , mantienen una temperatura corporal central relativamente constantes a pesar de las flucataciones de la temperatura ambiental. El cuerpo humano puede ser considerado como sistema termodinámico abierto, que debe mantener temperatura constante de 35,8 a 37,2 ºC. un su Por otra parte el cuerpo humano está continuamente intercambiando materia y energía con sus alrededores (metabolismo), consumiendo energía para desarrollar los trabajos internos y externos, y parafabricar moléculas estables (anabolismo) para lo cual necesitaalimentarse, ingiriendo moléculas de gran energía libre (nutrición) que a partir de determinadas reacciones de combustión dan lugar a productos de menor energía (catabolismo). El cuerpo humano, tiene la peculiaridad de que su entropía es mínima, por eso es un sistema termodinámico inestable lo que provoca su evoluciónpermanente, o sea la vida misma. Para que el organismo vivo pueda mantenerse en dicho estado es necesario que elimine el exceso de entropía que se produce continuamente inherente a los procesos vitales: circulación de la sangre, respiración etc. Concepotos de temperatura central, superficial y corporal • Temperatura central (Tc) Está constituido por los contenidos de la cabeza, cavidades torácicas y abdominales. La temperatura central permanece relativamente constante y es mantenida constante dentro de límites bastante estrechos. • Temperatura Superficial (Ts) Está constituida por la piel, el tejido subcutáneo y el grueso de la masa muscular, el promedio de la temperatura de la piel, superficial, aumenta con el incremento de la temperatura ambiental. • Temperatura Corporal (Tco) Es una sumatoria de la temperatura superficial y central (mencionadas anteriormente) , las cuales se multiplican por una constante (Tc y Ts, respectivamente) que a su vez dependen de las temperaturas ambientales. Tco= 0.65Tc + 0.35Ts *Esto solo se aplica para un medio ambiente considerado como tempreatura neutral (28°C) y las contantes son 0.65 y 0.35. • En un medio ambiente frío eñ valor de la constante seria 0.4 para la Ts y 0.6 para la Tc Tco=0.6Tc + 0.4Ts • En un medio ambiente de calor , los factores serian de 0.2 y 0.8 para las Ts y Tc Tco= 0.8Tc + 0.2Ts Balance térmico y cambios en el contenido de calor del organismo El hecho de que la temperatura corporal central se mantenga relativamente constante, nos dice que existe un balance entre la ganancia y la perdida de calor, el organismo produce una determinada cantidad de calor en el proceso catabólico de los principios inmediatos y pierde igualmente una determinada cantidad de calor por los mecanismos de radiación, conexión y evaporación, mientras que los factores externos que determinan la perdida de calor son la temperatura, la humedad del aire, la velocidad de las corrientes de aire y la temperatura de los objetos que están alrededor. Por lo tanto si un individuo está en balance térmico , la gancia es igual a la perdida de calor. M + R + C + K - E = 0 en M= R= C= donde: Tasa de metabolismo (kcal/m2/h) Radiacion (kcal/m2/h) Conveccion (Kcal/m2/h) K= Conduccion (kcal/m2/h) E= Evaporacion (Kcal/m2/h) En situaciones en que no existe balance térmico, por ejemplo cuando la temperatura corporal asciende o desciende , el organismo gana o pierde calor almacenado, los cambios en el contenido o almacén de calor del organismo se pueden calcular: DS= 0.83 * W(T1-T2) En donde: S= calor almacenado del organismo 0.83= constante referida al calor especifico de los tejidos corporales (Unidades: kcal/kg/°C) W= Peso corporal en Kg T1 y T2 = Temperatura al comienzo y al final de un periodo de tiempo dado Flujo de calor: La cantidad de calor transportada dQ por una material de largo L y sección ortogonal al flujo de calor de S es: dQ/dt = (λS/L) dT donde: dT: diferencia de la temperatura dt: tiempo transcurrido λ: constante de conducción termina *La constante de expresarse por lo general en kcal=C mhr o J=K conductividad es el del agua que es 0.5 kcal/C ms. conducción térmica ms. Un valor típico se de La conducción de calor lleva a que en el lugar de destino la temperatura suba. Esto ocurre en función de la ecuación que nos relaciona el cambio de temperatura interna dTi con el calor suministrado dQ según la ecuación dQ = m c dTi El calor suministrado se calcula con la ecuación de conducción en donde la diferencia de temperatura dTc se refiere al gradiente entre el lugar donde se origina el calor y la zona de destino del flujo. Para describir el flujo de calor empleamos dQ = m c dTi. y dado que el calor transportado es igual al calor que genera el aumento de temperatura se tiene que (λS/L) dt dTf = m c dTi Por ello la temperatura final que se obtiene es dTi = (λS/Lmc) dt dTf Nota: esta ecuación solo aplica si dTf >> Ti ya que un aumento de la temperatura local (dTi) lleva a una reducción del gradiente (dTf ) y con ello del flujo. Si se desea calcular la evolución para el caso general se debe calcular la variación para pequeños tiempos y en cada nuevo cálculo corregir la variación del gradiente. Datos curiosos El hipotálamo, el cual es una parte del tallo encefálico humano, actúa como termostato de la temperatura corporal. Cuando la temperatura se eleva por encima del límite superior, el hipotálamo acciona mecanismos para bajar la temperatura. De igual manera, acciona mecanismos para elevar la temperatura, si esta desciende demasiado. El cuerpo, como sistema termodinámico, aumenta su contenido en energía interna mediante la ingestión de alimentos de su entorno. (metaboliza) C6H12O6(s) + 6O2(g) --> 6CO2(g) + 6H2O(l) ∆H = - 2803 KJ. Aproximadamente el 40% de la energía producida, se utiliza para realizar trabajo en forma de contracciones musculares y de actividad celular nerviosa. La energía restante se libera como calor, parte del cual se utiliza para mantener la temperatura corporal. Cuando el cuerpo produce demasiado calor, como en ocasiones sucede cuando se realiza un ejercicio físico intenso, éste disipa el exceso al entorno en forma de radiación, convección y evaporación. Cuando el hipotálamo percibe que la temperatura corporal se elevó demasiado, éste aumenta la pérdida de calor del cuerpo de dos formas principales. La primera consiste en el incremento del flujo de sangre cerca de la superficie de la piel, lo que permite que aumente el enfriamiento por radiación y convección. En la segunda, el hipotálamo estimula la secreción de sudor de las glándulas sudoríparas, lo cual aumenta el enfriamiento por evaporación. Cuando la temperatura corporal desciende demasiado, el hipotálamo disminuye el flujo de sangre hacia la superficie de la piel, con lo que disminuye la pérdida de calor. Por otra parte, también acciona pequeñas contracciones involuntarias de los músculos, que cuando se vuelven suficientemente prolongadas, como cuando sentimos escalofríos el cuerpo tirita. Si el cuerpo no es capaz de mantener una temperatura por encima de los 35ºC, puede producirse una hipotermia.
