Catedra de Fisica Medica

Universidad Nacional del Nordeste

Facultad de Medicina

Ctedra de Fisiologa Humana

TERMODINAMICA. TERMODINAMICA BIOLOGICA. MECANISMOS DE REGULACION DE LA TEMPERATURA CORPORAL

TEMA II

1.0 TERMODINAMICA

Es una importante rama de la fsica que estudia las relaciones entre el calor y las dems formas de energa. El campo que abarca la termodinmica es muy amplio y su conocimiento es indispensable para comprender muchos procesos que ocurran en los organismos vivos, tal como la produccin de trabajo por el msculo, las fotosntesis, la concentracin de solutos por parte del rin, etc., todos regidos por relaciones termodinmicas.

La termodinmica trata fundamentalmente de las transformaciones de calor en trabajo mecnico y de las transformaciones opuestas de trabajo mecnico en calor.

1.1 TEMPERATURA

Existe una manera subjetiva de apreciar la cantidad de calor de los cuerpos y es por el tacto. Por el decimos que un cuerpo A es mas caliente que otro B y que a su vez B es mas caliente que C.Existen muchas propiedades fsicas que cambian con la temperatura, como el volumen de un liquido, por ejemplo. As, se aprovecha la variacin de volumen del mercurio, observado en un tubo capilar, para cuantificar la temperatura de un cuerpo, ya que a un incremento t de temperatura seguir otro incremento v de volumen del mercurio, siempre constante para el mismo aumento de temperatura. Los termmetros de mercurio son comnmente usados para la determinacin de la temperatura, y el termmetro clnico usado para la determinacin de la temperatura corporal , es un termmetro de mxima, es decir, la columna mercurial queda fija en la mxima temperatura medida porque existe un estrangulamiento entre el bulbo y el capilar que interrumpe la columna.Por ello es necesario agitar repetidamente el termmetro para restablecer la columna a su valor anterior a la medicin.

1.1.2 Relacin entre las escalas centgrada y absoluta: en el punto de fusin del hielo un termmetro centgrado marcara 0 C y un termmetro calibrado en la escala absoluta 273,15 K (K, grados Kelvin). Luego:

T = 273,15 K + C

Ejemplo: 37 C equivalen a 273,15 + 37 = 310,15 K

1.2 EL CALOR, UNA FORMA DE ENERGIA

Si se efecta el frotamiento de dos cuerpos entre si, se generara una cierta cantidad de calor. Una serie de paletas sumergidas en agua que giren a una cierta velocidad, producirn un incremento de temperatura en la masa liquida. Los dos ejemplos dados no son sino la transformacin de trabajo mecnico en calor.Joule estableci que es necesario efectuar un trabajo equivalente a 4, 18.177 ergios para obtener una cantidad de calor igual a una calora; y viceversa, por cada calora se obtiene un trabajo mecnico igual a 4, 18.107 ergios. Es decir, existe una equivalencia entre trabajo y calor o energa y calor.El valor dado mas arriba se denomina equivalente mecnico del calor y nos servir de introduccin al principio de conservacin de la energa. Luego, como concepto, debe tenerse en cuenta que el calor no es sino una de las varias formas bajo las cuales se presenta la energa.

1.3 PROPAGACION DEL CALOR. BREVE REPASO

Deseamos recordar cuales son las formas de propagacin del calor, ya estudiadas al hablar de calorimetra (consultar la gua respectiva).La conveccin sucede en los fluidos (gases y lquidos) y es el movimiento ascendente de masas calientes y descendentes de masas fras, debido a la temperatura. De esta manera se produce la traslacin del calor contenido en las masas fluidas a otros puntos de menor temperatura.

La conduccin es importante en los slidos y se produce por entrega de energa entre molculas contiguas en un cuerpo. Existen cuerpos buenos conductores del calor, como los metales en general, y malos conductores, como los gases. El termino bueno o malo significa capacidad de conducir calor y es variable de acuerdo a la sustancia considerada. El flujo trmico a travs de un cuerpo (cantidad de calor transmitida por unidad de rea en un segundo) es proporcional al gradiente de temperatura, es decir, diferencia de temperaturas entre los puntos considerados dividido la distancia del medio interpuesto, y a una constante denominada coeficiente de conductividad trmica, el que depende de la sustancia conductora y presenta valores mas bajos en los gases, mayores en los metales, e intermedios en slidos tal como vidrio y madera. (Ver pagina 2 de la gua de Calorimetra).El calor se propaga en el vaci a la velocidad de la luz (3.1010 cm/seg.) por medio de ondas electromagnticas de longitud de onda mayor que la de la luz visible. Esta propagacin del calor por radiacin se hace por medio de las ondas infrarrojas, las que al absorberse entregan la energa que transportan en forma de calor. En realidad, todas las ondas electromagnticas, sean visibles o no, transportan energa, que al absorberse pueden trasformarse en calor en una determinada proporcin que se halla en relacin con la frecuencia de la radiacin y que es mxima por encima de los 8000 de longitud de onda y hasta 20.000 aproximadamente. El llamado infrarrojo prximo se extiende desde cerca de los 20 hasta el espectro visible. (Es oportuno recordar que I ngstrom = 10 cm y que 1 = 104 ). Las cantidades de radiacin emitidas por un cuerpo, de acuerdo a la ley de Stofan Boltzmann, es dependiendo de la cuarta potencia de la temperatura absoluta, o son que la perdida de calor por radiacin ser proporcional a la temperatura del cuerpo.

1.4 LEY CERO DE LA TERMODINAMICA

La llamada ley cero de la termodinmica es la ley del equilibrio trmico y puede resumirse as: si dos cuerpos A y B estn en equilibrio trmico entre si. Existe una tendencia a la reparticin proporcional de la cantidad de calor entre cuerpos puestos en contacto a diferentes temperaturas, y el equilibrio se establece cuando todos los cuerpos tienen igual temperatura. El flujo trmico se hace en direccin al cuerpo mas fri y cesa cuando el gradiente se hace igual a cero.

1.5 PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICAEl primer principio o primera ley de la termodinmica es esencialmente la formulacin del principio de conservacin de la energa en los sistemas termodinmicos.

En primera instancia, podemos inferir que la variacin de la energa de un sistema, durante la transformacin del mismo, es igual a la energa que el sistema recibe del medio circundante.

Existe una correspondencia cuantitativa entre los fenmenos mecnicos y trmicos: una parte del calor de un sistema puede convertirse en una cantidad equivalente de energa mecnica y viceversa. Sea cual fuere el sentido de la conversin, existe una relacin matemtica entre el trabajo W y la cantidad de calor Q para obtenerlo, y as:J = W / Q; W = JQ = 0,

Siendo J el equivalente mecnico del calor, del que se ha tratado en el punto 1.2.J = W QW = J.Q = 0

J = equivalente mecnico del calor

Q = cantidad de calor absorbida por el sistema

W = trabajo

Consideremos un sistema cualquiera, al que podamos introducir algn cambio. Al estado inicial (antes del cambio) lo llamaremos i y luego del cambio llamaremos f.

La cantidad de calor absorbida por el sistema ser Q y el trabajo hecho por el mismo W. Si calculamos Q W obtendremos un valor denominado cambio de energa interna del sistema y lo representamos por la letra U, siendo U = Uf Ui (Uf y Ui son los valores de la energa interna en los estados f e i, respectivamente.Luego:

U = Q W

Uf Ui = Q W;

Q = (Uf Ui) + W

(1)

Siendo esta ecuacin la expresin matemtica de la primera ley de la termodinmica.

Al aplicar esta ley deben considerarse los signos de Q y W:

+Q: cuando el sistema recibe calor;

- Q: cuando el sistema cede calor;

+W: cuando el sistema realiza trabajo;

-W: cuando el sistema recibe trabajo.

Para efectuar los cambios de estado del sistema i y f podemos seguir varios caminos, pero la relacin Q W ser invariable, ya que no depende de la trayectoria seguida, sino solo de los estados inicial y final del sistema.La conclusin mas importante que podemos obtener del primer principio es que la suma de todas las clases de energa que posee un sistema aislado permanece constante, o sea, la energa no se crea ni se destruye, se transforma.

1.6 SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA

El segundo principio de la termodinmica, tambin llamado principio de Carnot o de Claudio, de la evolucin o de la entropa, especifica que una maquina solamente puede transformar calor en trabajo, si existe en la misma paso de calor de un manantial caliente a otro fro. As, no puede obtenerse trabajo a partir del calor sin que se produzca una perdida de temperatura. Solamente una parte del calor cedido por el manantial caliente es convertida en trabajo. Y si bien la energa calorfica total de un sistema aislado (suma de las cantidades de energa aprovechable, o sea convertible en trabajo disminuye constantemente. De la extensin de este principio se deducen dos consecuencias importantes: a) imposibilidad del movimiento continuo, b) disminucin inexorable de la energa en el universo, que tiende a perder su forma concentrada y ordenada (forma en la cual es aprovechable) para disiparse, y a este fenmeno se le da el nombre de entropa.En general, el segundo principio se ocupa de estudiar la produccin de trabajo y el rendimiento de los sistemas. Para obtener trabajo mecnico se necesita la transformacin de la energa interna en calor y del calor en trabajo mecnico, es decir, dos etapas sucesivas. La primera etapa es fcilmente lograble (p. ej. la combustin de materia se hace con desprendimiento de calor); con respecto a al segunda y para abordar su estudio, hay que considerar el denominado rendimiento del sistema, esto es, la relacin entre la cantidad de energa consumida y la cantidad de energa producida. Si un sistema se transforma en trabajo la totalidad del calor que recibe, su rendimiento es del 100%, pero este sistema ideal es prcticamente imposible de lograr, porque siempre se produce el escape de cierta cantidad de calor que no se convertir en trabajo, disminuyendo el rendimiento de la maquina.La figura 2 muestra el esquema de funcionamiento de una maquina trmica.

El motor M esta vinculado a dos fuentes de calor Q1 y Q2, que se encuentran a las temperaturas T1 y T2 respectivamente, siendo la temperatura mas alta T2. En esta maquina el trabajo W producido ser igual a la diferencia de cantidad de calor de las fuentes 1 y 2:

W = Q2 Q1,

(2)

Pero como el sistema realiza un trabajo en forma cclica, es decir, se vuelve nuevamente al estado inicial en forma peridica, la energa interna U permanece invariable (U = 0)W = Q - U

W = Q,

(3)

O sea, el trabajo producido es igual al calor consumido.

En este sistema ideal, podemos calcular su rendimiento R:

R = trabajo producido =W calor consumido Q2

y como W = Q2 Q1

R = Q2 Q1 , o tambin: R = T2 T1

Q2 T2

Si T2 = 473 K y T1 = 323 K:

R = 473 323 / 473 = 0,31,

es decir, la maquina real considerada tiene un rendimiento del 31%.

1.7 FUNCIONES TERMODINAMICAS

Las funciones termodinmicas son: a) Energa interna, b) Entalpa, c) Entropa, d) Energa libre.

Los valores de todas estas funciones pueden considerarse como caractersticas del estado de un sistema. Sea un sistema que contiene uno o varios componentes en estados fsicos determinados y para el cual cada funcin termodinmica tenga un valor bien definido U, H, S, F (para las cuatro funciones, respectivamente).Supongamos que dicho sistema se transforma en otro para el cual las funciones termodinmicas tienen valores diferentes U, H, S, F. La reaccin va acompaada entonces de una variacin de energa interna U =U U; de una variacin de entalpa H = H H; de una variacin de entropa S = S S; de una variacin de la energa libre F = F F.Estas variaciones tienen un significado bien determinado.

a) Energa interna: ya se ha visto anteriormente algo sobre este tema (punto 1.5), pero lo explicaremos mejor.

Cuando una sustancia que se halla, p. ej., en estado liquido pasa a otro estado (efecta un cambio de estado), tal como el gaseoso, requiere un cierto suministro de energa para realizar dicho cambio.Un gramo de agua liquida necesita 537 caloras para pasar a un gramo de agua en estado gaseoso (o de vapor). Sin embargo, este proceso se realiza sin cambios de temperatura de la sustancia, ya que la cantidad de calor absorbida (537 cal) ha sido utilizada nicamente para el cambio de estado, conservndose como energa interna de la sustancia.

Luego, 1 gramo de agua en estado de vapor tiene mayor energa que si estuviera en estado liquido. Esas caloras de diferencia entre ambos estados son devueltas al medio cuando se realiza la transformacin de vapor a lquido.

La energa interna puede manifestarse bajo cualquiera de las formas en las que se presenta la energa, qumica, elctrica, radiante, etc., y puede liberarse incluso rpida o explosivamente (explosiones nucleares, p. ej.), como ejemplo de las grandes cantidades de energa contenidas en los cuerpos.Importa conocer la variacin de la energa interna U de un cuerpo o sistema, la que queda definida entre la cantidad de calor Q y el trabajo W:

U = Q W

(Vase pg.3, 001).

En sntesis, la variacin de la energa interna denominada tambin calor de reaccin a VOLUMEN constante, es el efecto trmico que acompaa a la reaccin, a una determinada temperatura y mantenindose constante el volumen y que la reaccin no sea utilizada para producir trabajo alguno.

La energa interna de un sistema aislado queda definida tambin por una serie de parmetros fsicos, temperatura (T), presin (P), volumen (V) y naturaleza qumica (Nq).

b) Entalpa: la variacin de entalpa corresponde al llamado calor de reaccin a PRESION constante, y es el efecto trmico que acompaa a una reaccin a una determinada temperatura y a presin constante, en condiciones tales que dicha reaccin no sea utilizada para producir trabajo exterior alguno.Es decir, no existe variacin de la presin (P9, y lo que varia es el volumen (V9. La variacin de entalpa H queda definida por:

H = U + PV.

(4)

En sntesis, la entalpa representa la suma de la variacin de energa interna y el trabajo realizado.

c) Entropa: es una magnitud usada en termodinmica para expresar el grado de desorden de la materia. A la degradacin de la energa corresponde un incremento de la entropa.

As, el vapor contenido a presin en una caldera puede, al ser dirigidos sus molculas al cilindro, e empujar un embolo y producir trabajo. Por el contrario, si dicho vapor es disipado en la atmsfera, aporta sus caloras a la misma, pero esta energa desordenada e irrecuperable. Tambin un trozo de hulla representa cierto orden de la materia, mientras que sus gases de combustin son diluidos en la atmsfera conducen al desorden, y sus cenizas son materias no utilizables para producir trabajo. De ah el segundo principio de la termodinmica, segn el cual la entropa de un sistema aislado jams puede disminuir: o se dan en el sistema transformaciones absolutamente reversibles y la entropa permanece entonces constante, o las transformaciones son irreversibles y en dicho caso la entropa aumenta (los restos de combustin de la hulla no pueden volver a dar hulla).La variacin de entropa S queda definida por la relacin entre la cantidad de calor Q y la temperatura absoluta T:

S = Q

(5).

T

Si tenemos en cuenta que se necesitan 80 cal para fundir un gramo de hielo (0 C = 273 K), podemos calcular el valor de la entropa (para 50 gramos de hielo):

S = Q = m . c = 50g x 80 cal / g = 14,7 cal / K, T T 273 K

o sea que la entropa en este caso aumenta a razn de 14,7 cal por grado Kelvin de temperatura.

d) Energa libre: La energa libre F es la parte de la energa de un sistema que puede transformarse en trabajo. Cuando se efecta la transformacin de un sistema a temperatura y presin constante, va siempre acompaada de un aumento o disminucin de la energa libre F:

- Exergonica: es el cambio que se acompaa de liberacin de energa al medio (disminucin de la energa libre - F).

- Endorgonica: es el cambio que se acompaa de absorcin de energa (aumento de la energa libre + F).

La variacin de la energa libre, para una reaccin qumica, la podemos calcular conforme a:

F = R . T 1nk

(6)en donde R y T son la constante universal de los gases, ya vista anteriormente, y la temperatura absoluta. K es una constante llamada de equilibrio de la reaccin qumica.

Tambin podemos definir a esta funcin del sistema (funcin de estado del sistema) como sigue:

F = U TS; o bien F = U - TS.

(7)1.8 TERCER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA

Este principio, estudiado por Nernst, es tambin llamado Teorema de Nernst y se lo puede enunciar de la siguiente forma: en el cero absoluto, la entropa de un sistema puede siempre considerarse igual a cero.

2.0 TERMODINAMICA BIOLOGICA

Los mecanismos que se encuentran en los seres vivientes son, en general, sumamente complejos y no pueden definirse exclusivamente por los parmetros que habamos visto que caracterizan a un sistema fsico termodinmico. Este resulta sumamente sencillo en comparacin a los sistemas biolgicos.

Los fenmenos que se producen en un organismo viviente, destinados a un fin especifico (por ejemplo, oxidacin de las grasas), constan de una serie de reacciones que se suceden una tras otras, a una cierta temperatura, y a esta serie de reacciones se denomina cadena. No siempre se conocen bien todos los eslabones de esta cadena y la forma de interaccin entre unas y otras, adems, la velocidad total queda definida por la constante de velocidad de la reaccin mas lenta (regla de Blackman Putter).En este tipo de reacciones, la velocidad varia exponencialmente con la temperatura absoluta del sistema:

donde:

R = R0 . e N / T, (8)

R = velocidad de reaccin.

R0 = velocidad a 0 C.

e = base de los logaritmos naturales.

= constante de velocidad que depende de la sustancia.

T = temperatura absoluta.

llamndose a esta expresin ecuacin de Arrhenius. La velocidad de reaccin se duplica aproximadamente cuando la temperatura se incrementa 10 C; y de la graficacin de R en funcin de 1 / T (en papel semilogaritmico) puede obtenerse una recta.El estudio de una cadena compleja de reacciones involucra varias reacciones sencillas, y la reaccin mas lenta de una reaccin sencilla determinara la constante de velocidad de la serie. Luego, la velocidad de una cadena de reacciones ser siempre indicado la de un proceso simple que ocurre en el organismo.Otro detalle que importa conocer es que, en sistemas termodinmicos estudiados anteriormente, los cambios impuestos a un sistema son generalmente reversibles o cclicos, es decir, puede volverse al estado inicial luego de haber pasado por un estado final (por ejemplo, la compresin de un gas a temperatura constante).

En los organismos vivientes, las reacciones mas frecuentes son irreversibles y adems no son hechas en condiciones adiabticas (sin intercambio trmico con el medio que rodea al sistema), de tal modo que la aplicacin de las leyes de la termodinmica vistas anteriormente se limita bastante, y su aplicacin sobre la base de analogas con sistemas simples no es valida, ya que el numero de observables a considerar es muy grande y deben tenerse en cuenta todas. En un sistema simple, como un gas puro, debemos considerar P, V, T y definimos termodinmicamente al sistema, pero este no es aplicable estrictamente a un sistema biolgico.De todos modos, si podemos aplicar lo visto al estudio de la reaccin entre una o mas etapas de una cadena de reacciones, siempre y cuando se conozcan las observables, lo que no es posible en todos los casos.

Pero debemos tener presente, que tanto el primero como el segundo principio de la termodinmica se cumplen estrictamente en los seres vivientes.

Todas las transformaciones en los sistemas biolgicos tienen lugar a presin y volumen prcticamente constante y, adems, dado que la temperatura en los animales de sangre caliente es significativamente constante es prcticamente todos sus puntos, no pueden existir transformaciones de calor en trabajo, o sea, los organismos vivientes no se comportan como maquinas tcnicas sino como maquinas qumicas.En la naturaleza se estn produciendo continuamente reacciones con absorcin o liberacin de calor (reacciones endergonicas o exergonicas, respectivamente), entonces, interesa fundamentalmente los cambios de la energa libre de los sistemas reaccionantes. Por ejemplo, la descomposicin de CO2 en C y O2 requiere 94.300 cal, y la sntesis de CO2 a partir de C y O2 libera 94.300 cal (reaccin exotrmica). Las cantidades absolutas de energa calorfica de cada elemento no interesan tanto (por otra parte se desconocen), pero lo que realmente interesa es la variacin de la energa libre, como queda dicho, que tal reaccin involucra.2.1 PRODUCCION DE CALOR EN ANIMALES HOMOTERMOS

Los organismos vivos que mantienen constante su temperatura se denominan homotermos u homeotermos (animales de sangre caliente); los poiquilotermos (animales de sangre fra) no regulan su temperatura y esta corresponde a la del medio ambiente.

Las sustancias diariamente ingeridas como alimentos sufren una serie de transformaciones en el organismo (metabolismo), degradndose y entregando su energa en forma de calor y trabajo mecnico.Los organismos vivientes se hallan en estado de combustin continua, de la que surge la energa necesaria para producir el trabajo exterior (trabajo mecnico) y para mantener constante la temperatura corporal (emerga calorfica).

Luego, se producen dos acciones fundamentales: consumo de energa y liberacin de energa, y del balance de ambos resulta la constancia de la temperatura (balance energtico).La temperatura corporal se mantiene pues, en base a un equilibrio entre la cantidad de energa liberada por las transformaciones metablicas y la cantidad de energa liberada al exterior por los mecanismos de la termorregulacin, o sea, todos los medios fsicos o biolgicos destinados a perder calor.De este delicado equilibrio entre produccin y prdida de calor surge la constancia de la temperatura corporal, que en el hombre es de 37 C. Una alteracin en uno de ellos producir un cambio de la temperatura, mas frecuentemente la alteracin se halla en la prdida de calor y su consecuencia mas frecuente es el aumento de la temperatura corporal (hipertermia).

2.2 PODER CALORICO DE LOS ALIMENTOS

Se denomina poder calrico a la cantidad de calor que libera la unidad de masa de una sustancia cuando se oxida hasta su total conversin en CO2 y agua (en los hidratos de carbono y grasas) y CO2 y agua y productos nitrogenados (en las protenas).

Se ha determinado que el poder calrico de los alimentos corresponde a los siguientes valores:

Hidratos de carbono4,1 kcal / gGrasas.9,3 kcal / g

Proteinas.4,1 kcal / g,

a nivel del organismo (las mediciones invitro presentan algunas diferencias con los valores dados).

2.3 VALOR CALORICO DEL OXIGENO

Es la cantidad de calor que libera 1 litro de O2 cuando se consume en presencia de hidratos de carbono, grasas o protenas. Su valor es igual a 5 kcal / litro de oxigeno a presin y temperatura normales para hidratos de carbono; 4,7 para las grasas y 4,5 para las protenas.

2.4 COCIENTE RESPIRATORIO

El llamado cociente respiratorio (CR) es la relacin que existe entre la cantidad de CO2 liberado en una combustin y la cantidad de oxigeno consumido:

CR = CO2 liberado (moles)

O2 consumido (moles),El CR para los hid. de carbono es igual a 10,7 para las grasas y 0,8 para protenas.

2.5 OTRAS CUESTIONES

Existen numerosas cuestiones inherentes al metabolismo (leyes de la termoqumica, enzimas, uniones energticas y poco energticas, glndulas endocrinas vinculadas al metabolismo, etc.) que por corresponder a la fisiologa o bioqumica no sern tratadas en el presente apunte, por lo que remitimos al lector a los tratados respectivos.

3.0 MECANISMOS DE REGULACION DE LA TEMPERATURA CORPORALDebido a que la produccin de calor en el organismo es constante dentro de ciertos y muy estrechos limites, la regulacin de la temperatura corporal se efecta en base, fundamentalmente, a mecanismos de eliminacin de calor.

A continuacin se los estudiara.

3.1 - CLASIFICACION

El organismo pierde calor por dos mecanismos fundamentales: a) Fsicos; b) Biolgicos.

En el primero se incluyen los medios correspondientes a cualquier cuerpo, animado o no, que se halla a mayor temperatura que el medio circundante y que, lgicamente, cesan de actuar cuando la temperatura ambiente sobrepasa 37 C, de acuerdo a la ley del equilibrio trmico tratado en el punto 1.4.

Los mecanismos biolgicos son privativos de los seres vivos de sangre caliente, y son desencadenados, en su mayora o por lo menos los ms importantes, por una serie de reflejos cuyo fin es acelerar o disminuir la perdida de calor. Adems existen otros mecanismos llamados pasivos que tambin eliminan calor, pero su importancia es secundaria respecto de los activos o reflejos. A continuacin se detallan:

a) FsicosConduccin y conveccin:

Debido a que la conduccin y conveccin son difciles de evaluar separadamente, se las determina en forma conjunta.

La conduccin depende de la naturaleza de los materiales en contacto con el cuerpo, as sean estos gaseosos (aire), o vestidos, compuestos de diversas sustancias, y tambin de la superficie del cuerpo, la que depende a su vez de la estatura y peso.La conveccin que se hace en torno del cuerpo por el calentamiento de las masas gaseosas que la rodean, es difcil de evaluar, ya que se precisa conocer la masa de aire que no se halla en contacto con la piel y su correspondiente volumen.

El volumen puede hacerse por calorimetra directa. Al total del calor perdido se le resta las perdidas por radiacin y evaporacin y se obtiene la cantidad de calor perdido por conduccin y conveccin.

La renovacin continua del aire que rodea al cuerpo acelera las perdidas trmicas. Por ello, un ventilador que moviliza continuamente aire hace descender la temperatura de la piel, de acuerdo a la velocidad de recambio de las masas gaseosas. De ah la importancia del uso de vestidos de telas livianas en verano que permitan el libre acceso de masas de aire fresco.

Debido a que el calor especifico del aire es bajo, la conveccin no es muy importante, pero cuando se sumerge el cuerpo en agua, cuyo c = 1, la perdida trmica por conveccin es importante.Radiacin:

Habamos visto que todos los cuerpos calientes emiten radiacin electromagntica, y ser infrarroja la longitud de onda predominante cuando el cuerpo tenga cierta temperatura. O sea que existe una relacin entre la cantidad de radiacin electromagntica emitida (energa emitida) y la temperatura del cuerpo.

El cuerpo humano emite radiaciones cuya longitud de onda esta comprendida entre 5 y 20 micrones. Si se calcula de acuerdo a la ley de Wien de la radiacin, puede hallarse que la longitud de onda mxima emitida (mximo de la curva de radiacin) esta en 10 micrones, para un cuerpo de unos 300 K.El organismo humano es un radiador que presenta propiedades similares a la de un cuerpo negro que se halla a la mencionada temperatura (cuerpo negro es esencialmente un radiador o absorbente perfecto, que es capaz de absorber todas las longitudes de onda).Ya que el cuerpo humano se comporta como un cuerpo negro en un 97%, puede aplicarse la llamada ley de Stefan Bltzmann:

= k dt4

(10)en donde (fi) es el flujo trmico; k es una constante llamada de Stefan Boltzmann y cuyo valor es 1,37 . 10-10 cal / seg . cm2; T la temperatura absoluta.Multiplicamos ambos miembros por el rea A, el flujo se transforma en una velocidad de transferencia trmica:

. A = k . A . dt4; . A = dQ / dtA (A);

dQ = k . A . dT4,

(11)dt

dT4 representa la diferencia de temperaturas entre la piel y el medio ambiente: T4P y T4a, respectivamente:

dQ = k. A . (T4P - T4a,)

(12)

dt

en esta ecuacin puede observarse que a un aumento de temperatura corresponde un rpido incremento de la omisin de energa: una duplicacin de T producir un aumento de la energa irradiada igual a 16 veces.Un cuerpo que se halla en un medio gaseoso a una temperatura superior a este, tal como el cuerpo humano en la atmsfera, se enfra debido a las perdidas por radiacin, siempre existentes, y a la conduccin y conveccin.

Si consideramos a A como el rea del cuerpo, TP y Ta a las temperaturas mencionadas en la ecuacin anterior (que no son muy diferentes), podemos aplicar la ley de enfriamiento de Newton:

Q = h . A (TP - Ta) t,

(13)

en donde t es el tiempo y Q cantidad de calor. La constante h se denomina coeficiente de conductividad externa y sus dimensiones son cal / cm2 . seg . C.

La diferencia TP - Ta generalmente, y en condiciones de confort (aproximadamente 24 C y 40 a 50% de humedad relativa, para una temperatura media de la piel de 32.6 C), no es mayor de 8,5 C.Luego, la temperatura de la piel es la determinante ms importante de la prdida de calor por radiacin y como la temperatura de esta, esta condicionada por el flujo sanguneo, la transferencia trmica puede ser un ndice de la circulacin sangunea a nivel de la piel.Si C es la transferencia trmica desde el interior a una temperatura Ti, a la piel a una temperatura TP, tenemos:

C = o (Ti TP)

(14)

donde o es una constante cuyas dimensiones son cal / K seg; y la transferencia trmica de la piel al exterior ser:

C = o (TP Ta);

(15)

si tenemos en cuenta que la cantidad de calor que llega a la piel desde el interior por medio de la sangre, es igual a la cantidad que se transfiere, tenemos:

o (Ti TP) = o (TP - Ta),

(16)

luego

o = TP Ta

(17)

o Ti TP

denominndose a la relacin o / o ndice de circulacin trmica, y corresponde a la velocidad con que la sangre circula en la piel y transporta el calor.

b) Biolgicos activosVasodilatacin y vasoconstriccin

Mediante la vasodilatacin y la vasoconstriccin se regula en forma refleja el flujo sanguneo hacia la piel, y, como habamos visto, se regula el flujo trmico.

El calibre de los vasos trmicos es dependiente de centros nerviosos termorreguladores ubicados en el hipotlamo y que son sensibles a la temperatura por medio de los receptores de frio y calor ubicados en la piel. Estos centros se denominan antielevacin y antidisminucin.

No esta probado (y es discutible) que estos centros sean influidos por la temperatura de la sangre que llega a ellos.

El control antielevacin produce una vasodilatacin y aumento de la excrecin sudoral.

El centro antidismucin produce una vasoconstriccin, contraccin muscular esqueltica (escalofros) y ereccin pilosa.

Estos ajustes circulatorios provocados por la accin refleja de estos centros son de tal naturaleza que, cuando la temperatura ambiente aumenta se restablece la relacin TP Ta por medio de una vasodilatacin que produce el calentamiento de la piel por aumento del flujo sanguneo, mantenindose as constante la perdida trmica por mantenimiento del gradiente de temperaturas entre la piel y el medio ambiente.Igualmente, una disminucin de la temperatura del medio ambiente provoca una vasoconstriccin que disminuye el flujo sanguneo a la piel y disminuyen las perdidas trmicas.

Es muy importante hacer notar que el control vasomotor solo es efectivo dentro de un limitado rango de temperatura ambiente, entre 19 y 31 C. Esta zona comprendida entre estas temperaturas se denomina ZONA DE CONTROL VASOMOTOR. Por debajo de 19 C y por encima de 31 C se ponen en juego otros mecanismos de regulacin trmica que se vern mas adelante.

Sudoracin:La sudoracin es un mecanismo sumamente importante para la regulacin de la temperatura, y su excrecin de acuerdo a la temperatura ambiente (o mejor, al gradiente de temperatura con el exterior) es provocada por reflejos.

La perdida trmica por sudoracin NO se produce por conduccin de liquido caliente desde el interior a la superficie de la piel (si as fuera, la perdida de calor seria insignificante), sino por la evaporacin del sudor.

Ya anteriormente se dijo que cuando se produce un cambio de estado en este caso de un lquido, el agua contenida en el sudor se necesita de una cierta cantidad de calor que provea energa para el cambio. Para transformar 1 g de agua liquida en 1 g de agua en estado de vapor (a 37 C) se necesitan 580cal. Ahora bien, cuando se evapora 1 g de agua en la piel, extrae 580 cal de la misma, producindose de este modo el enfriamiento y la eliminacin de calor en forma sumamente efectiva. De ah que no es aconsejable, a altas temperaturas, absorberse el sudor, porque de esta manera se evita la evaporacin.A temperaturas elevadas, los mecanismos de regulacin nerviosa provocan una activa secrecin sudoral, estando la cantidad de esta relacin con la temperatura ambiente.

De todos modos, y en forma continua, la piel se halla recubierta por una delgada capa de sudor denominada perspiracion insensible o sudoracin de base y cuya nica funcin no es la perdida trmica, sino tambin la eliminacin de electrolitos.

En la zona de control vasomotor (de 19 a 31 C), las perdidas por evaporacin asumen un 25% de la perdida total de calor.Otro elemento importante, independientes de los mecanismos de termorregulacin, es la humedad atmosfrica, ya que una humedad elevada endentece la evaporacin del sudor, y una atmsfera seca, con un bajo tenor de vapor de agua, acelera la evaporacin del sudor.

Para una humedad relativa del 30% las perdidas por evaporacin son de 4 kcal / m2 . h.Obviamente, este valor disminuye a mayor humedad relativa.

c) Biolgicos pasivos

La eliminacin de las excretas, materias fecales y orina, tambin elimina una cierta cantidad de calor, que es pero importante y sin ninguna significacin en la termorregulacin. Tambin se puede incluir la ingesta de lquidos fros entre estos medios pasivos.

Pero la respiracin si desempea un papel de cierta importancia.

El aire inspirado esta generalmente a menor temperatura que el interior del organismo y, en su pasaje a travs de las vas areas, se calienta hasta la temperatura del rbol respiratorio. La humedad contenida en el aire rara vez es del 100%, casi siempre es menor, y en los alvolos pulmonares se produce la evaporacin del liquido que tapiza, en forma de delgada pelcula, el interior del epitelio respiratorio, eliminndose el aire espirado saturado de humedad a la temperatura de 36,5 C.Todos estos factores producen una perdida trmica.

A bajas temperaturas y humedad elevada (2,8 C, 75% de humedad y 682 mmHg), la perdida trmica es de unas 24 cal por m3 de aire respirado, de la cual, la mayo parte se ha utilizado para vaporizar el agua y el resto para calentar el aire inspirado.

En estas condiciones, (bajas temperaturas) la perdida de calor respiratoria es importante.

3.2 IMPORTANCIA DE LOS DIVERSOS MECANISMOS A DISTINTAS TEMPERATURAS

Podemos inferir, de lo visto hasta ahora, que la piel obra como un efectivo radiador dentro de ciertos rangos de temperaturas, que en realidad es pequeo, y que el control de la temperatura esta restringido a ese rango relacionado con las temperaturas externas, que no es mucho mayor a 30 C (de 10 C a 40 C).

Todos los mecanismos, tanto fsicos como biolgicos, colaboran en la termorregulacin, pero algunos son mas importantes que otros, o adquieren mayor importancia, de acuerdo a la temperatura ambiente.En la figura 3 se han anotado con MAYUSCULAS los mecanismos que predominan en ese rango de temperaturas. Con minsculas se han incluido los otros mecanismos que tambin estn presentes.

4.0 EXPOSICION A TEMPERATURAS EXTREMAS

En el planeta existen sitios de elevadas temperaturas (hasta aproximadamente 58 C) y otros de bajas temperaturas (hasta aproximadamente 45 C). Adems y fuera de las temperaturas extremas naturales, el hombre puedo exponerse a situaciones artificiales de temperaturas extremas (hornos, cmaras frigorficas, vuelo a grandes alturas).

La proteccin contra el fri es una funcin de la vestimenta, y usando ropas adecuadas no pueden tolerar muy bajas temperaturas. El espesor del tejido a usar es tambin funcin de la temperatura exterior, y podemos calcularlo en base a la ecuacin fundamental de la propagacin del calor por conduccin, ya vista anteriormente:

dQ = k . A dT;

(18)dt dxel espesor x es el dato que nos interesa conocer:

x = dT . dt . k . A;

(19)

dQ

los valores de la constante k estn tabulados para algunos tejidos empleados como aislantes trmicos (lana, fibra de vidrio, sintticos).

El limite de supervivencia al fro esta aproximadamente en 50 C, y en las vocindados de esta temperatura, el 95% de las perdidas trmicas se hace por el mecanismo biolgico pasivo de la respiracin.

El diseo de trajes calentados elctricamente permite tolerar con comodidad temperaturas muy bajas.

La exposicin a elevadas temperaturas es un problema mas difcil de resolver, ya que no solamente es una cuestin de termorregulacin, sino tambin hosmeotasis, pues el elevado volumen de agua del sudor secretado arrastra considerable cantidad de electrolitos, que puede causar un desequilibrio importante en el medio interno (insolacion y golpe de calor).

Siendo tan importantes las perdidas vaporativas a estas temperaturas, la humedad atmosfrica adquiere una gran importancia, pues determinara la velocidad de vaporizacin del sudor; y a humedades elevadas no se podr mantener la temperatura y el cuerpo puede adquirir calor, subiendo de temperatura, lo que lleva a lesiones irreversibles.5.0 METABOLISMO BASAL

Los cambios qumicos que se desarrollan en los organismos vivos suelen designarse por metabolismo, y en su inmensa mayora obedecen directa o indirectamente a la necesidad de energa por parte de las clulas. En proporcin mas pequea provienen de la formacin de nuevos tejidos en el organismo en desarrollo; de la sntesis de sustancias especiales, como hormonas, anticuerpo, enzimas digestivas, urea; destoxicacion de medicamentos y otras sustancias extraas y reposicin de perdida ocasionadas por desgaste del organismo (por ejemplo, epitelios superficiales o glbulos rojos o blancos de la sangre).Como todas las manifestaciones de la vida van acompaadas de actividades metablicas, el estudio del metabolismo constituye un aspecto fundamental de todas las ramas de la biologa.

La necesidad de energa surge del hecho de que la materia viva es un sistema termodinmicamente inestable, que no puede ser mantenido sin aportarlo de continuo energa.

Adems, la materia viva se halla realizando siempre diversas clases de trabajo, en forma de movimiento, de sntesis qumicas, o de transporte de sustancias frente a diferencia de concentracin. Actividades de este genero no son factibles sino a condicin de aportar energa. Los organismos homeotermos necesitan asimismo energa para mantener la temperatura del cuerpo.La energa se obtiene mediante la degradacin o descomposicin de sustancias nutritivas, la cual en los animales superiores es en esencia una oxidacin de materiales orgnicos, y constituye la suma de muchos centenares de reacciones qumicas distintas conocidas ya en crecido numero con bastante detalle.Puede tambin obtenerse energa sin concurso del aire, o sea en medio anaerobio, mediante ciertas reacciones especiales de la degradacin de la glucosa y otras hexosas, denominadas generalmente fermentaciones o gluclisis. La nica forma de fermentacin desarrollada en los tejidos animales es la del cido lctico, en la que una molcula de glucosa se desdobla en dos de cido lctico.

Las velocidades de respiracin y de fermentacin aumentan con la temperatura, como la mayora de las restantes reacciones qumicas. A una temperatura de crtica (en los animales homeotermos alrededor de 40C), cualquier elevacin trmica reduce el metabolismo.El metabolismo basal es la cantidad mnima de calor producida en un sujeto en ayunas y en reposo fsico y mental, a temperatura normal (20C). representa la energa consumida para mantener las funciones vegetativas, tales como la respiracin, circulacin, temperatura, etc.Esta cantidad de dolor depende, en primer lugar, de la superficie del cuerpo, tambin de la edad y el sexo. Los valores que discrepen en +- 10% del terico se consideran normales, o incluso algunos mas desviados.

5.1 DETERMINACION DEL METABOLISMO BASAL

El metabolismo basal normal oscila alrededor de 40 Kcal por metro cuadrado y hora.

Un sujeto adulto produce alrededor de 70 Kcal por hora.

La determinacin valorimtrica del metabolismo basal exige aparatos complicados. Por ello en la prctica suele calcularse midiendo el consumo de oxgeno, el desprendimiento de anhdrido carbnico, y en algunos casos si interesan valores ms exactos, la cantidad de urea eliminada con la orina.

La relacin entre el anhdrido carbnico eliminado y el consumo de oxgeno, da el cociente respiratorio CR (Ver pgina 8). Este cociente da una idea bastante exacta del metabolismo.(los detalles prcticos son dados en fisiologa, por lo que remitimos al lector a la gua respectiva).6.0 APLICACIONES TERAPEUTICAS DEL CALOR. DIATERMIA

En medicina es vastamente usado el calor como medio teraputico, indicado especialmente en algunas afecciones de naturaleza inflamatoria.

Estas afecciones pueden ser de evolucin aguda o crnica, de localizacin articular, muscular, bisceral, sea o drmica.Las fuentes de calor son muy variadas, desde las mas sencillas hasta algunas complejas, en su naturaleza esta condicionada a la forma de aplicacin, y localizacin del proceso.Una forma sencilla es la llamada Helioterapia o exposicin regulada al sol de lesiones superficiales, especialmente de la piel. Tambin pueden utilizarse otras fuentes, tales como cuerpos calientes, ultrasonidos (ver el capitulo correspondiente del tema audicin), corrientes elctricas de caractersticas especiales, etc.

La diatermia es la aplicacin de corrientes elctricas de alta frecuencia, del orden de 1.000 a 5.000 kilociclos. La parte del cuerpo que se va a tratar se somete a un campo electromagntico alternante de la frecuencia mencionada, y el trabajo realizado por los electrones cuando se desplazan en una direccin y otra genera calor.Cualquiera sea la forma de aplicacin del calor, la accin benfica de este se debe a una serie de elementos que se considerarn: a) basodilatacin, que es el efecto ms importante; b) aumento de la oxigenacin de los tejidos por el aumento del flujo sanguneo; c) aumento en el flujo linftico; d) facilitacin de las defensas orgnicas contra la infeccin; e) estimulacin local del mecanismo de defensa contra la agresin bacteriana o de otra naturaleza; f) atenuacin del dolor (efecto analgsico); g) eliminacin de los metabolitos irritantes generados en el sitio de la inflamacin (potasio, histamina).La fagocitosis es estimulada por la aplicacin de calor, y este fenmeno y los otros que se han enumerado son tambin producidos por el aumento de temperatura, que el mismo organismo produce en el sitio de la afeccin.

Finalmente, tambin el aumento de temperatura puede condicionar una mayor permeabilidad de las membranas biolgicas para el influjo de sustancias que aceleren el proceso de reparacin de los tejidos agredidos.

FISICOS: Conduccin

Conveccin

Radiacin

BIOLOGICOS: Activos:

Vasodilatacin

Vasoconstriccin

Sudoracin

Pasivos:

Respiracin

Xxxxxx

Defecacin

Otros

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