Termodinámica en la Medicina Control de Temperatura en el Cuerpo Práctico Dr. Willy H. Gerber Instituto de Ciencias Físicas y Matemáticas Facultad de Ciencias Universidad Austral de Chile Valdivia, Chile 1
Esquema básico Energía (Alimento) Transporte Generación de Calor Medio Radiación 2
Caso de una capa 3
Datos 4
Ayuno Como se comporta nuestro cuerpo cuando ayunamos? Para cuanto nos duran nuestras reservas? Comportamiento al ayunar 5
Ayuno Con los datos presentados la persona que no hace ejercicios y no ayuna ingiere un total de 2659 kcal/día Pierde por heces y orina un total de 241 kcal/día. Consume además 2270 kcal/día en la producción de calor lo que deja un resto de 148 kcal/día. Este resto explicaría en parte las 176 kcal/día que estaría almacenando como grasa. Si se compara con la persona en ayuno la energía empleada para generación de calor es de 2187 kcal/día Existe una perdida adiciona de 105 kcal/día Prácticamente toda la energía proviene de la grasa (1802 kcal/día) y de las proteínas (463 kcal/día). En porcentaje la grasa representa casi el 80% y la proteína solo el 20%. Una persona de 65 kg con 12% de grasa tiene como energía almacenada en la grasa del orden de 73'320 kcal. Con un consumo del orden de 1802 kcal/día eso alcanza para unos 40 días. 6
Uso de Energía por los Músculos Como aprovechamos la energía de los músculos? 7
Uso de Energía por los Músculos Los moles de ATP+PC se pueden consumir consumir a una velocidad de hasta 3.6 moles/minuto a (máxima capacidad) y como cada mol corresponde a 10 kcal/mol se tiene una potencia máxima de Como nuestra capacidad total de ATP+PC es de 0.7 moles, dicha capacidad máxima solo se puede mantener por Como nuestra capacidad total de ATP+PC es de 1.2 moles, dicha capacidad máxima solo se puede mantener por Nuestra tercera fuente de energía la metabolización de carbohidratos que logra solo unos 1 ATP/minuto o sea una potencia máxima de Nuestra segunda fuente de energía la glicolisis anaeróbica que logra solo unos 2 ATP/minuto o sea una potencia máxima de Como nuestra capacidad es de 90 moles, dicha capacidad máxima se puede mantener durante 8
Como se consume Energía según deporte Como se consume la energía según deporte y cuales limitantes existen en la capacidad de juego? 9
Como se consume Energía según deporte Los deportes se pueden separar en básicamente en de corto, medio y de largo aliento. Los primeros usan las fuentes de APT+PC durante corto tiempo y los últimos se basan en la metabolización de los carbohidratos. La dos primeras formas son por lo general deportes que sirve para presentación popular ya que por cortos tiempos ocurren despliegues importantes de actividad. En los casos de corto aliento el esfuerzo se asocia a ataques contra un contrincante. Ejemplo son baseball (80% ATP), futbol (90% ATP), voleyball (80%) o lucha (90% ATP). En los casos de medio aliento existen faces de disputas mas prolongadas, como Baloncesto (60% ATP, 20% CH), hockey sobre cesped (50% ATP, 30% CH) o hockey sobre hielo (60% ATP, 20% CH). En los deportes de largo aliento la fuente principal son los carbohidratos. En esta categoría tenemos por ejemplo el caminar (95% CH), baile aeróbico (80% CH) y remar (50% CH). La limitación principal de deportes intensivos en el uso de ATP es que su reposición demora entre 2 a 5 minutos. Por ello un jugador que ataca debe luego tener el tiempo para poder reponerse antes de realizar un nuevo ataque. Por ello en un juego que demora por ejemplo 90 minutos un mismo jugador podrá en el mejor de los casos participar en unos 30 ataques. 10
Como se consume Energía sin deporte Cuanto y en que consume el cuerpo energía que no es parte del trabajo o deporte cotidiano? 11
Como se consume Energía sin deporte Si uno no esta realizando movimientos son el hígado, bazo, cerebro, músculos esqueléticos, riñones y corazón consumen mas del 80% de la energía del cuerpo. Para poder calcular cuales son las participaciones de cada órgano basta con conocer el peso y el MET para cada órgano Con ello se puede establecer la siguiente tabla: Masa Consumo Consumo Parte del Cuerpo g kcal/min kg kcal/dia Hígado y bazo 1550 0.213 475.20 Cerebro 1400 0.164 331.20 Músculos esqueleto 28000 0.008 316.80 Riñón 300 0.433 187.20 Corazón 320 0.250 115.20 Resto 33430 0.007 331.20 Total 1756.80 12
Conducción y Transferencia de Energía Como nos aisla la piel de nuestro entorno? Que efecto tiene el grosor de la piel y el hecho que la sangre se desplaza? 13
Conducción y Transferencia de Energía Si consideramos la piel como una capa de conducción lambda en contacto por un lado con el aire y por el otro con el torrente sanguíneo podemos modelar el sistema con las ecuaciones que se indican en la introducción. Si se supone piel normal con una conductividad de 0.96 W/mC, un coeficiente de transferencia externo de 5.5 W/m2C y, con sangre a una velocidad de 1 m/s, un coeficiente de transferencia al vaso de 8.3 W/m2C se tiene que para una profundidad de 2 mm de los vasos el k sera de 3.29 W/m2C. Si la sangre no fluyera se puede asumir que los dos coeficientes de transferencia serian de 5.5 W/m2C y el k decrece a 2.73 W/m2C. Si por otro lado subiera a 5 m/s el coeficiente de transferencia sube a 18.6 W/m2C y el k aumenta a 4.2 W/m2C. El grosor de la piel es menos relevante ya que su asumimos un grosor de 5 mm en vez de 2 mm el k baja de 3.29 W/m2C a 3.25 W/m2C. Para el caso inicial se puede calcular el flujo de energia y las temperaturas en los bordes. Con una temperatura interna de 36.5C y externa de 20C se concluye que el flujo de energía seria de 53.66 W/m2. A ese flujo una persona de 65 kg (aprox. 65 litros) y 1 m2 de superficie perdería la diferencia de temperatura en solo 19s. Por ultimo se pueden calcular las temperaturas en los bordes de la piel dando la externa 29.8C y la interna 30.0C mostrando que la mayor variación ocurre en el exterior del cuerpo y al interior del vaso y no en la piel misma. 14
Como respiramos Como funciona nuestra respiracion? Frecuencia de respiracion 15/min O2 consumo 0.26 L/min CO2 produccion 0.21 L/min Capacidad total del pulmon 6.0 L Capacidad en uso del pulmon 4.8 L Volumen residual 0.5 L Volumen no accesible 0.15 L Area de transferencia 90m2 15
Como respiramos El volumen que cada vez expiramos es hasta de 4.8 litros de un volumen total de 6 litros. Sin embargo no todo el volumen puede ser aprovechado por lo que se calcula con un volumen residual de 0.5 litros. Si suponemos que la presion atmosferica es 1 atm y al expirar reducimos en forma isotermica (o sea a temperatura constante) el volumen de 5.5 litros a 0.5 litros la presion en el pulmon subiria según Boyle a En realidad el pulmon nunca llega a estar expuesto a este nivel de presion porque antes el flujo de aire va reduciendo la presion hasta que la presion alcanza la presion externa. En el proceso de exhalar la situacion es a la inversa. El volumen inicial es de 0.5 litros y se amplia hasta llegar a los 5.5 litros siendo la presion de 1 atm. Por ello, en caso extremo la presion decenderia hasta obligando al aire a entrar en los pulmones. La observacion de que el proceso se realiza a temperatura constante significa que el cuerpo debe entregar o absorber calor en funcion de mantener la temperatura constante. De no ocurrir esto el gas tendera a calentarse al comprimirse y enfriarse al expandirse. 16