Dino Salinas A. TEMPERATURA Y CALOR (SEGUNDA PARTE) Transmisión del calor Conducción Convección Radiación Evaporación Regulación de la temperatura del cuerpo. Metabolismo basal Transmisión de calor: El calor nunca fluirá desde un objeto de temperatura más baja a un objeto de temperatura más alta sin que se emplee algún agente exterior. Lo contrario violaría la segunda ley de la termodinámica, que se discute más en detalle en el Taller de Integración de Cs. Básicas. Mecanismos de transmisión de calor: -Conducción. -Convección. -Radiación. 1
Conducción: Transmisión de energía a través de un medio material por sucesivos choques de las moléculas próximas. Conducción: Transmisión de energía a través de un medio material por sucesivos choques de las moléculas próximas. La velocidad de flujo R = Q/t está dada por: R A T R = K L A = área de la sección transversal del bloque. L = longitud del bloque. K = conductividad térmica. T 2 A L T 1 T T 2 T 1 Valores de conductividad térmica alta determinan buenos conductores de calor. Los malos conductores se consideran aislantes (madera o aire, por ejemplo) 2
Ejemplo: Cuál es la velocidad de flujo a través de un vidrio de ventana de 0,5 cm de espesor cuando la superficie exterior está a -5 ºC y la interior a 4 ºC? Las dimensiones de la ventana son 0,7 por 1,5 m? La conductividad térmica del vidrio es: 0,80 W/(m ºC). Respuesta: 1,5 kw Convección: Transferencia 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. Ejemplo: la circulación de aire desde masas de aire caliente bajas a masas de aire frío más altas 3
Radiación: La radiación es energía electromagnética que se propaga a través del espacio vacío a 300.000 km/s. Ejemplos de radiación: luz, luz UV, radiación infrarroja (todas difieren entre sí por sus longitudes de onda). Todos los objetos emiten radiación: -Los objetos a temperatura ambiente emiten principalmente radiación infrarroja. -Los objetos a altas temperaturas emiten radiación visible, además de radiación infrarroja. La velocidad a la que un objeto de área A y temperatura absoluta T e emite energía radiante es: 4 Re = εσat e (emisión) σ = 5,67x10 ε : 8 W 2 m K 4 Constante universal de Stefan-Boltzmann. Parámetro adimensional denominado emisividad (entre cero y uno). R e o T = Te 4
El mismo objeto colocado en un recinto con paredes a la temperatura absoluta T a absorberá radiación de las paredes a la velocidad: R 4 a = εσat (absorción) a o T = Ta R a Si el objeto está más caliente que las paredes del recinto habrá un flujo neto de energía desde el objeto a las paredes a la velocidad: R = R R = εσa T e a 4 4 ( T ) e a o T = Ta R e o T = Te R a 5
Un objeto con emisividad máxima de 1 recibe el nombre de cuerpo negro, porque absorbe toda la radiación que incide sobre él. Un objeto con emisividad 0 es un reflector perfecto que no absorbe ninguna radiación incidente. La emisividad de una superficie puede variar con la longitud de onda de una radiación: La piel negra, como la blanca, absorben de manera casi perfecta (cuerpo negro) en el infrarrojo, con una emisividad de 0,97. Todo esto a pesar de que hay diferencias notables con respecto a la absorción de la luz visible. Evaporación: Es la transformación de la fase líquida a la fase gaseosa. Sólo se evaporan las moléculas más energéticas, o sea, aquéllas con energía cinética suficiente para vencer las fuerzas de cohesión del líquido. 6
Por qué cuando algo se evapora el líquido se enfría? La pérdida de estas moléculas de alta energía hace bajar la energía cinética media de las moléculas que permanecen en el líquido, descendiendo, por lo tanto, la temperatura del líquido. 7
La cantidad de energía necesaria para evaporar un mol de líquido se denomina calor molar de vaporización. El calor molar de vaporización del agua a 37 ºC es 4,34 kj/mol (un mol de agua es equivalente a 18 g). Ejemplo: En ausencia de transpiración perceptible, existe una evaporación insensible de agua por la piel y los pulmones del cuerpo humano que asciende a 600 g por día. Cuál es la velocidad de pérdida de calor debida a la evaporación insensible? 8
Ejemplo: En ausencia de transpiración perceptible, existe una evaporación insensible de agua por la piel y los pulmones del cuerpo humano que asciende a 600 g por día. Cuál es la velocidad de pérdida de calor debida a la evaporación insensible? Respuesta: Q = 600 g x 241 J/g = 145 kj Cuál es la velocidad de pérdida de calor? Ejemplo: En ausencia de transpiración perceptible, existe una evaporación insensible de agua por la piel y los pulmones del cuerpo humano que asciende a 600 g por día. Cuál es la velocidad de pérdida de calor debida a la evaporación insensible? Respuesta: Q = 600 g x 241 J/g = 145 kj Cuál es la velocidad de pérdida de calor? Respuesta: R = Q/t = Q/ (24 x 60 x 60 s) = 1,7 W Nótese que se trata de la evaporación insensible y no de la evaporación perceptible, presente en condiciones más extremas. 9
La temperatura del cuerpo es captada y controlada por neuronas especializadas en el hipotálamo que responde a la temperatura dela sangre circulante: Cuando la temperatura está por encima de 37 ºC, se activan los mecanismos de pérdida de calor (vasodilatación y sudoración). Cuando la temperatura está por debajo de 37 ºC se activan mecanismos de conservación y generación de calor (vasoconstricción y temblor). Ejemplo: La velocidad metabólica de una mujer de 50 kg aumenta a 350 W mientras avanza despacio. Si su cuerpo pierde calor a una velocidad de sólo 330 W, cuánto aumentaría su temperatura interna en una hora? El calor específico del cuerpo es 3500 J/(kg ºC). Respuesta: 0,41 ºC 10
Leer capítulos 15 y 16 del libro de Hewitt y capítulo 11 del libro de Cromer. Con los antecedentes obtenidos en esta clase, y consultando el capítulo de Calor del libro de Cromer, determine qué elementos y principios biofísicos determinan la regulación de la temperatura del cuerpo humano. 11