Termodinamica

Termodinámica de refrigeración en vivo de un cuerpo humano.

Fernando Manjarres Ruiz
Facultad de Ingeniería, Calor y Ondas, Santa Marta, Colombia
21 de Septiembre del 2015

Estudiantes de un curso de termodinámica a nivel de secundaria presentaron un problema práctico en el que un cuerpo humano debe
mantener su temperatura normal de 37 Grados centígrados mientras que la superficie está a 15Grados centígrados.
INTRODUCCION
El médico que dirige una unidad de quemados del hospital local, solicitó mi ayuda en sus esfuerzos por encontrar un tratamiento
exitoso para los pacientes gravemente quemados.El tratamiento considerado implica el enfriamiento de la superficie del cuerpo a una
temperatura de 15 Grados centígrados para un periodo de 12-20h. El problema es que la temperatura interna delcuerpo es de 37° C
y debe ser estable.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El problema como se dijo al inicio, se complementa con los datos: La sangre que circula a través del corazón adulto en 5 L / min, el aire
que se inhala a una velocidad de 6 L / min; la sangre que se deteriora a temperaturas superiores a 45 Grados centígrados; y la tasa
metabólica de la generación de calor no es función de temperaturade la superficie del cuerpo.Se pidió a los estudiantes:
1) Discutir cómo el cuerpo normalmente pierde calor y sugerir medios para enfriar su superficie a 15 grados centígrados.
2) Encontrar la entrada de calor necesario para mantener una temperatura interior de 37 grados centígrados.
3) Considerar proporcionar el calor necesario al advertir la sangre del cuerpo y el aire inhalado.
4) Sugerir otrassoluciones posibles al problema de calefacción.

Cálculos y Discusión.

A. Pérdida normal de calor del Cuerpo.
Los cálculos que utilizamos deben estar confiados en la ley de la conservación de la energía. Para el interior de un cuerpo
vivo y para mantener una temperatura constante, el calor ganado por el cuerpo de metabolismo y diversas fuentes
externas, debe ser equilibrado por la disipación decalor a los alrededores. Este equilibrio puede expresarse mediante la
ecuación de velocidad general .
B. Refrigeración de la Superficie de los Cuerpos.
Para calcular los parámetros requeridos para enfriar la piel por medio de convección, podemos utilizar la expresión de
Newton, donde HA es el coeficiente de transferencia de calor para el aire, Ts y Ta son las temperaturas de la piel y del aire,respectivamente, y Qa / A es la tasa de pérdida de calor por convección por unidad de área de superficie.

Si no hay suficiente calor se puede eliminar mediante forzado la convección del aire frío, entonces debemos considerar
inmersión del cuerpo en un baño de agua fría. En este caso, la pérdida de calor de la superficie del cuerpo para el medio
circundante es

El parámetro experimental requeridoes la tasa de metabolismo basal de un adulto en reposo. Esta se encontró que era
aproximadamente 50 Kcal / m ^ 2h para alguien sentado en posición vertical. Se tiene en cuenta que una persona que
duerme gasta sólo el 35 Kcal / m ^ 2 horas y uno despierto gasta 40 Kcal / m ^ 2 h.
Definiendo Qn y Qc como el calor normal y frio superficial que fluye a través de capas de aislamiento del cuerpo cuandoTs es de 34 ° y 15 ° C, respectivamente, podemos escribir
y

Combinando estas dos ecuaciones, encontramos:

C. Calor requerido para mantener la temperatura interior a 37 °C.
El cálculo de esta cantidad es crucial para todo el análisis y depende en cierta medida de los parámetros que no se
conocen de forma fiable.Supongo que el cuerpo contiene un núcleo central (a 37 ° C), que genera calor a unatasa
fija.Este calor se disipa a través de una región de espesor x, y con una conductividad térmica K, a la superficie a una
temperatura Ts.Este calor se disipa a través de una región de espesor x, y con una conductividad térmica K, a la
superficie a una temperatura Ts.
D.Calentamiento del aire inhalado.
Aunque la baja capacidad de calor del aire nos provoca descartarlo como un medio para calentar...