10-Intercambio de Calor Entre El Cuerpo Humano y El Ambiente

INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE EL CUERPO HUMANO Y EL AMBIENTE. M. MONROY © 2002

Los valores empleados son aproximados, pero se ajustan bastante a la realidad. Las unidades en negrita son exactas. Las ecuaciones son válidas para temperaturas típicas del ambiente (20ºC +! "0ºC#.

TEMPERATURA La temperatura (t# indica el nivel de energía t$rmica de un cuerpo. La escala %abitual son los &ºC' (centígrados o Celsius#, con las temperaturas de reerencia de 0ºC ) "00ºC (congelaci*n ) ebullici*n del agua. tras escalas son º- (elvin o absoluta# / ºC + 21º º (a%ren%eit# / ºC x ".3 + 12º 4or ejemplo, la temperatura del n5cleo del cuerpo %umano es de unos 1ºC, e6uivalente a 1"0 º) a 1ºC x ".3 + 12º / 73.8 º (el se9or a%ren%eit tom* la temperatura del %ombre como "00 º#.

CANTIDAD DE CALOR O ENER!A La medida tradicional de "an#idad de energía (e# es la -ilocaloría o &-cal', cantidad de calor para aumentar "ºC la temperatura de " -g de agua. :l Cal$r E%&e"í'i"$ (Ce# es una propiedad de cada material, indicando la cantidad de energía necesaria para aumentar "ºC la temperatura de " -g del mismo. :l Ce del agua es, por deinici*n, de ".00 &-cal-g ºC'. La variaci*n de :ntalpía (:# es la cantidad de calor acumulada en un material al variar su temperatura ∆:

/ Ce x ∆t &-cal-g'

4or ejemplo, la cantidad de calor necesaria para calentar un se9or de 0 -g 6ue %a surido %ipotermia, de 1;º a 1ºC, considerando 6ue el cuerpo %umano tiene un Ce/0.30 &-cal-g ºC', sería ∆:

/ 0.3 x (1!1;º# / ".8 &-cal-g' < e / ∆: x = / ".8 &-cal-g' x 0 &-g' / ""2 &-cal'

:n el >.?., la unidad de energía (trabajo# es el @ulio &@', siendo " -cal / A"3A @ulios / A."3A -@. La unidad de potencia es el Batio / " @seg , e6uivalente a 0.38 -cal%.

CONDUCCI(N T)RMICA :l n5cleo del cuerpo %umano (interior del tronco ) la cabea# se mantiene a una temperatura constante de Dn/1ºC. :n reposo, la piel suele tener una temperatura de Dp/1AºC. :l cuerpo %umano disipa calor desde el n5cleo %acia la piel por "$nd*""i+n, mediante la siguiente ecuaci*n

,- T

/ e - T / R , siendo R - e /

la Re%i%#en"ia Tr1i"a del elemento

?ntercambio de calor entre elcuerpo %umano ) el ambiente. E =onro) 2002 1

es la "$nd*"#ividad #r1i"a. :n el cuerpo %umano valeλ/0.80 &BmFºC' aproximadamente.

e es el e%&e%$r *e a#ravie%a el 'l*3$ de "al$r . >i consideramos un espesor de 1 cm / 0.01 m entre el n5cleo ) la piel, el'l*3$ de "al$r disipado será G / (1ºC H 1AºC# 0.80  0.01m / 80 &Bm2' ,. :ste valor se aproxima al nivel metab*lico de una persona en reposo 4 Me# - 56.45 7/1 2 Como el cuerpo de un adulto mide aproximadamente >/",0 m2, la &$#en"ia disipada sería 4 / G F > / 80 F ".0 / "02 B Iota Jecuerda 6ue " B/ 0.38 -cal%, luego la potencia disipada se puede expresar como 4 / "02 F 0.38 / 3. -cal%. Kurante 2A %oras se disiparían 2"0; -cal de energía caloríica.

TRAN8MI8I(N 8UPER9ICIAL Las supericies pueden intercambiar lujos de calor con su entorno por los mecanismos combinados de "$nve""i+n ) radia"i+n. :xiste el C$e'i"ien#e de Tran%1i%i+n 8*&er'i"ial : 6ue permite calcular aproximadamente la disipaci*n del calor de una supericie

,-

T  : - T / R% , siendo R% - 4/: la Re%i%#en"ia Tr1i"a 8*&er'i"ial

R% - 4/: vale 0."" &Bm2FºC' para supericies verticales en locales con el aire en reposo. 4ara 6ue una piel a una temperatura de Dp/ 1AºC disipe 80Bm2 se precisa un salto t$rmico de ∆D

/ G F Js / 80 F 0."" / 8.8 ºC, ) la temperatura del aire Da / 1AºC H 8.8ºC / 2.A ºC

:sta sería una temperatura deseable (c*moda# del aire para personas desnudas en reposo.

INTERCAMBIO POR RADIACI(N na supericie emite calor por radiaci*n seg5n la ormula de >tean!Moltmann G/ ;,8 "0!3 F

ε

F DA &º-' / &Bm2'

4or ejemplo, la piel %umana a Dp/ 1AºC / 1A + 21 / 10º-, con radiaci*n

ε

/ 0.70, emite calor por

G/ ;,8 "0!3 F 0.7 F 10 A &º-' / A;1 &Bm 2' >in embargo, si una persona está rodeada por supericies a una temperatura media Ds, existe un intercambio de radiaci*n 6ue cumple con la ecuaci*n G/ ;,8 "0!3 F εp F (DA p &º-' ! D A s &º-'# / &Bm2' >i la supericie del entorno estuviera a Ds/ 2AºC / 27 º-, el lujo neto de radiaci*n sería G/ ;,8 "0!3 F 0.7 F (10 A &º-' !10A &º-' #/ ;8 &Bm 2' Con temperaturas pr*ximas a la del ambiente (2;ºC +! ;ºC#, esta ecuaci*n se puede simpliicar a la siguiente orma aproximada

?ntercambio de calor entre elcuerpo %umano ) el ambiente. E =onro) 2002 2

Gr / ;.A F ∆D &Bm2F'

INTERCAMBIO POR CON;ECCI(N :l en*meno de convecci*n es mu) complejo ) depende de numerosas variables, como la dierencia de temperatura, la direcci*n del lujo (se incrementa %acia arriba# ) de la existencia de aire en movimiento. :n el caso de una supericie vertical con el aire en reposo, el lujo de calor por "$nve""i+n

na#*ral Gc es aproximadamente de Gc / 1. F ∆D &Bm2' :l coeiciente de Dransmisi*n >upericial : - 4/ R% / "  0."" / 7." Bm2 se puede expresar como la suma del lujo de radiaci*n ) convecci*n, si la temperatura del aire ) de las paredes son iguales G / % F ∆D / Gr + Gc / ;.A F ∆D + 1. F ∆D / 7." F ∆D bs$rvese 6ue la disipaci*n por radiaci*n es del orden del 80N, mientras 6ue por convecci*n es del A0N. Cuando existe aire en movimiento a una velocidad v &ms', aumenta el lujo de calor Gc por "$nve""i+n '$r