bilancio termico - Università di Pavia

1
elio giroletti
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIA
dip. Fisica nucleare e teorica
via Bassi 6, 27100 Pavia, Italy
tel. 038298.7905 - [email protected] - www.unipv.it/webgiro
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Bilancio Termico
TERMODINAMICA
bilancio termico
FISICA MEDICA e RADIOPROTEZIONE
elio giroletti, 2005
Classe Lauree
di INFERMIERISTICA e OSTETRICIA
corso integrato
FISICA, STATISTICA e INFORMATICA
disciplina: FISICA MEDICA e RADIOPROTEZIONE
Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nucleare e teorica
ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Infermieristica e Ostetricia - Bilancio
Termico
TERMODINAMICA
bilancio termico
FISICA MEDICA e RADIOPROTEZIONE
elio giroletti, 2005
-TRASMISSIONE DEL CALORE
- convezione
- conduzione
- irraggiamento
- evaporazione
- BILANCIO TERMICO
- DISPENDIO METABOLICO
lucidi di Domenico Scannicchio, rivisti da Elio Giroletti
2
TRASMISSIONE del CALORE
meccanismi di trasmissione del calore
convezione
PROPAGAZIONE MEDIANTE TRASPORTO DI MATERIA
conduzione
PROPAGAZIONE SENZA TRASPORTO DI MATERIA
irraggiamento termico
EMISSIONE DI ONDE ELETTROMAGNETICHE
(RADIAZIONE TERMICA)
evaporazione (sistemi biologici)
1
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Bilancio Termico
TRASMISSIONE del CALORE
CONDUZIONE
PROPAGAZIONE SENZA
TRASPORTO DI MATERIA
Q
= K S ∆T(cal s–1)
d
∆t
∆T = variazione di temperatura
S = superficie
∆t = intervallo di tempo
K = conducibilità
conducibilità termica
d = distanza (aree a ∆T)
MATERIALI DIVERSI K(kcal m–1 s–1 °C–1)
0,3 10–4
rame
9,2 10–2
legno
–4
ghiaccio 5,2 10
polistirolo 9,3 10–6
–4
acqua
1,4 10
5,5 10–6
aria
3
0,6
10–4
Pelle (secca)
CL-INF/OST
- TERMODINAMICA – Bilancio Termico
Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nucleare e teorica
ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Infermieristica e Ostetricia - Bilancio
Termico
corpo - CONDUZIONE
• trasferimento di calore da una zona a
maggiore verso una a minore temperatura,
per interazione tra molecole ed atomi
• richiede il contatto tra superfici
• di solito tra i solidi
• 2-3% calore ceduto dal corpo per
conduzione, in quanto sono poche le parti
in contatto con superficie solida
Fonte: Livrieri, et al., Elementi di fisica ambientale, Monduzzi, Bologna, 1992
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Bilancio Termico
3
TRASMISSIONE del CALORE
CON
CONVEZIONE PROPAGAZIONE
TRASPORTO DI MATERIA
Q
= Kconv
∆t
∆T = variazione di temperatura
∆t = intervallo di tempo
S ∆T (cal s–1)
S = superficie
Kconv = costante convettiva
sangue (animali)
linfa (vegetali)
fluidi nei sistemi biologici:
2
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Bilancio Termico
corpo - CONVEZIONE
• trasferimento di energia da interno corpo alla
cute e da questa all’ambiente e viceversa
• legato alla agitazione termica delle
molecole di aria, che sono
in movimento (moti convettivi)
• convezione naturale o forzata, es. ventil.
• 20% calore ceduto per convezione
• legato alla temperatura dell’aria
Fonte: Livrieri, et al., Elementi di fisica ambientale, Monduzzi, Bologna, 1992
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Bilancio Termico
Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nucleare e teorica
ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Infermieristica e Ostetricia - Bilancio
Termico
TRASMISSIONE del CALORE
4
IRRAGGIAMENTO TERMICO
(RADIAZIONE TERMICA)
emissione di onde elettromagnetiche
da parte di corpo a temperatura T
intensità I =
Q
∆t ∆S
cal s–1 m–2 oppure watt m–2
LEGGI DELL'EMISSIONE TERMICA (corpo nero)
legge di StefanStefan-Boltzmann I ( watt ⋅ m −2 ) = eσT ( oK ) 4
σ = cost. Stefan-Boltzmann=5,67.10-8 W/m2.°K4
legge di Wien λI (cm ) =
max
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Bilancio Termico
0,2897
T ( oK )
permette di misurare la temperatura,
temperatura, IR
legge di Stefan
legge di Wien
intensitàà spettrale emessa
intensit
(Wm–2 µm–1)
I = σ T4 (watt m–2)
0.2897 (cm)
λImax =
T
I
10000°K
109
6000°K
8
10
spettro visibile
(400-700 nm)
107
106
4000°K
105
1000°K
104
103
λmax(pelle, 32°
32°C)=0,01 mm
102
lontano infrarosso
10
1
λ
1 10 102103104 105106
lunghezza d'onda, nm
IRRAGGIAMENTO TERMICO
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Bilancio Termico
termografia
tumore al seno destro
termografia
tumore al seno sinistro
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Bilancio Termico
Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nucleare e teorica
ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Infermieristica e Ostetricia - Bilancio
Termico
corpo - IRRAGGIAMENTO
Irraggiamento solare =
costante solare =1350 W/m2
Un oggetto con emissività
emissività e
e di area A esposto al sole
assorbe calore con potenza
∆Q
W
= (1350 2 )eA cos θ
∆t
m
stagioni,
stagioni, calotte polari,
polari,
alba e tramonto
dipendono dal
fattore cosθ
cosθ
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Bilancio Termico
4
corpo - IRRAGGIAMENTO
• trasferimento di energia termica sotto
forma di onde elettromagnetiche
• avviene nell’aria e nel vuoto
• temperatura superficie pelle è 32 °C,
cui corrisponde una λ=0,01 mm,
lontano infrarosso, IR
• termodispersione incide per 45-50%
(dipende dai vestiti: lo riducono di 1/3)
Fonte: Livrieri, et al., Elementi di fisica ambientale, Monduzzi, Bologna, 1992
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Bilancio Termico
TRASMISSIONE del CALORE
EVAPORAZIONE (sistemi biologici)
calore di evaporazione H2O
H2O (t = 37°C) ≈ 580 cal g–1
(trasmissione di calore verso l'esterno)
esempio
evaporazione di 100 g H2O
58 kcal = 242.5 kJ
metabolismo basale, M.B ≈ 50 kcal ora–1 m–2
(minima
minima quantità
quantità di energia per garantire le funzioni vitali)
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Bilancio Termico
6
Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nucleare e teorica
ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Infermieristica e Ostetricia - Bilancio
Termico
corpo – EVAPORAZIONE
• trasporto calore da interno a esterno del corpo
• 1 g di H2O evaporata cede 0,58 kcal
• avviene nell’apparato cutaneo e
in quello respiratorio
• accompagnato da sensazione di freddo,
come ad es. dopo la doccia
• incide per 20-30% (ma inefficiente
quando umidità relativa è 100%)
• temperatura percepita…
Fonte: Livrieri, et al., Elementi di fisica ambientale, Monduzzi, Bologna, 1992
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Bilancio Termico
5
DISPERSIONE DEL CALORE
respirazione
convezione, C
2525-30%
evaporazione, E
2020-30%
irraggiamento, R
4545-50%
lavoro, W
conduzione,
2-5%
fattori metabolici ed ambientali (a 20 °C)
variano in funzione dell’
dell’ambiente
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Bilancio Termico
CALORE DISSIPATO
Fonte: Scanniccio et al., Fisica, ed. Unicopli, 1997
fattori metabolici ed ambientali (a 20 °C)
variano in funzione dell’
dell’ambiente, es. temperatura
perdita
di calorie
perdite totali
100
evaporazione
50
conduzione
irraggiamento
0
22
26
temperatura
ambiente, °C
30
34
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Bilancio Termico
Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nucleare e teorica
ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Infermieristica e Ostetricia - Bilancio
Termico
bilancio termico
uomo è omeotermo, sangue caldo,
mantiene costante la temperatura corporea
B = M ±C± R−E = 0
dove: B=bilancio termico, a temperatura costante=0, M=calore
metabolico (attività), C=calore proveniente da meccanismi di
conduzione e convenzione, R=calore proveniente da meccanismi
di irraggiamento, E=calore disperso
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Bilancio Termico
6
DISPENDIO METABOLICO
Watt/m2
dispendio
metabolico
Watt/m2
da 55 a 60
circa 70
circa80
da 90 a 95
da 100 a 105
circa 115
da 145 a 150
circa175
attività
lavorativa
associata
stare seduti tranquilli
stare in piedi rilassati, scrivere al
computer, disegnare
classificare, archiviare, scrivere a
macchina meccanica
attività di insegnamento
lavoro di laboratorio
fabbro, lavori modesti di carpenteria
spingere carrelli (57 kg a 4.5 km/h)
officina (riparazione macchine)
CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Bilancio Termico
TERMODINAMICA
bilancio termico
FISICA MEDICA e RADIOPROTEZIONE
elio giroletti, 2005
dispense su internet
www.unipv.it/webgiro
elio giroletti .
Università
Università degli Studi di Pavia
dip. Fisica nucleare e teorica
[email protected] - tel. 98.7905
Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nucleare e teorica
ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Infermieristica e Ostetricia - Bilancio
Termico
7