Sistemi Biologici

Fisica Tecnica
Termodinamica Applicata
ASPETTI TERMODINAMICI
DEI SISTEMI BIOLOGICI
• Sistemi biologici: soggetti a complessi processi di
trasformazione e scambio di energia;
• I sistemi biologici sono costituiti perlopiù da quattro elementi:
H, O, C, N;
CORPO UMANO
• Costituito da:
–
–
–
–
H
O
C
N
63%
25.5%
9.5%
1.4%
• Il rimanente 0.6% costituito da elementi essenziali per la vita
• 72% costituito da acqua;
• Metabolismo: attività chimica (cellule) che mantiene la
temperatura media del corpo umano a circa 37 °C,
indipendentemente dalla temperatura esterna:
– Ossidazione dei carboidrati, grassi e proteine che costituiscono
il cibo.
• Potenza metabolica basale: è la potenza metabolica in stato
di riposo, e corrisponde alla potenza richiesta per svolgere
funzioni necessarie (respirazione e circolazione del sangue)
ad un livello di attività esterna pari a zero;
• La potenza metabolica basale specifica è di 47 W/m2 (o
anche 1W/kg);
• Per un maschio adulto medio S ≈ 1.8 m2, per cui la potenza
metabolica basale è pari a circa 84 W;
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CORPO UMANO - continua
• La potenza metabolica aumenta con l’attività, anche di dieci
volte per attività faticose o esercizio fisico (sport) pesante;
• La potenza metabolica basale varia con il sesso, dimensioni
corporee, grado di salute, e diminuisce molto con l’età;
• Il calore in eccesso viene emesso dal corpo sotto forma di
calore sensibile (70% attività pesante; 40% attività leggera),
e di calore latente (traspirazione, respirazione);
• Cervello e fegato: responsabili per almeno il 50% della
potenza metabolica basale (corpo umano adulto), nonostante
costituiscano solo il 4% della massa corporea;
• Consumo O2: circa 0.25 l/min (0.42×10-5 m3/s);
• Cellule dei muscoli: convertono energia chimica in lavoro
meccanico, con η ≈ 20%.
CIBO ED ESERCIZIO FISICO
• Cibo:
– Carboidrati (idrogeno ed ossigeno in rapporto 2:1)
– Proteine
– Grassi
• Contenuti medi di energia per campioni secchi:
– Carboidrati
– Proteine
– Grassi
18.0 MJ/kg – 95.5% metabolizzabili
22.0 MJ/kg – 77.5% metabolizzabili
39.8 MJ/kg – 97.7% metabolizabili
• Da ciò segue che:
– 4.1 kcal/g – proteine
– 9.3 kcal/g – grassi
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CIBO ED ESERCIZIO FISICO – continua
• I cibi comuni hanno valori più bassi a causa del (grande)
contenuto d’acqua.
Valori medi:
– 4.2 MJ/kg
– 8.4 MJ/kg
– 33.1 MJ/kg
carboidrati
proteine
grassi
• NB: nella pratica nutrizionale: Cal (o addirittura cal) = 1 kcal
• Fabbisogno medio nutrizionale:
• Uomo:
2400 - 2700 Cal/giorno
(10000 – 11300 kJ/giorno)
• Donna:
1800 – 2200 Cal/giorno
(7500 – 9200 kJ/giorno)
• Grasso contenuto nel corpo umano: metabolizzabile con
circa 33.1 MJ/kg; quindi senza cibo (ma non senza acqua !)
una persona che consuma 2200 Cal/giorno (9200 kJ/giorno)
riduce il suo peso di circa 9200/(33.1×103) ≈ 0.28 kg/giorno.
ANALISI TERMODINAMICA DEL CORPO UMANO
• Complessità dovuta allo scambio di massa (nutrizione,
respirazione, traspirazione) oltre allo scambio di energia;
• Il corpo umano dovrebbe essere considerato un sistema
aperto ma, data la difficoltà di quantificare il contributo
energetico con la massa, è trattato come sistema chiuso,
considerando l’apporto di cibo come solo apporto
energetico.
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IL BENESSERE TERMOIGROMETRICO ED IL
CONDIZIONAMENTO DELL’ARIA
• Gli impianti di condizionamento sono progettati e realizzati
per soddisfare le esigenze del corpo umano:
– Necessità di comprendere gli aspetti termodinamici legati al
corpo umano.
• Il corpo umano è un motore termico, per il quale il calore in
eccesso è scaricato nell’ambiente;
• Una persona è in condizioni di benessere in ambienti nei
quali può dissipare facilmente il calore in eccesso;
• Lo scambio termico è proporzionale a:
– Differenza di temperatura;
– Velocità dell’aria.
• In ambienti freddi:
– Il corpo tenta di ridurre l’aumentata perdita di calore riducendo
la circolazione sanguigna superficiale → riduzione
temperatura (es. 34 °C) → sensazione di malessere →
ulteriore riduzione → ipotermia (dolori e/o danni irreversibili)
→ decesso.
• Riduzione perdite di calore:
– Introducendo opportune barriere (resistenze) termiche: abiti
(vedi Trasmissione del calore);
– Aumentando la produzione di energia, svolgendo attività fisica
(es. persona ferma a 10 °C ≈ moderata attività fisica a -23
°C).
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IL BENESSERE TERMOIGROMETRICO ED IL
CONDIZIONAMENTO DELL’ARIA – continua
• In ambienti caldi:
–
–
–
–
Sensazione di aumento della temperatura corporea;
Abiti (e cibi) leggeri;
Riduzione dell’attività fisica;
Traspirazione e sudorazione (quest’ultima inutile con ϕ ≈
100%);
– Sudorazione prolungata senza reintegro dei fluidi:
disidratazione, aumento temperatura e colpi di calore.
• Altri fattori che influenzano il benessere:
– Irraggiamento (vedi Trasmissione del calore);
– Ventilazione (es. 10 °C con vento a 48 km/h è all’incirca
equivalente a -7 °C con vento a 3 km/h).
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WIND CHILL EFFECT
• Il wind chill effect rappresenta l’effetto del vento in
combinazione con basse temperature:
– La sensazione di freddo è associata alla temperatura
dell’epidermide;
– La temperatura si riduce, a parità di temperatura dell’aria,
all’aumentare della velocità del vento → sensazione di maggiore
freddo;
– Il wind chill index si propone di quantificare tale effetto.
• Sebbene il wind chill index sia espresso secondo una scala
di temperatura, esso non è una temperatura, ma solo la
sensazione suddetta.
• Formula più recente (1 Novembre 2001, U.S. National
Weather Service e Environment Canada):
W = 13.12 + 0.6215 ⋅ Taria − 11.37 ⋅ V100.m16 + 0.3965 ⋅ Taria ⋅ V100.m16
dove:
• W è il Wind Chill Index [°C]
• Taria è la temperatura dell’aria [°C]
• V10m è la velocità del vento, a 10 m dal suolo (altezza
anemometrica standard) in [km/h]
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WIND CHILL EFFECT – continua
• La nuova relazione presenta le seguenti caratteristiche:
– Utilizza la velocità del vento valutata all’altezza media della
faccia, pari a 1.5 m;
– E’ basata su un modello del volto umano, e tiene in debito conto
i fondamenti dello scambio termico convettivo (vedi
Trasmissione del calore).
– Considera una velocità del vento, sotto la quale questo non ha
effetto, pari a 4.8 km/h.
• Tuttavia, anche questa non tiene conto di importanti fattori:
• Irragiamento solare (diretto o indiretto);
• Presenza d’acqua (wet wind chill index).
• Precedente equazione (Siple e Passel):
 18.97 ⋅ V − V + 37.62 
Te = 33 − 
 ⋅ (33 − Taria )
⋅
−
+
18
.
97
37
.
62
V
V


rif
rif
dove:
• Te è la temperatura equivalente (Wind Chill Index) [°C]
• Taria è la temperatura dell’aria [°C]
• V è la velocità del vento
• Vrif è una velocità di riferimento, assunta pari al valore medio per
una persona che cammina (6-8 km/h)