ASPETTI TERMODINAMICI DEI SISTEMI BIOLOGICI

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1 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 63% O 25.5% C 9.5% N 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/m 2 (o anche 1W/kg); Per un maschio adulto medio S 1.8 m 2, per cui la potenza metabolica basale è pari a circa 84 W;

2 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 O 2 : circa 0.25 l/min ( m 3 /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 18.0 MJ/kg 95.5% metabolizzabili Proteine 22.0 MJ/kg 77.5% metabolizzabili Grassi 39.8 MJ/kg 97.7% metabolizabili Da ciò segue che: 4.1 kcal/g proteine 9.3 kcal/g grassi

3 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 carboidrati 8.4 MJ/kg proteine 33.1 MJ/kg grassi NB: nella pratica nutrizionale: Cal (o addirittura cal) = 1 kcal Fabbisogno medio nutrizionale: Uomo: Donna: Cal/giorno ( kj/giorno) Cal/giorno ( 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/( ) 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.

4 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).

5 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).

6 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 = Taria V + Taria V m m dove: W è il Wind Chill Index [ C] T aria è la temperatura dell aria [ C] V 10m è la velocità del vento, a 10 m dal suolo (altezza anemometrica standard) in [km/h]

7 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): T e V V = Vrif Vrif ( T ) aria dove: T e è la temperatura equivalente (Wind Chill Index) [ C] T aria è la temperatura dell aria [ C] V è la velocità del vento V rif è una velocità di riferimento, assunta pari al valore medio per una persona che cammina (6-8 km/h)

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