Termodinámica del Ejercicio: Cálculo de Energía, Temperatura y Eliminación de Calor en el Cuerpo Humano

Introducción

Este documento explora los principios termodinámicos aplicados al ejercicio físico, detallando el cálculo de la energía consumida, la generación de calor y los mecanismos de disipación térmica en el cuerpo humano. Se analiza el caso de una persona de 70 kg que realiza actividad física tras la ingesta de alimentos, considerando las fórmulas y conceptos clave para comprender estos procesos.

Cálculo de Energía y Rendimiento

Consideremos una persona con una masa de 70 kg que ha consumido alimentos con un valor energético de 39 kJ por gramo. El primer paso es determinar el rendimiento del proceso metabólico. Utilizando la fórmula de eficiencia del proceso, se obtiene un rendimiento aproximado del 36%.

Posteriormente, esta persona corre durante media hora. Para calcular la energía consumida durante esta actividad, se emplea la fórmula número 9, que arroja un resultado de 700 kcal. Con este dato, se puede determinar:

• La energía disponible para realizar el trabajo, calculada mediante la fórmula de rendimiento.
• La energía NO disponible para realizar el trabajo, calculada con la fórmula 11. Esta última representa la energía que el cuerpo debe eliminar.

Termodinámica y Temperatura Corporal

Aplicando la segunda ley de la termodinámica, se calcula la entropía del sistema. Además, con la fórmula número 1, se determina el aumento de temperatura que experimentaría el cuerpo de la persona si no disipara el calor generado. Con este valor, se puede calcular la temperatura final del músculo utilizando la fórmula número 3, que en este caso, da como resultado aproximadamente 65°C.

Mecanismos de Eliminación de Calor

El cuerpo humano elimina la energía no utilizada para el trabajo a través de tres mecanismos principales: transporte, radiación y evaporación.

Transporte

El transporte de calor se produce desde el músculo hacia el torrente sanguíneo. En este proceso, se considera una interfaz (músculo-vaso sanguíneo) y un medio (tejido muscular). Para calcular la temperatura a la que llegará la sangre, se siguen estos pasos:

1. Calcular el coeficiente de transmisión total con la fórmula 20.
2. Calcular la constante de transmisión en el músculo con la fórmula 19.
3. Finalmente, con la fórmula número 15, se obtiene la temperatura de la sangre.

Transporte de Calor y Eliminación por la Piel

En este caso, existen dos interfaces (músculo-vaso y piel-exterior) y un medio (tejido cutáneo). El procedimiento para calcular la temperatura de los vasos sanguíneos y la superficie de la piel es el siguiente:

1. Calcular la constante de transporte de la piel con la fórmula número 16.
2. Calcular el calor total a disipar por transporte con la fórmula número 15.
3. Finalmente, se calcula la temperatura de los vasos sanguíneos y la superficie de la piel.

Radiación

El cuerpo humano, al estar compuesto por partículas en constante movimiento, emite radiación hacia el exterior. El calor disipado por radiación se calcula mediante la fórmula 22.

Evaporación

La evaporación, a través del sudor, es un mecanismo de emergencia para la eliminación de calor. Se calcula el calor a disipar por evaporación con la fórmula 12. Un valor positivo indica que hay sudoración. Luego, con la fórmula 34, se calcula la masa de agua transpirada, que en este caso es de 0.36474 kg. La humedad ambiental influye en este mecanismo, ya que una piel mojada reduce la eficiencia de la transpiración.

Conclusión

Este análisis demuestra cómo los principios de la termodinámica se aplican al cuerpo humano durante el ejercicio. Se ha detallado el cálculo de la energía, el aumento de la temperatura corporal y los mecanismos de disipación de calor, proporcionando una comprensión integral de la fisiología del ejercicio desde una perspectiva termodinámica.