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SIAMO UNA MACCHINA TERMICA Il nostro corpo funziona a tutti gli effetti come una macchina termica. Essa richiede ENERGIA per il suo funzionamento, e il.

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1 SIAMO UNA MACCHINA TERMICA Il nostro corpo funziona a tutti gli effetti come una macchina termica. Essa richiede ENERGIA per il suo funzionamento, e il rapporto tra energia utilizzata e tempo di utilizzo è detto METABOLISMO. In accordo con il primo principio della Termodinamica, ogni variazione di energia interna U dipende dagli scambi di calore con lambiente Q e dal lavoro fatto verso lesterno L: U = Q - L o se si preferisce parlare di POTENZA: U/t (MR) = Q/t - P

2 U Q assorbito L Q ceduto allambiente

3 Il secondo principio della termodinamica ci dice che Rendimento = L/ Qass = (Qass -Qced)/Qced < 1 e anche questo è applicabile al corpo e ai suoi sottosistemi.

4 Lavoro: si tratta essenzialmente di lavoro meccanico esercitato dai muscoli (contrazione isotonica implica lavoro in senso fisico, contrazione isometrica no). Si tratta in generale di lavoro a basso rendimento;

5 Diamo i numeri… : sollevare 20 borse della spesa (del peso di circa 8 kg) da terra al tavolo (d=1m) in 25 s : P= L/t= (20 x 8 kg x 10 m/ss x 1 m )/ 25 s = 64 W salire di corsa 24 gradini alti 25 cm in 6 s se si pesa 65 kg: P = L/t = (24 x 0.25 m x 10 m/s2 x 65 kg)/6 s = 650 W.

6 ATTIVITAMetabolic Rate (W) dormire75 stare seduti attività di ufficio camminata lenta jogging salire le scale rapidamente corsa

7 Calore ceduto all ambiente Esistono molte modalità di scambio di calore: -conduzione tra un corpo a temp T e lambiente Ta cè cessione di calore DQ/Dt = kcond A ( T - Ta)/a kcond è elevata nei metalli, ma bassa nellaria (kcond = W/m°C) e nei tessuti biologici, A e a sono rispettivamente la superficie e lo spessore

8 Diamo i numeri…. Un uccello ha superficie corporea pari a 150 cm 2, temperatura basale pari a 37 °C e piume equivalenti allo spessore di 2 cm di aria. Trovare la velocità di perdita di calore in un ambiente a 5 °C. DQ/Dt = W/m°C m 2 (37 -5 ) °C/ m = 0.57 W se luccellino si bagna, lo spessore equivalente si riduce di un fattore 10, e la velocità di dispersione aumenta di un fattore 10.

9 - convezione: DQ/Dt = kconv A (T - Ta) /a è efficace nei fluidi, e specialmente nellaria. E un meccanismo fondamentale per la dispersione del calore verso la cute e i tessuti periferici (circolazione) -irraggiamento DQ/dt = kirr A (T 4 - Ta 4 ) avviene tramite emissione di onde elettromagnetiche ed è il meccanismo più efficiente per la dispersione del calore cutaneo.

10 E inoltre importante ricordare che, a seconda della T, cambiano le lunghezze donda delle radiazioni emesse. La cui corrisponde il picco di intensità emessa è ben descritto dalla legge di Wien: p T = m°K Lo scambio di calore per irraggiamento diventa inefficiente quando le due temperature sono uguali o Ta supera T.

11 Diamo i numeri… Sapendo che la luce emessa dal Sole ha un picco di intensità intorno a 490 nm, stimarne la temperatura superficiale. T = m °K/ m = 5900 °K Trovare la potenza netta irradiata da un uomo alle temperatura di 37°C in una stanza a 21 °C. Larea del corpo sia 1.7 m 2 e kirr= W/m 2 °K 4. DQ/Dt = W/m 2 °K m 2 ( ) °K = 165 W.

12 In questo caso lunico sistema indipendente dalla temperatura è la -sudorazione ossia levaporazione di liquido dalla cute (N:B: Il calore latente necessario per vaporizzare un g di acqua ad una atmosfera, pari a 2300 J (= 540 cal), viene sottratto alla pelle. I limiti di questo meccanismo dipendono dalla condizione di umidità dellaria. Diamo i numeri… Il corpo umano dissipa ogni giorno circa 10 7 J. Se lunico meccanismo fosse la sudorazione, quanta acqua dovrebbe evaporare? M = 10 7 J/2300 J/g = 4.3 kg.

13 Le reazioni biochimiche su cui si basa il funzionamento dellorganismo hanno un funzionamento ottimale intorno ai 37 °C. In condizioni di IPERTERMIA si ha denaturazione proteica, con possibilità di emorragia e di danno cerebrale a partire da 41°C. A 44°C si muore in poche ore. In condizioni di IPOTERMIA i processi metabolici rallentano, a 30 °C i sistemi regolatori della temperatura si bloccano e diventano critici la respirazione e il ciclo cardiaco, a 27°C si può avere morte.

14 Per mantenere costante la temperatura corporea, questi processi di perdita di calore sono pertanto molto efficienti e devono essere CONTINUAMENTE COMPENSATI con apporto di energia: nelle 24 ore la perdita di calore del nostro corpo è di circa: 73 % radiazione e convezione dalla pelle 14% evaporazione e perspirazione dalla pelle 7.5% vaporizzazione di acqua dai polmoni 3.5 % riscaldamento dellaria nei polmoni 2% perdita di calore tramite urina e feci In condizioni estreme intervengono MECCANISMI FISIOLOGICI specifici.

15 Velocità di perdita di calore (W) Temperatura dellaria 33°C20°C-10°C radiazione conduzione e convezione evaporazione respirazione86160

16 Produzione di calore Il nostro corpo PRODUCE CALORE (ENERGIA) tramite il combustibile ALIMENTARE

17 . Esiste una fase di PRODUZIONE, legata allossidazione degli alimenti. Un valore tipico (da ricordare!) è quello del glucosio: il consumo di 1 kg di zucchero produce circa 15 MJ di energia. Per le proteine la resa è circa equivalente, mentre per i grassi è di circa il doppio.

18 Metabolismo delle sostanze presenti nei cibi datiCARBOIDRATIGRASSIPROTEINE calore combust(kcal/g) CO 2 in l/g O 2 in l/g QR valore calorico di 1 l di O 2 (kcal)

19 Questa energia non viene immediatamente consumata, ma viene immagazzinata in legami chimici in una piccola molecola detta ATP (Adenosine TriPhosphate). Quando neces- sario, la rottura di tali legami renderà disponibile lenergia. Questa forma di produzione di energia è detta AEROBICA, in quanto richiede la disponibilità di Ossigeno. In particolare per ogni litro di O 2 utilizzato nellossidazione degli alimenti si producono mediamente 20 kJ di energia. In condizioni estreme esiste anche un meccanismo di metabo- lismo ANAEROBICO ottenuto trasformando il glucosio in acido lattico, ma è molto meno efficiente (produce soltanto 0.8 MJ per kilo di glucosio).

20 In medicina si indica con METABOLISMO (o metabolic rate) sia la produzione sia il consumo di calore nel tempo, dando per scontato che i due coincidano. Nella realtà può esserci uno sbilanciamento, per cui lenergia in eccesso o in difetto viene immagazzinata o bruciata tramite la massa adiposa (è in un certo senso, insieme allenergia richiesta per il funzionamento degli organi interni, la nostra energia interna U).

21 Diamo i numeri… Dal calcolo del calore di ossidazione degli alimenti si ricava che un individuo di 70 kg utilizza circa 10 8 J al giorno. Calcolare il suo metabolismo. MR = 10 8 /24x3600 s = 1210 W Una persona durante una corsa veloce in bici consuma 1.45 l/min di ossigeno. Calcolare il suo metabolismo. MB = 1.45 l/ 60 s x J = 483 W

22 Confrontando il metabolismo di persone diverse, si osserva una dipendenza dalle dimensioni. Si noti come molti di questi processi avvengano tramite la pelle: la loro efficienza dipende pertanto dalla SUPERFICIE CORPOREA A. Si noti che la produzione di energia dipende invece dalla MASSA del corpo, e quindi dal suo VOLUME V. Sono quindi avvantaggiati gli individui di grande V e piccola A, dunque di più piccolo A/V.

23 V = r 2 h A = 2 r 2 +2 r h A/V = 3.2 m 2 /0.35 m 3 = 9.1 1/m A/V= 3.8 m 2 /0.48 m 3 = 7.9 1/m

24 Linsieme delle considerazioni precedenti ci permettono quindi di capire perché la velocità del metabolismo (Metabolic Rate) dipende da una serie di fattori, tra i quali:

25 Letà

26 Le dimensioni corporee.

27 Si noti che una certa frazione del metabolismo viene spesa per il funzionamento degli organi interni Lequilibrio risulta turbato anche se viene richiesto un consumo eccessivo di energia per il funzionamento degli organi interni (la taratura del sistema, effettuata dal sistema tiroideo, non è corretta). METABOLISMO BASALE Lontano dai pasti A riposo Temperatura confortevole

28 CC Contributi dei vari organi al metabolismo basale per un soggetto di 65 kg organienergia consum.MB (%) in kcal/giorno cuore1177 polmoni352 reni18010 fegato e milza47027 cervello32519 muscoli schel31018 rimanente29817 TOTALE (MB)

29 La misura del cosiddetto Metabolismo Basale (ossia a riposo, legato soltanto alle attività essenziali dellorga- nismo) è talvolta di interesse clinico (ad esempio per una valutazione dei sistemi di regolazione ipotalamici-tiroidei). Poiché è noto che per ogni litro di O 2 consumato nella ossidazione degli alimenti vengono prodotti circa 20 kJ di energia, viene misurata la velocità di consumo di ossigeno tramite uno spirometro: BMR = 20 kJ O 2 (l)/ t (min) (per passare in W occorre moltiplicare per e dividere per 60!)

30

31 Per ottenere un indice confrontabile tra i diversi individui si divide il BMR per la superficie corporea: MB= BMR/S

32 Diamo i numeri….. Si supponga di voler perdere 5 kg di massa corporea 1) mediante attività fisica 2) mediante una dieta Quanto tempo deve durare lattività fisica se essa comporta un consumo di 15 kcal/min? Quanto tempo deve durare una dieta che comporti una riduzione di 600 kcal al giorno?

33 1) Essendo necessarie 9.5 kcal per bruciare un grammo di grasso: Q= 9.5 x 5000= kcal dunque P=Q/t=15 kcal/min t= Q/P= /15 =3167 min = 53 ore! 2) t= /600= 79.2 giorni!


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