TERMODINAMICA bilancio termico - Università di Pavia ... Stmp.pdf · di INFERMIERISTICA e...

Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nucleare e teoricaESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Infermieristica e Ostetricia - Bilancio Termico

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CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Bilancio Termico

elio girolettielio giroletti

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIAdip. Fisica nucleare e teorica

via Bassi 6, 27100 Pavia, Italytel. 038298.7905 - [email protected] - www.unipv.it/webgiro

TERMODINAMICATERMODINAMICAbilancio termicobilancio termico

FISICA MEDICA e RADIOPROTEZIONEFISICA MEDICA e RADIOPROTEZIONEelio giroletti, 2005 elio giroletti, 2005

corso integrato corso integrato FISICA, STATISTICA e INFORMATICAFISICA, STATISTICA e INFORMATICA

disciplina: FISICA MEDICA e RADIOPROTEZIONEdisciplina: FISICA MEDICA e RADIOPROTEZIONE

Classe LaureeClasse Laureedidi INFERMIERISTICA e OSTETRICIAINFERMIERISTICA e OSTETRICIA



-TRASMISSIONE DEL CALORE- convezione- conduzione - irraggiamento - evaporazione

- BILANCIO TERMICO - DISPENDIO METABOLICO

lucidi di Domenico Scannicchio, rivisti da Elio Giroletti


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TRASMISSIONE del CALORETRASMISSIONE del CALORE

1

meccanismi di trasmissione del caloremeccanismi di trasmissione del calore

convezioneconvezionePROPAGAZIONE MEDIANTE TRASPORTO DI MATERIA

conduzioneconduzionePROPAGAZIONE SENZA TRASPORTO DI MATERIA

irraggiamento termicoirraggiamento termico

(RADIAZIONE TERMICA)EMISSIONE DI ONDE ELETTROMAGNETICHE

evaporazioneevaporazione (sistemi biologici)

CL-INF/OST - TERMODINAMICA – Bilancio Termico3

CONDUZIONECONDUZIONE PROPAGAZIONE SENZASENZATRASPORTO DI MATERIA

Q∆t = K ∆T(cal s–1)S

dS = superficie∆t = intervallo di tempo

d = distanza (aree a ∆T) K = conducibilitK = conducibilitàà termicatermica

∆T = variazione di temperatura

MATERIALI DIVERSIMATERIALI DIVERSI K(kcal m–1 s–1 °C–1)rameghiaccioacqua

9,2 10–2

5,2 10–4

1,4 10–4

legnopolistiroloaria

0,3 10–4

9,3 10–6

5,5 10–6

0,6 100,6 10––44

TRASMISSIONE del TRASMISSIONE del CALORECALORE

Pelle (secca) Pelle (secca)


corpocorpo -- CONDUZIONE CONDUZIONE

• trasferimento di calore da una zona a maggiore verso una a minore temperatura, per interazione tra molecole ed atomi• richiede il contatto tra superficicontatto 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


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CONVEZIONECONVEZIONE PROPAGAZIONE CONCONTRASPORTO DI MATERIA

Q∆t = Kconv S ∆T (cal s–1)

∆t = intervallo di tempoS = superficie

∆T = variazione di temperatura

KKconvconv = costante convettivacostante convettiva

fluidi nei sistemi biologici:fluidi nei sistemi biologici:linfa (vegetali)sangue (animali)

TRASMISSIONE del TRASMISSIONE del CALORECALORE


• trasferimento di energia da interno corpo alla cute e da questa all’ambiente e viceversa

• legato alla agitazione termica delle agitazione termica delle molecole di ariamolecole di aria, che sono in movimento (moti convettivi)

• convezione naturale o forzata, es. ventil.• 20% calore ceduto per convezione• legato alla temperatura dell’aria


corpocorpo -- CONVEZIONE CONVEZIONE


4IRRAGGIAMENTO TERMICOIRRAGGIAMENTO TERMICO(RADIAZIONE TERMICA)

emissione di onde elettromagnetiche emissione di onde elettromagnetiche da parte di corpo a temperatura Tda parte di corpo a temperatura T

intensità I = Q∆t ∆S cal s–1 m–2 oppure watt m–2

LEGGI DELL'EMISSIONE TERMICA LEGGI DELL'EMISSIONE TERMICA (corpo nero)(corpo nero)

TRASMISSIONE TRASMISSIONE del CALOREdel CALORE

legge di legge di WienWien)(

2897,0)(max KT

cm oI =λ

legge di legge di StefanStefan--BoltzmannBoltzmann 42 )()( KTemwattI oσ=⋅ −

permettepermette di di misuraremisurare la la temperaturatemperatura, IR, IR

σ = cost. Stefan-Boltzmann=5,67.10-8 W/m2.°K4


4


legge di legge di StefanStefan I = σ T4 (watt m–2)

legge di legge di WienWien λλImaxImax = 0.2897T (cm)

inte

nsit

inte

nsit àà

spet

tral

e em

essa

spet

tral

e em

essa

(Wm–2 µm–1)109

108

107

106

105

104

103

102

10

1 10 1021031041051061

10000°K6000°K

4000°K

1000°K

spettro visibile(400-700 nm)

lunghezza d'onda,lunghezza d'onda, nm λ

I

λλmaxmax(pelle, 32(pelle, 32°°C)=0,01 mmC)=0,01 mmlontano infrarosso lontano infrarosso


IRR

AG

GIA

ME

NT

O T

ER

MIC

OIR

RA

GG

IAM

EN

TO

TE

RM

ICO

termografiatumore al seno destro

termografiatumore al seno sinistro


corpocorpo -- IRRAGGIAMENTO IRRAGGIAMENTO IrraggiamentoIrraggiamento solaresolare ==costantecostante solaresolare =1350 W/m=1350 W/m22

Un Un oggettooggetto con con emissivitemissivitàà eee di area e di area AA espostoesposto al sole al sole assorbeassorbe calorecalore con con potenzapotenza

θcos)1350( 2 eAmW

tQ

=∆∆

stagionistagioni, calotte , calotte polaripolari, , alba e alba e tramontotramontodipendonodipendono daldalfattorefattore coscosθθ


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• 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)


corpocorpo -- IRRAGGIAMENTO IRRAGGIAMENTO


EVAPORAZIONEEVAPORAZIONE (sistemi biologici)

calore di evaporazione H2O

(trasmissione di calore verso l'esterno)

H2O (t = 37°C) ≈ 580 cal g–1

evaporazione di 100 g H2O 58 kcal = 242.5 kJesempio

metabolismo basale, M.B ≈ 50 kcal ora–1 m–2

(minima quantitminima quantitàà di energiadi energia per garantire le funzioni vitali)

TRASMISSIONE del CALORETRASMISSIONE del CALORE


• 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

corpocorpo –– EVAPORAZIONE EVAPORAZIONE


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evaporazione, E evaporazione, E 2020--30%30% irraggiamento, R irraggiamento, R

4545--50%50%

fattori metabolici ed ambientali (a 20 fattori metabolici ed ambientali (a 20 °°C)C)variano in funzione dellvariano in funzione dell’’ambiente ambiente

DISPERSIONE DEL CALORE DISPERSIONE DEL CALORE

respirazionerespirazione convezione, C convezione, C 2525--30%30%

lavoro, Wlavoro, W

conduzione,conduzione,22--5%5%


fattori metabolici ed ambientali (a 20 fattori metabolici ed ambientali (a 20 °°C)C)variano in funzione dellvariano in funzione dell’’ambiente, es. temperatura ambiente, es. temperatura

Font

e: S

cann

icci

oet

al.,

Fisi

ca,e

d. U

nico

pli,

1997

CALORE DISSIPATOCALORE DISSIPATO

perditadi calorie

temperaturaambiente, °C

100

50

022 26 30 34

perditeperdite totalitotali

irraggiamentoirraggiamento

evaporazioneevaporazione

conduzioneconduzione


bilanciobilancio termicotermico

dove: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

0=−±±= ERCMB

uomo uomo èè omeotermo, sangue caldo,omeotermo, sangue caldo,mantiene costante la temperatura corporeamantiene costante la temperatura corporea


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DISPENDIO METABOLICODISPENDIO METABOLICOWatt/mWatt/m22

dispendio metabolico

Watt/m2

attività lavorativa associata

da 55 a 60 stare seduti tranquilli

circa 70 stare in piedi rilassati, scrivere al computer, disegnare

circa80 classificare, archiviare, scrivere a macchina meccanica

da 90 a 95 attività di insegnamento da 100 a 105 lavoro di laboratorio

circa 115 fabbro, lavori modesti di carpenteria da 145 a 150 spingere carrelli (57 kg a 4.5 km/h)

circa175 officina (riparazione macchine)



dispense su internetdispense su internet

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elio girolettielio giroletti ..UniversitUniversitàà degli Studi di Pavia degli Studi di Pavia dip. Fisica nucleare e teoricadip. Fisica nucleare e teorica

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