conductividad térmica (k) del aire es 0.0263 W/m K.La conductividad térmica de la piel humana, en promedio es de 0.34 W/m Kla piel del ser humano tiene una emisividad-absorbencia de 0.7 a 0.9, dependiendo de la pigmentación de la piel; la piel morena absorbe y emite más energía que la piel blanca.Cuando investigamos la difusión de calor por radiación en el cuerpo humano usamos el valor 0.7 como la absorbencia-emisividad del cuerpo humano porque es un cuerpo gris.

FLUJO DE CALOR POR CONDUCCIÓN ENTRE EL CUERPO HUMANO Y EL MEDIO AMBIENTE.

Ya hemos visto en la sección 3 la fórmula para conocer el flujo de calor linear por conducción. Ahora expondré un ejemplo ilustrativo:

JQc = - λ (∆T/∆x)

Datos conocidos:

λ Conductividad térmica (coeficiente térmico) de la epidermis y de la dermis = 0.34 J/m s KTambiental = 315.65 K (42.5 °C)T de la piel humana = 306.15 K (33 °C)∆T = 9.5 K∆x = 0.01 m

Substituyendo magnitudes obtenemos el siguiente resultado:

JQc = - 0.34 J/m s K (9.5 K / 0.01 m) = - 323 J/s

Luego pues, el índice de flujo de calor por conducción entre el cuerpo humano y su ambiente es de -323 J/s. El signo negativo indica que el flujo de energía es desde el sistema con temperatura más alta (ambiente) hacia el sistema con temperatura más baja (cuerpo humano).

5. FLUJO DE CALOR POR RADIACIÓN ENTRE EL CUERPO HUMANO Y EL MEDIO AMBIENTE

Cuando investigamos la difusión de calor por radiación en el cuerpo humano usamos el valor 0.7 como la absorbencia-emisividad del cuerpo humano porque es un cuerpo gris.

El 14 de septiembre de 2008 a las 11:00 horas en TU, la temperatura ambiental era de 20 °C. La temperatura de la piel de mi antebrazo izquierdo era de 31.4 °C.

¿Cuál era el flujo de calor por radiación entre mi cuerpo y el ambiente?

Note usted que la temperatura ambiental era menor que la temperatura de mi piel. Cuando eso ocurre, el cuerpo tiende a perder calor. Si M es igual a la unidad, no habría calentamiento o enfriamiento. Si M es mayor que la unidad, el cuerpo humano tenderá a calentarse y debe forzar el exceso de calor hacia el ambiente, primero por convección (casi el 80% del calor almacenado en el cuerpo humano se transfiere por convección mediante la corriente sanguínea) dentro del cuerpo humano; luego por conducción hacia la epidermis, y finalmente mediante convección, conducción, radiación y evaporación desde la epidermis hacia el ambiente. Si M es menor que la unidad, el cuerpo humano se enfriaría, y entonces iniciarían los mecanismos fisiológicos para detener la pérdida de calor.

Para conocer el flujo de la energía transferida desde el cuerpo humano hacia el ambiente por radiación, usaremos la siguiente fórmula:

q = 0.7 (A) (σ) (Tamb^4 - Tch^4)

En donde 0.7 es la absorbencia-emisividad de un cuerpo humano real (porque es un cuerpo gris. El valor puede variar, dependiendo de la pigmentación de la piel), A es el área de intercambio de calor (de la piel), σ es la constante de Stephan-Boltzmann (o constante de proporcionalidad = 5.6697 x 10^-8 W/m^2 K), Tamb es la temperatura del ambiente que rodea al cuerpo y Tpiel es la temperatura promedio de la piel.

Por ejemplo, consideremos la piel de un adulto con una superficie total, sin ropa, de 1.9 m^2, a una temperatura de 31.5 °C, en un ambiente aéreo a 20 °C y con una humedad relativa de 60%. Primero debemos convertir los grados Celsius a grados Kelvin:

Temperatura absoluta del ambiente = 20 °C + 273.15 = 293.15 KTemperatura absoluta de la piel = 31.5 °C + 273.15 = 304.65 KÁrea total = 1.9 m^2

Substituyendo valores:

q = 0.7 (1.9 m^2) (5.6697 x 10^-8 W/m^2 K^4) ([293.15 K]^4 - [304.65 K] ^4) = - 92.66 J/s (-93 J/s, redondeando la

cifra al valor superior). - 93 J/s es poder, equivalente a - 93 W.

Balance de la energía:

Para conocer el balance de la energía (I) usamos la siguiente fórmula:

I = P/A

En donde I es el balance de la energía, o sea la intensidad; P es el flujo de la energía por radiación, y A es el área total expuesta (cuerpo desnudo).

Substituyendo magnitudes:

I = - 93 W/1.9 m^2 = - 48.77 W/m^2 (-49 W/m^2, redondeando la cifra al valor superior).

El signo negativo significa que la energía se difunde desde el sistema con alta temperatura (ambiente) hacia el sistema con baja temperatura (cuerpo humano). El balance de la energía, o intensidad de flujo de la energía es de -49 W/m^2.

La pérdida de calor desde el cuerpo hacia el ambiente es -93 J/s, y el balance de la energía radiada es de -49 W/m^2.

Cabe hacer notar que el balance de la energía debe ser igual para cualquier valor con respecto al área de piel expuesta; por ejemplo, supongamos que deseamos considerar únicamente el flujo de calor irradiado (o absorbido) por un centímetro de piel:

q = 0.7 (0.01 m^2) (5.6697 x 10^-8 W/m^2 K^4) (-1228842622.31 ^4) = - 0.49 J/s (ó -0.49 Watts).

El balance de la energía irradiada sería:

-0.49 J/s = -0.49 W

I = (-0.49 W)/0.01 m^2 = -49 W/m^2

El balance de la energía cambiaría si la temperatura de cualquiera de los dos sistemas cambia; por ejemplo, si la temperatura ambiente es de 35 °C (308.15 K), el balance de la energía radiante absorbida por 0.01 m^2 de piel sería:

I = (0.16 W)/0.01 m^2 = -16 W/m^2.

6. FLUJO DE CALOR POR CONVECCIÓN ENTRE LA PIEL HUMANA Y EL MEDIO AMBIENTE.

Para calcular el flujo de la energía transferida desde el cuerpo humano hacia el ambiente por convección, usaremos la siguiente fórmula (descrita en la sección 2):

q =hA (Ts - T ∞)

El coeficiente térmico de convección se calcula considerando al fluido en el cual el cuerpo humano está rodeado, agua o aire, y la velocidad de las corrientes formadas por ese fluido.

Para cualquier condición particular bajo la cual se encuentra un cuerpo humano desnudo, cuya piel expuesta es de 1.6 m^2 y se encuentra a una temperatura de 31.2 °C envuelto por aire con una velocidad de 0.5 m/s y a una temperatura de 35 °C, obtenemos un valor de h = 2.49 W/m^2 K. Calculemos el flujo de calor por convección desde o hacia el cuerpo de una persona. Recuerde que debemos convertir la temperatura en grados Celsius a Kelvin, aunque podríamos desarrollar la fórmula usando grados Celsius:

Magnitudes conocidas:

h = 2.49 W/m^2 KA = 1.6 m^2Ts = 31.2 + 273.15 = 304.35 KT ∞ = 35 + 273.15 = 308.15 KTs - T ∞ = -3.8 K

Substituyendo valores en la formula:

q = 2.49 W/m^2 K (1.6 m^2) (-3.8 K) = -15.14 W

-15.14 W es el calor absorbido por el cuerpo a través de la piel desde un entorno a 35 °C. Dichos -15.14 W equivalen a -3.62 cal/s, lo cual significa que el cuerpo gana 3.62 calorías cada segundo.

La intensidad de la energía que se difunde entre el ambiente y el cuerpo bajo las condiciones antedichas es la siguiente:

I = P/A = -15.14 W/1.6 m^2 = -9.5 W/m^2

Ahora consideremos la piel a 33 °C en una atmósfera a 42.5 °C con corrientes de aire de 0.5 m/s:

q = 2.49 W/m^2 K (1.6 m^2) (-9.5 K) = -38 W

Nuevamente, dado que el aire que rodea al cuerpo está más caliente que el cuerpo, el calor absorbido por éste alcanza -38 W, equivalentes a -9.1 cal/s.

Y la intensidad de flujo de la energía es la siguiente:

I = P/A = -38 W/1.6 m^2 = -23.7 W/m^2

Afortunadamente, nuestros cuerpos cuentan con un sistema de termorregulación muy preciso que mantiene estable la temperatura interna del organismo. Cuando el aire es más caliente que el organismo, el flujo de calor es hacia el organismo; sin embargo, cuando se encuentra en condiciones como las del ejemplo, el cuerpo pierde o desecha calor a través de la evaporación (transpiración y sudor).

El "Golpe de Calor" ocurre cuando el organismo es incapaz de descargar la energía térmica absorbida desde el ambiente. La falla no tiene qué ver con el calentamiento global ni con fenómenos naturales similares, sino con el estado de salud del organismo, el cual, en algún punto, no puede responder adecuadamente ante las altas temperaturas ambientales.