unidade em outra. No caso da temperatura a fórmula
para transformação de uma unidade em outra é:
3 - BIOTERMOLOGIA
C F − 32 k − 273
=
=
5
9
5
3.1 – introdução
De todas as partes da biofísica, talvez seja a
biotermologia. a mais aplicada em suas terapias no
cotidiano. A variação da temperatura é um fator
presente direta ou indiretamente em quase toda, senão
toda, intervenção fisioterápica. Diretamente podemos
citar termoterapias como o forno de Bier, parafina,
laser, ultra-som, microondas, ondas curtas, etc. Até
mesmo crioterapias como compressas com gelo,
aplicações de água fria ou spray são exemplos da
aplicação física da temperatura nos meios biológicos.
Indiretamente, a variação da temperatura está presente
em terapias como o aquecimento antes de uma
atividade física, alongamentos, massagens ou até
mesmo aplicações de correntes elétricas de baixa
intensidade. O conhecimento dos princípios tanto
físicos como biológicos dessas terapias é de suma
importância para o fisioterapeuta.
3.2 – Conceito
Biotermologia é a parte da biofísica que
estuda a temperatura e suas propriedades relacionadas
com os seres vivos. Em especial para a fisioterapia
estudaremos a influência da temperatura no corpo
humano e o princípio físico das terapias que envolvem
a variação de temperatura no corpo humano.
3.3 – Calor e Temperatura
Temperatura: chamamos de temperatura a
quantidade de vibração das moléculas de um corpo.
Todas as moléculas se encontram em vibração se a
temperatura estiver superior a - 273º C ou 0 kelvin.
E. Mecânica
E. Térmica
E. Química
E Elét.
t
t
Variação da Temperatura:
A variação da taxa de vibração das moléculas de
um corpo é nada mais que a variação da temperatura.
Essa variação (∆θ = tfinal – tinicial) quase sempre se
processa devido à perda ou ao ganho de energia com
outro corpo. Dá-se o nome de calor a essa energia
mensurável em trânsito.
Calor:
Dizemos que um corpo perde ou ganha calor
quando sua temperatura diminui ou aumenta
respectivamente. Calor é a quantidade de energia que
um corpo perde ou ganha para variar sua temperatura.
Esse calor, terapeuticamente pode ser fornecido por
meio de equipamentos como ultra-som, laser, lâmpadas
infravermelhas, micro-ondas, etc.
Calorimetria: É a parte da física que estuda o calor,
ou seja, a energia térmica em transito. Logo, não se
pode dizer que um corpo tem uma determinada
quantidade de calor e sim que um corpo ganhou ou
perdeu uma determinada quantidade de calor, o que o
corpo adquire, ao final desse processo é a temperatura
final. A unidade de calor, comumente utilizada é a
caloria (cal) e o seu múltiplo Kcal. É comum a unidade
de calor também ser dada em Joules, uma unidade
usada para quantificar trabalho: 1,0 cal = 4,186 J. Isso
por que Trabalho pode ser definido como variação de
energia, e como calor é energia em trânsito...
Princípios da Calorimetria
Temperatura
Temperatura
Ex. 01 – Sabendo-se que a temperatura média do corpo
humano é de 36 ºC, qual seria essa temperatura em ºF e
K?
t2 > t1
Escala de Temperatura:
Em cada país ou continente, é bastante comum
se observar unidades de grandezas físicas diferentes.
Com a temperatura, isso não é diferente. Basicamente
existem três unidades mundialmente conhecidas: o
grau Celsius, o grau Fahrenheit e o Kelvin. Como em
outras grandezas físicas é possível transformar uma
Princípio da Transformação Inversa: “Se na
transformação sofrida por um sistema, de um estado (1)
para um estado (2), for necessário fornecer uma
quantidade Q de calor (energia térmica), na
transformação inversa, do estado (2) para o estado (1),
será necessário retirar a mesma quantidade de energia
Q”.
Princípio da Troca de Calor: “Quando dois ou mais
corpos, constituindo um sistema isolado, trocam entre
si apenas calor, a soma das quantidades de calor
cedidas por uns é igual à soma das quantidades de calor
recebidas pelos outros”.
∆Qcedida = ∆Qrecebida
1
1o Principio da Termodinâmica: “Se um sistema
recebe energia, esta deve ser armazenada pelo sistema,
fornecida ao ambiente sob forma de Trabalho ou, como
na maioria das vezes, ambos devem acontecer”.
Se um sistema recebe 1.000 J, toda essa
energia deve ir para algum lugar. Suponha que o
sistema realize um Trabalho (aumento do
metabolismo) que consuma 600 J, resta saber para
onde foram os demais 400 J. Só podem ter sido
armazenados pelo sistema. Lembre-se que o sistema
biológico não pode armazenar energia indefinidamente
e que, para devolvê-la ao meio ambiente, terá que
utilizar os recursos da circulação, transpiração, etc. Se
estes mecanismos falharem, as células poderão sofrer
sérios danos.
Tabela 02 pode-se ver alguns índices de calor
específico de alguns materiais biológicos em J/kg.K.
Tabela 01 – Intensidade de calor específico de alguns
materiais não biológicos.
Tabela 02: Densidade e Calor específico de alguns tecidos
humano.
Fonte de Energia
(1.000 J)
Energia
Armazenada
(400 J)
Trabalho
Realizado
(600 J)
Sistema Biológico
2o Principio da Termodinâmica: “O calor passa
espontaneamente dos corpos de maior temperatura para
os de menor temperatura”. Portanto, só é possível
transformar calor em trabalho quando se dispõe de
duas fontes de calor em temperaturas diferentes.
Sabemos que Calorimetria é a parte da Física
que estuda o calor e suas manifestações. Como foi
visto anteriormente, calor está intimamente ligado com
a variação da temperatura. A quantidade de calor
trocada Q, durante a variação da temperatura ∆θ de um
corpo depende de sua massa m, da própria variação da
temperatura ∆θ e do material que é constituído,
conforme a equação a seguir. A constante c abaixo é
conhecida como calor específico e varia de um
material para outro, geralmente sua unidade é cal.g1
.ºC-1.
Onde:
Q = m.c. ∆θ
“m” é a massa do corpo geralmente dada em gramas
“c” é o calor específico
“∆θ ” variação da temperatura (tf – ti )
O calor específico “c” é uma grandeza física
que basicamente descreve a quantidade de energia que
um grama de determinado material necessita para
variar sua temperatura de 1º C. Quanto maior o calor
específico maior a quantidade de energia que ele
necessita para variar sua temperatura. A Tabela 01 a
seguir mostra alguns índices de calor específico de
alguns materiais não biológicos em cal/goC, já na
C (cal.g-1.ºC-1)
1,000
0,113
0,217
0,199
Material
Água
Ferro
Alumínio
Vidro
[kg/m ] e calor específico
Tecido
[kg/m ]
[J/(kg.K)].
[J/(kg.K)]
1
osso
1810
1.256
2
gordura
920
2.973
3
pele
1010
3.662
4
olho
1170
3.664
5
músculo
1040
3.639
6
Sangue
1060
3.894
Ex. 1 – 100 calorias são irradiadas em 10 g de água,
ferro e alumínio respectivamente. Sabendo que todos
esses elementos encontram-se à temperatura ambiente
de 25ºC. Qual a temperatura final de cada um desses
elementos? Qual deles deve esquentar mais? Por quê?
Ex. 2 – Utilizando o Ultra-som terapêutico um
fisioterapeuta incide em 1 Kg de pele, gordura,
músculo e osso, todos a 36ºC uma quantidade de 1000
J. Qual a temperatura final em oC em cada um desses
tecidos.
Dilatação Térmica
Um fenômeno bastante comum e importante
que deve ser levando em conta durante os tratamentos
com termoterapias é a dilatação térmica. Didaticamente
ela pode ser classificada em três tipos:
A) Dilatação Linear: que ocorre em fios, linhas, cabos
ou corda e está mais interessada em medir a dilatação
em uma dimensão apenas (1 D). Ela pode ser dada pela
fórmula:
∆L = α .L0 .∆θ
Onde ∆L é a dilatação linear, α é o coeficiente de
dilatação térmica linear e ∆T a variação da
temperatura.
B) Dilatação Superficial: que ocorre em chapas,
placas ou superfícies. Ela medi a variação superficial
2
de uma placa pro exemplo quando esta mesma é
submetida a uma variação da temperatura. A dilatação
superficial é dada pela fórmula:
∆S = β .S 0 .∆θ
Onde ∆S é a dilatação superficial, β é o coeficiente de
dilatação térmica superficial e ∆T a variação da
temperatura.
C) Dilatação Volumétrica: na verdade é a dilatação
que ocorre naturalmente nas três dimensões. Ela é dada
por:
∆V = δ .V0 .∆θ
Onde ∆V é a dilatação volumétrica, α é o coeficiente
de dilatação térmica volumétrico e ∆T a variação da
temperatura. A relação entre os coeficiente de dilatação
α
térmica é a seguinte;
1
=
β
2
=
K (cal.s-1.cm-1.ºC-1)
0,99
0,50
0,19
0,004
0,00014
Material
Prata e Cobre
Alumínio
Ferro
Gelo
Água
Terapias por condução:
Compressas quente ou frias
Banhos quentes
Banhos de parafina
Cataplasmas (subst. pastosas)
Bolsas de água (térmica) quentes ou frias
Aplicações de gelo
δ
3
Transmissão de Calor
As modalidades segundo as quais o calor pode ser
transmitido são: Condução, Convecção e Conversão.
Condução: Neste, o processo de transmissão do calor
se dá de molécula para molécula, do corpo com maior
temperatura para o de menor temperatura até que
ambos atinjam o equilíbrio térmico.
Considerando-se uma parede com Area A e espessura
l, separando dois meios (1) e (2), com temperaturas
diferentes, t1 maior que t2, o calor passará atraves da
parede no sentido de 1 para 2. Podemos definir como
fluxo de calor ou fluxo térmico como a quantidade de
energia que atravessa um meio intermediário entre dois
corpos de temperatura diferente por unidade de tempo.
O fluxo de calor pode ser expresso matematicamente
por:
Fluxo =
B) Convecção: neste caso, a transmissão do calor
ocorre devido ao movimento de fluidos (gás ou
líquido) causado pela diferença de densidade entre os
dois meios de temperaturas diferentes. Ex. ar
condicionado, saunas, turbilhão, hidroterapia e banhos
a vapor, forno de Bier.
calo
r
Ar
condici
onado
K . A.∆θ
l
Corrente de
Convecção:
livre ou
forçada
- denso
calo
r
Onde K é a constante de condutividade térmica
específica de cada material, A é a superfície de contato
e ∆θ a variação da temperatura entre os dois meios.
A
+ denso
Fluxo
Meio 1
Temperatura t1
l
Meio 2
Temperatura t2
Turbilhão
Forno de Bier
3
C) Conversão: Dá-se o nome de conversão à
transformação de um tipo de energia qualquer em
energia térmica. Um bom exemplo são as ondascurtas, onde temos a transformação de ondas
eletromagnéticas em calor. O ultra-som e o microondas também são exemplos.
Mecânica
Química
Elétrica
Eletromagnética
Nuclear
Calor e o Corpo Humano
Para compreender melhor o funcionamento da resposta
do corpo humano às variações de temperatura é
necessário, primeiro, fazer uma breve revisão dos
sistemas que interagem com esse fenômeno. A pele, o
sistema circulatório e o metabolismo.
Atividade
Térmica
Obs. Comumente a Irradiação é tratada como uma
forma de transmissão de calor à parte. Entretanto, aqui
ela será ministrada como um tipo de transmissão de
calor especial que faz parte da conversão. Observando
bem a Irradiação é uma forma de transmissão de calor
que se processa pela absorção de ondas
eletromagnética (mais precisamente os raios
infravermelhos) e transformado em energia térmica.
Então, a Irradiação não passa de um tipo especial de
conversão.
Por se tratar de ondas eletromagnéticas de luz
infravermelha as terapias por irradiação são aquelas
que utilizam esse tipo de luz. As lâmpadas de luz
infravermelha, o laser de HeNe (Helio / Neônio) e o
laser de ArGa (Arseneto de Gálio). O princípio
biofísico dessa forma de transmissão de calor será
melhor tratado em Bióptica.
Custo energético
(Cal/m 2 hr)
Dormindo
35
Sentado
50
Trabalhando sentado
60
Em pé
85
Banhando e vestindo
100
Andando (3 mph)
140
Andando de bicicleta
250
Nadando
350
Correndo
600
PELE
SISTEMA CIRCULATÓRIO
Ondas Curtas
Lâmpada de Luz IV
4
Regulação da Temperatura (Frio)
Temperatura ( oC)
Sintomas
28
Falência muscular
30
Perda do controle da temp corp.
33
Perda da consciência
37
Normal
42
Parada do SNC
44
Morte *
26oC
36oC
20oC
15oC
05oC
Mecanismos Termogênicos
Condições normais
26oC – Fluxo Sangüíneo Cutâneo 5%
36oC – Fluxo Sanguíneo Cutâneo 20%
São mecanismos criados pelo corpo que geram
calor ou evitam a perda do mesmo.
1.
Físicos
a) Calafrios = aumento das contrações
espasmódicas dos músculos esqueléticos.
b)Aumento da perda por Irradiação
2.
Químicos:
METABOLISMO
Regulação da Temperatura (Calor)
26oC
36oC
30oC
a) Aumento do metabolismo
b)Queima da gordura marrom
3.
Evitam a perda
35oC
a) Eriçamento dos pêlos
b) vasoconstrição
45oC
Mecanismos Termogênicos Alternativos
Mecanismos Termolíticos
São mecanismos criados para aumentar a perda de calor do
corpo humano
1.
2.
3.
4.
5.
6.
a)
b)
c)
d)
Aquecedores
Banhos quentes
Roupas de frio
Bebidas quentes
Aumento do fluxo sangüíneo periférico
Vasodilatação
Aumento da Freq. Respiratória
Evapotranspiração
Umidade Relativa do Ar
Sudorese
Aumento da Irradiação
Micção e Defecação
Mecanismos Termolíticos Alternativos
1.
2.
3.
4.
5.
Banhos Frios
Banho de álcool
Resfriamento da temp. ambiente
Bebidas geladas
Roupas leves
5
6