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Asignatura: fisio ambiental, Profesor: , Carrera: Biología, Universidad: UAM
Tipo: Apuntes
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El calor es el movimiento vibratorio de las partículas que componen la materia, pudiendo por tanto ser cualificado en unidades que contemplan la masa y la velocidad media del conjunto de dichas partículas. La temperatura es la intensidad de ese movimiento, o lo que es lo mismo, la energía cinética media con la que las partículas vibran.
Dentro del calor podemos distinguir entre la cantidad de calor y la intensidad del calor. Nosotros somos capaces de detectar la intensidad del calor, es decir, la temperatura, pero no la cantidad de calor.
Observaciones En el mantenimiento de sus relaciones térmicas, los organismos cuidan más la regulación de su temperatura que la de su cantidad de calor. Los fenómenos vitales se encuentran más relacionados con la primera. La calorimetría será de enorme utilidad en las observaciones relacionadas con la actividad metabólica. La necesidad de predecir con precisión los efectos del calentamiento global es una razón muy importante para estudiar las relaciones térmicas de los animales.
Unidades termométricas Termómetro: se fundamenta en la determinación de la dilatación de fluido por efecto de la temperatura.
FÍSICA DEL CALOR Y LA TEMPERATURA Calorimetría directa Si la temperatura de la cámara se mantiene constante se cumple que:
Constantemente se va perdiendo agua a través de la piel y a través de las superficies respiratorias. Por tanto hay que sumar el calor absorbido por la evaporación del agua por la piel y aparato respiratorio (0,58 cal/gramo 0 2,42 J/gramo).
Una caloría es la cantidad de energía que hay que aportar a 1 gramo de agua para que aumente en 1ºC la temperatura cuando se encuentra al 14,5ºC. 1J = 0,236 calorias; 1cal = 4,186J
El calor específico es la cantidad de energía que hay que aplicarle a 1 gramo de cualquier sustancia para que su temperatura se eleve en 1ºC.
La vida se desarrolla en unos márgenes de temperatura muy pequeños en comparación con las temperaturas que se pueden alcanzar.
La capacidad calórica es la relación entre la cantidad de calor aportada a un cuerpo y el incremento de la temperatura de este. Depende de su calor específico y de la masa. Cc = c x m
LA TEMPERATURA ES UN FACTOR FUNDAMENTAL EN LA VIDA ANIMAL La temperatura es muy importante para el mantenimiento de la vida porque:
CLASIFICACIÓN DE LOS ANIMALES SEGÚN LA TEMPERATURA
pero si razonable; este rango está determinado por una temperatura máxima efectiva y mínima efectiva a partir de las cuales la función sí que se deteriora. La zona de termoneutralidad es una zona delimitada por las temperaturas crítica superior y crítica inferior. Es un rango de temperaturas ambientales dentro del que el animal no tiene que desarrollar mecanismos termogénicos ni termolíticos, por lo que dentro de este rango el animal estará en su tasa metabólica basal (tasa metabólica: velocidad de consumo de energía). La temperatura letal es aquella que da lugar a la muerte de al menos el 50% de los individuos. Hay una temperatura letal máxima y una temperatura letal mínima.
La muerte por calor se debe a:
La muerte por frío se debe a:
DETERMINANTES DEL CALOR Y LA TEMPERATURA CORPORALES La temperatura de un animal depende de la cantidad de calor que tiene por unidad de tejido.
El calor fluye espontáneamente según los gradientes de temperatura. Los cuatro mecanismos por los que el calor se propaga son: conducción, convección, radiación y evaporación-condensación.
El flujo calórico es la cantidad de energía que fluye por unidad de tiempo a través de un área tomada como unidad. H (J/m 2 xseg) (Wxm 2 ). Factores que afectan a la transferencia de calor
Factores que afectan a la tasa de producción del calor
El área de intercambio efectiva es la parte de la superficie corporal que interviene en el intercambio calórico. El flujo se mantiene entre dos medios es bidireccional. Las modificaciones que puede experimentar son la proporción de superficie corporal que se protege y la postura corporal.
METABOLISMO ENERGÉTICO
Suma de procesos que permiten la adquisición, la transformación, la canalización funcional y la disipación de energía.
Los animales incorporan energía química de los alimentos y generan calor, energía química y trabajo externo. Todas las utilizaciones de la energía generan calor.
En la mayoría de los casos, para mantener las funciones hay que realizar un trabajo interno que conlleva una pérdida de energía en forma de calor. Se genera también trabajo externo, que conlleva una perdida calórica dentro y fuera del organismo. Todas las maniobras que se realizan a partir de la energía tomada de los alimentos generan calor. Todos los animales vivos producen calor y deben obtener energía de los alimentos durante toda su vida.
TASA METABÓLICA: SIGNIFICADO La tasa metabólica es la velocidad de consumo de energía. La tasa metabólica es la velocidad de conversión de energía quimia en calor y trabajo externo. El calor es el componente principal de la tasa metabólica.
La relación del peso del corazón respecto al peso total del animal se mantiene en los animales. Si los animales pequeños tienen un metabolismo más activo y un mayor consumo de oxígeno, pero la relación corazón/cuerpo es la misma que en animales grandes, la solución para mantener ese metabolismo es una mayor frecuencia de latido. Por ello, animales pequeños como los animales mueren antes. Hay por tanto una relación alométrica entre frecuencia respiratoria y tasa metabólica.
En cuanto a la frecuencia respiratoria, esta también es mayor en los animales más pequeños para mantener ese metabolismo tan activo.
Esto tiene importantes implicaciones ecológicas. La biomasa poblacional mantiene una correlación con el peso corporal. Las especies más pequeñas acumulan una mayor cantidad de contaminantes ambientales.
Causas de la correlación alométrica entre la tasa metabólica y el peso corporal
INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE EL ANIMAL Y EL AMBIENTE
CONDUCCIÓN TÉRMICA
Conducción térmica: propagación espontanea del calor en el seno de la materia, difundiendo a su través gracias a las propiedades de conductividad térmica que esta posee y según el sentido impuesto por el gradiente de temperatura.
El intercambio calórico por conducción: H (^) k = h (^) k x ∆T
La ley de Newton de la conducción del calor: H (^) k = k (Tm -Tn) x (A/L) El gradiente de temperatura es el motor del flujo calórico. En esta ecuación influyen mucho la forma y el tamaño del animal. La conductividad térmica es alrededor de unas 25 veces mayor en el agua que en el aire.
Aislamiento térmico Los diferentes tejidos también tienen diferentes conductividades. El tejido que menos conductividad térmica tiene es la grasa (aislante). El coeficiente de aislamiento térmico es la resistencia a la conductividad térmica: R (^) k = 1/k. El aislamiento térmico es un concepto fundamental en fisiología especialmente por la gran importancia que juega en los ambientes fríos; además es susceptible de regulación controlada, por lo que forma parte de los efectores que intervienen en la termorregulación.
Geometría de la propagación del calor De ellos dependen el área de intercambio efectiva y la distancia entre los puntos de intercambio. Las partes acras (extremos) son las que más rápidamente se enfrían. Se debe a que tienen poca masa de tejido y su Cc es baja, tienen una gran superficie de intercambio, la distancia media entre las zonas profundas y el exterior es muy corta y además habitualmente tienen poca protección. Estas razones pueden aplicarse a organismos pequeños.
Inercia calórica Es la propiedad que posee un cuerpo para mantener constante su temperatura a lo largo del tiempo a pesar de los cambios que pueda experimentar su entorno en ese sentido. Su magnitud depende de la capacidad calórica del objeto y del aislamiento térmico. Se puede expresar como: I (^) c = Cc x Rk
La regla de Bergman: en animales emparentados el tamaño es tanto mayor cuanto más frío es el ambiente. La ley de Allen dice que en el frío las partes acras son menos prominentes, son más redondeadas. Ejemplo: la liebre en el desierto tiene unas orejas mucho más grandes para desprender más calor. Regla de la piel: los mamíferos de climas fríos tienen una piel más gruesa y más tupida. Cuando el pelo no es suficiente para proteger del frío se buscan otros mecanismos de aislamiento como aumentar la capa de grasa.
H (^) c = h (^) c x ∆T
Aunque dependa de tantos factores, h (^) c es directamente proporcional a la raíz cuadrada de la velocidad del aire e inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la raíz del radio del objeto. Cuando el aire alcanza una gran velocidad, aunque esta aumente, el coeficiente no va a variar mucho.
La conducción y la convección están relacionadas en fisiología.
Intercambio calórico en el seno del organismo En animales pequeños, el calor se distribuye de manera uniforme exclusivamente mediante la conducción pero cuando el animal es más grande se requiere un proceso de convección para que el calor se distribuya de una manera conveniente por el organismo, de manera que cada parte del cuerpo tenga la temperatura adecuada.
El aparato circulatorio es el que se encarga de distribuir el calor por el organismo. Es el responsable de la principal corriente de convección calórica.
Núcleo y corteza Los tejidos y órganos que forman el núcleo son profundos, tienen una temperatura muy estable y son vulnerables a los cambios de temperatura, tienen un metabolismo constante, generalmente elevado. Los tejidos y órganos de la corteza son externos y envolventes, de temperatura variable, resistentes a los cambios de temperatura y con un metabolismo variable que es bajo en condiciones de reposo físico.
El aparato circulatorio es el que se encarga de mantener las temperaturas en núcleo y corteza, intercambiando temperatura entre uno y otro, para que la corteza no se enfríe demasiado ni el núcleo se caliente demasiado. Si se detiene la circulación, la corteza se enfría por estar expuesta al medio externo y el núcleo se calienta al no poder disipar el calor generado por su metabolismo. Los límites entre corteza y núcleo son variables, el núcleo y la corteza pueden cambiar de tamaño. De eso se encarga el aparato circulatorio, haciendo la corteza más grande o más pequeña. En condiciones de frio se produce vasoconstricción, se deja sin irrigación los tejidos más periféricos y la corteza aumenta; en condiciones de temperatura elevada ocurre lo contrario.
La vasoconstricción periférica:
La vasodilatación periférica:
Intercambio calórico entre el organismo y el ambiente En el ambiente que rodea al organismo, la convección permite renovar continuamente el fluido que se halla en contacto con el tegumento animal, esto es, aire o agua. Los movimientos convectivos que se producen en la naturaleza tienen como causa las diferencias de densidad que surgen en el seno de los fluidos cuando aparecen en ellos variaciones de temperatura. La convección suele ir asociada a la conducción, lo que tiene una gran importancia fisiológica.
Características del aire que afectan a sus propiedades convectivas
Para elevar 1ºC la temperatura de 1ml de aire solo se requieren 3,5x10 -4^ calorías.
Si la propagación calórica entre el organismo y el aire dependiese exclusivamente de mecanismos conductivos, las posibilidades de intercambio serían muy precarias.
La convección térmica espontanea es la que se origina por el calor producido por el cuerpo aunque este se encuentre inmóvil. La capa íntima convectiva se halla en una continua renovación. La velocidad de ascenso de aire es tanto mayor cuanto mayor sea la altura del cuerpo y cuanto más grande sea la diferencia de temperatura entre la piel y el aire. La continua renovación del aire gracias a la convección espontánea es imprescindible porque garantiza el mantenimiento del intercambio calórico e impide la reinhalación del aire espirado.
La convección térmica forzada está formada por todos aquellos fenómenos convectivos no originados por el calor de la superficie corporal. El ejemplo más universal es el viento. Los parámetros del viento son su dirección y su velocidad: viento real o velocidad absoluta del aire y viento aparente o velocidad relativa del aire. La perdida de calor por convección es igual a la raíz cuadrada de la velocidad del aire.
Características del agua que afectan a sus propiedades convectivas
PREGUNTAS
La procedencia de la radiación natural es la emisión solar y la emisión terrestre. El espectro radiante solar abarca muchas más longitudes de onda que la radiación terrestre, que solo abarca los rayos infrarrojos lejanos.
La radiación solar tiene una temperatura de 5800 K (5530ºC) y abarca los rayos infrarrojos próximos (46%), la luz visible (45%) y la radiación ultravioleta (9%). La radiación terrestre tiene una temperatura de 285K (15ºC) y abarca solo los rayos infrarrojos lejanos. La radiación solar que llega a la Tierra después de pasar por la atmósfera es menor que la que emite el Sol porque ha sido filtrada y reflejada por los gases atmosféricos. Estos gases son el O (^) 2, el N (^) 2, el O (^) 3, el CO 2 y el vapor de agua aunque también pequeñas cantidades de CH (^) 4, NO, etc.
Los gases monoatómicos filtran los ultravioletas, los poliatómicos filtran los infrarrojos.
Al ser interceptada por la materia, la REM puede experimentar tres fenómenos: reflexión, absorción o transmisión. El coeficiente de absorción o absorbancia (α): α = Wa /W (^) i
Cuerpo negro: Posee la máxima capacidad de emisión en todas las longitudes de onda. Cumple la condición de no reflejar en absoluto ninguna radiación que incide sobre él, ni transmitirla a su través de mono que esa energía es absorbida completamente. Radiación emitida: En un ser humano la temperatura media de la superficie de la piel está entre los 25 y los 30ºC. Se ha calculado que la emisión calórica por radiación, puede superar los 600W, o lo que es lo mismo, 8610/Kcal por minuto. Se ha equiparado este consumo energético al que necesita un atleta cuando corre a 9Km/h. Esto sería insostenible de no ser porque además de emitir energía, también la recibimos en grandes cantidades. Así, el balance a veces el positivo y a veces es negativo.
Frente a la radiación terrestre, que es de naturaleza infrarroja, casi todos los cuerpos tienen una absorbancia próxima a 1, independientemente del color. Frente a esta radiación todos los organismos se comportan como cuerpos negros.
Frente a la radiación solar la absorbancia está estrechamente ligada al color. Los colores claros tienen absorbancias bajas y los oscuros absorbancias altas.
Consideraciones
Biofísica de la piel frente a la REM
Según nos desplazamos en el espectro de rem y entramos en la zona de los rayos infrarrojos, hay claras diferencias entre el negro y el blanco; estas diferencias son mayores aun en la zona de la luz visible. En la zona de la radiación UV, la absorbancia de las pieles negras es mayor que la de las pieles blancas.
Los animales que pueden cambiar el color de la piel, pueden aumentar o disminuir el calentamiento de sus cuerpos por medio de la radiación solar. Mecanismo de aclimatación. Muchos mamíferos del desierto o zonas de alta irradiancia, cambian el color de sus pelajes. Ejemplo: gacela que en las estaciones de más calor, aclara su pelaje para reflejar más la radiación. En las zonas muy frías ocurre lo contrario.
En la atmosfera, las moléculas tienen una determinada temperatura y emiten una determinada radiación. Según ascendemos en la atmosfera esa temperatura disminuye, de manera que la temperatura media de todas esas moléculas es baja, muy inferior a la del aire que está en contacto con la tierra.
Cuando las temperaturas ambientales exceden las corporales el animal (mamífero) se calienta mucho. Para compensarlo, sobreviven en hipertermia, se sobrecalientan y pueden aguantar unas horas a temperaturas de hasta 45%; cuando baja un poco la temperatura, se desprende ese calor a través de las orejas, que están muy vascularizadas desvía la sangre hasta las orejas para perder calor a través de ellas por radiación.
El calor de vaporización es la cantidad de calor que necesita 1g de líquido para pasar al estado de vapor. Calor de vaporización del agua: 0,58 kcal/gramo (2427,88 Julios).
Hay dos tipos de glándulas sudoríparas:
El sudor apocrino se produce por motivos emocionales, por eso es el “sudor del miedo”. Lo producen unas glándulas apocrinas que se encuentran en las axilas, parpados, conductos auditivos, zona perianal y glándulas mamarias. Su composición está parcialmente dilucidada, mezclado con la secreción de las glándulas sebáceas porque está cercano a ellas. Es difícil estudia Tiene un olor característico. Tiene una función en los animales muy importante que es la función de marcación territorial. Es un estímulo provocado por catecolaminas humorales.
El sudor ecrino tiene una función principal termorreguladora. Las glándulas ecrinas son más abundantes y se encuentran por todo el organismo. Su composición está muy bien estudiada y es muy compleja: agua, electrolitos y compuestos no electrolíticos; tiene muchos componentes. El estimulo de secreción es el sistema nervios autónomo. Puede haber estimulación tanto simpática como parasimpática.
Muchas especies han desarrollado modos de aumentar la perdida respiratoria de calor mediante un incremento en el movimiento del aire por las mucosas bucales y las del tracto respiratorio superior.
Jadeo Ventajas:
Vibración golar Ventajas:
En los animales acuáticos se simplifican los intercambios térmicos En el agua los animales no pierden calor por evaporación. En agua es muy opaca a los rayos infrarrojos, intercepta la mayor parte de la radiación solar. El animal intercambia calor primariamente por conducción-convección.
TERMORREGULACIÓN
Termorreceptores centrales