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33 -- BBIIOOTTEERRMMOOLLOOGGIIAA

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.

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

unidade em outra. No caso da temperatura a fórmula para transformação de uma unidade em outra é:

5273

932

5−=−= kFC

Ex. 01 – Sabendo-se que a temperatura média do corpo humano é de 36 ºC, qual seria essa temperatura em ºF e K?

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 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

Temperatura

t Temperatura

t

E. Mecânica E. Térmica E. Química E Elét.

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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. 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.g-

1.ºC-1. Q = m.c. ∆θ ∆θ ∆θ ∆θ

Onde: “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

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.

Material C (cal.g-1.ºC-1) Água 1,000 Ferro 0,113 Alumínio 0,217 Vidro 0,199

Tabela 02: Densidade e Calor específico de alguns tecidos

humano. [kg/m ] e calor específico [J/(kg.K)].

Tecido [kg/m ] [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:

θα ∆=∆ .. 0LL 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

Fonte de Energia (1.000 J)

Trabalho Realizado

(600 J)

Energia Armazenada

(400 J)

Sistema Biológico

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de uma placa pro exemplo quando esta mesma é submetida a uma variação da temperatura. A dilatação superficial é dada pela fórmula:

θβ ∆=∆ .. 0SS 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:

θδ ∆=∆ .. 0VV 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

térmica é a seguinte; 321δβα ==

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:

lAK

Fluxoθ∆= ..

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.

Material K (cal.s-1.cm-1.ºC-1) Prata e Cobre 0,99 Alumínio 0,50 Ferro 0,19 Gelo 0,004 Água 0,00014

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

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.

Turbilhão Forno de Bier

Meio 1 Temperatura t1

Meio 2 Temperatura t2

Fluxo

l

A

Corrente de Convecção:

livre ou forçada

calor

Ar condicionado

+ denso - denso

calor

4

C) Conversão: Dá-se o nome de conversão à transformação de um tipo de energia qualquer em energia térmica. Um bom exemplo são as ondas-curtas, onde temos a transformação de ondas eletromagnéticas em calor. O ultra-som e o micro-ondas também são exemplos. 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. Ondas Curtas Lâmpada de Luz IV

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.

PELE

SISTEMA CIRCULATÓRIO

Atividade 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

Mecânica Química Elétrica Eletromagnética Nuclear

Térmica

5

Condições normais 26oC – Fluxo Sangüíneo Cutâneo 5% 36oC – Fluxo Sanguíneo Cutâneo 20% METABOLISMO

Regulação da Temperatura (Calor)

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 *

Mecanismos Termolíticos São mecanismos criados para aumentar a perda de calor do corpo humano

1. Aumento do fluxo sangüíneo periférico 2. Vasodilatação 3. Aumento da Freq. Respiratória 4. Evapotranspiração

Sudorese � Umidade Relativa do Ar 5. Aumento da Irradiação 6. Micção e Defecação

Mecanismos Termolíticos Alternativos

1. Banhos Frios 2. Banho de álcool 3. Resfriamento da temp. ambiente 4. Bebidas geladas 5. Roupas leves

36oC

26oC

20oC

15oC

05oC

Mecanismos Termogênicos 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:

a) Aumento do metabolismo b) Queima da gordura marrom

3. Evitam a perda

a) Eriçamento dos pêlos b) vasoconstrição

Mecanismos Termogênicos Alternativos

a) Aquecedores b) Banhos quentes c) Roupas de frio d) Bebidas quentes

36oC

26oC

30oC

35oC

45oC

6