27/2/09

¿Por qué soportamos menos el frío dentro del agua? 1

Editado: Dadas las sugerencias de Thompson ahora este post lleva un "1" puesto que llevará una continuación.

Cuando el personaje de Leonardo di Caprio muere en Titanic, se encuentra dentro del agua y el agua está líquida, esto implica que está por encima de 0º.C Y muere en pocos minutos. Si cualquiera de nosotros sale desnudo a la calle con, por ejemplo, cuatro grados de temperatura, lo peor que puede pasar es que cojamos un resfriado, pero dudo mucho que muriésemos ni si quiera si pasamos todo el día en esas condiciones. A una temperatura de 4ºC una persona sumergida en agua sin ningún tipo de protección especial viviría entre 5 y 10 minutos. Si por ejemplo la temperatura ambiente son 15ºC, dentro del agua sentiremos frío y sin embargo fuera nos parece una temperatura agradable.

La respuesta a este fenómeno no está en la temperatura exterior (que podría ser exactamente la misma) sino en el calor que el cuerpo humano pierde. Cada sustancia requiere una cantidad de energía (calor) para elevar su temperatura. Por ejemplo, para elevar hasta 1ºC la temperatura de un gramo de agua pura se requiere una caloría. Sin embargo, para elevar 1ºC la temperatura de un gramo de aire se requieren sólo entre 0,1 y 0,2 calorías en función de la presión y el volumen. A este concepto se le llama calor específico. Hay que tener en cuenta que las calorías de las que se habla en las dietas no son calorías sino kilocalorías.

El cuerpo humano se encuentra a una temperatura de unos 36 o 37ºC y no está diseñado para evitar grandes pérdidas de calor, es decir, nuestra piel sólo es un pequeño aislante, nada más, por lo que es fácil transmitir nuestra energía térmica a otros cuerpos. En el mismo momento que entramos en agua a por ejemplo 4ºC nuestro cuerpo empieza a perder energía (a transferírsela al agua), igual ocurre con el aire. La diferencia está en la cantidad de energía necesaria para calentar el aire que nos rodea y el agua que nos rodea si estamos sumergidos. Para hacernos una idea, 1 litro de agua pura tiene una masa de un kilogramo. Sin embargo, un litro de aire (es decir el que cabe dentro de una botella de un litro vacía) pesa alrededor de 1,3 gramos. Hay que recordar además que nuestro cuerpo está diseñado para vivir a esos 36-37ºC y que bajar de 34ºC es muy peligroso, por supuesto bajar de 30 es mortal. También hay que tener en cuenta que nuestro cuerpo es una factoría de calor y que por ello, incluso aunque estuviésemos postrados en una cama, necesitaríamos alimentarnos puesto que de los alimentos se obtiene la energía no sólo para movernos sino también para mantener el cuerpo a la temperatura adecuada.

Imaginemos que nos metemos en una tanque cúbico lleno de agua de dimensiones 9 metros cúbicos. Es decir ese tanque tiene una capacidad de 9 metros cúbicos o lo que es lo mismo 9000 litros. Si el agua fuese pura y estuviese a 4ºC pesaría 9000 kilogramos, o lo que es lo mismo 9000000 (nueve millones de gramos). Para elevar un solo grado la temperatura del agua del tanque se requerirían 9000000 de calorías o 9000 kilocalorías. La dieta de una adulto, sano y activo ronda las 2000-2500 calorías y un ciclista en pleno tour de Francia ingiere entre 6000 y 8000 calorías. Es decir nuestro cuerpo perdería rápidamente y para elevar tan sólo un grado la temperatura del agua una cantidad de energía equivalente a la comida de cuatro días. Por supuesto nuestro cuerpo no puede soportar una pérdida de energía tan rápida y en pocos minutos habríamos muerto.

Sin embargo, ¿qué ocurre si nos metemos en el mismo tanque esta vez lleno de aire a 4ºC? los 9000 litros de aire pesarán unos 11,7 kilogramos que para redondear lo dejaremos en 12Kg. esto son 12000 gramos. multiplicado por el calor específico del aire, pongamos que en este caso sea 0,2cal/K·gr: 12000x0,2= 2400 calorías, es decir, 2,4 kilocalorías para elevar todo el tanque 1ºC, o sea que para elevarlo por ejemplo 33ºC y ponerlo a nuestra temperatura corporal sólo requeriremos 2,4x33=79,2kilocalorías. Esta cantidad es equivalente a lo que se gasta en diez minutos de carrera. Algo más que asumible para el cuerpo humano.

8 comentarios:

  1. Qué interesante. De hecho,no me habría planteado la pregunta si no fuera porque me lo comentaste el otro día... ¡Realmente nunca me había fijado!

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  2. ¡No me jodas que Di Caprio muere en Titanic!

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  3. Dani, lo que dices es absolutamente cierto... Pero para joder un poco, te animo a cerrar el tema con una explicación sobre la transmisión del calor, que también cambia mucho dependiendo de si el medio es agua o aire... Y, de paso, serviría de explicación a por qué sientes más frío si hay viento o corriente o por qué se calientan las cosas en la vitrocerámica.

    Salu2

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  4. interesante, tron. Por cierto, he sacado un 8,5 en física... jaja no cayó nada del carbono 14, pero sí del cobalto 60, así que estupendo... jeje
    Veo que ya no lo tienes tan abandonado.

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  5. Me gusta mucho el blog, que acabo de descubrir hace unas horas. Pero en este artículo creo que te falla un poco el enfoque, en la línea de lo que Tompson dijo y yo quiero profundizar. Por cierto, no he encontrado la continuación, no sé si porque no existe o porque no busqué bien.

    Bueno, centrándonos en la materia, tu enfoque es desde un punto de vista termodinámico en lugar de uno de transmisión de calor. La termodinámica te indica la cantidad de calor que se va a transferir (y, por supuesto, en qué sentido). Por eso puedes hacer el cálculo de la cantidad de energía que es necesario aplicar a un cierto volumen de agua y de aire para aumentarlo un grado, siendo mucho mayor en el caso del agua, debido a que su capacidad calorífica es muy superior. Sin embargo, lo que importa para morir de hipotermia (o sea, de frío) es la velocidad con la que pierdes esa energía. Eso no te lo da la termodinámica, sino la transmisión de calor. Lo que determina si te mueres en minutos o en días es la cantidad de calor que pierdes por unidad de tiempo. Y para eso, es necesario hablar de la transmisión de calor por convección (que es la que mayoritariamente se da en ambos casos), y de la "h" que aparece en la ecuación (coeficiente de convección). Dado que dicho coeficiente es mucho mayor en el agua que en el aire, en el agua cedes energía mucho más rápidamente. En el fondo, las temperaturas del agua y del aire pueden considerarse constantes, puesto que te encuentras en el mar o al aire libre, y por mucho calor que desprendas no vas a lograr calentar el fluido (al menos, a partir de una cierta distancia). El valor de dicho coeficiente varía dependiendo de la velocidad a la que se mueva el fluido (el aire o el agua), por lo que no tiene un valor fijo. A mayor velocidad del fluido, mayor valor del coeficiente. Esta es la razón por la cual cuando sopla el viento la sensación de frío es mayor, puesto que aunque la temperatura es la misma, las calorías que nuestro cuerpo desprende por unidad de tiempo son mayores. Por tanto, la razón por la que te mueres antes es la "h", y no la "C".

    Resumiendo, y para aclarar conceptos: con la capacidad calorífica se puede determinar el calor que hay que suministrar a una masa para que se produzca un determinado aumento de su temperatura. Sin embargo, no se tiene con ello ninguna información del tiempo que tardará en producirse dicho aumento. El tiempo que tardas en morirte de hipotermia viene determinado por: (calorías totales que puedes perder)/(calorías que pierdes por unidad de tiempo). Y las calorías que pierdes por unidad de tiempo se determinan con la ley de enfriamiento de Newton, en donde aparece el mentado coeficiente de convección.

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  6. Y los animales acuáticos suponemos que deben tener algún mecanismo que dificulte la pérdida de temperatura corporal.¿O no?

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  7. Pues los mamíferos y aves acuáticas por supuesto lo tienen (pelo, plumas, grasa...). El resto son de sangre fría así que no lo necesitan.

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  8. Claro y concreto, pero una objección... 3·3·3=27, no 9 m3...

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