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Producción de calor: tasa de metabolismo
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En condiciones de reposo, el calor se produce de manera primordial en las partes anatómicas del organismo denominadas centrales o nucleares, a pesar de que sólo representan un tercio de la masa corporal total (cuadro 87-1). Tras su producción, el calor es distribuido por todos los tejidos corporales a través de la sangre circulante. Durante la actividad física, como el ejercicio en sus muy distintas variaciones, los tejidos responsables de la producción de calor cambian de manera radical. Así, y en esta última circunstancia, los músculos esqueléticos son los tejidos responsables de la producción de calor al aumentar su metabolismo, mismo que puede llegar hasta 10 a 15 veces su nivel basal. En el ejercicio físico intenso el metabolismo puede aumentar desde 90 kcal/hora en reposo (1 MET), hasta más de 900 kcal/hora.
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Mecanismo de transferencia de calor en el organismo
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Una vez producido el calor, es transferido y repartido a los distintos óganos y sistemas. Este proceso se realiza por los mecanismos de conducción, convección y de intercambio de calor por contracorriente.
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Es el flujo de calor por gradiente (de mayor a menor áreas de concentración de calor). El fundamento físico es el de la transferencia de energía calorífica entre moléculas.
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Es la transferencia de calor a las distintas partes del organismo a través de la circulación sanguínea. Este mecanismo es, sin duda, el más importante. Los mecanismos convectivos minimizan las diferencias de temperatura entre las distintas partes del organismo. Los cambios en el flujo cutáneo son responsables de controlar la transferencia de calor entre la parte central o nuclear del organismo y la piel. La piel es un órgano complejo, cuyo flujo sanguíneo es controlado sobre todo por las necesidades termorreguladoras del organismo. En la piel, además de su rica red capilar y plexos venosos de gran capacidad, existen anastomosis arteriovenosas en las superficies palmares de manos y pies, así como en los dedos, orejas y nariz. Estas anastomosis tienen una gran importancia funcional, dado que a través de ellas se realiza una buena parte de la regulación de la temperatura. Su apertura o cierre, según las necesidades del organismo, conlleva ganancia o pérdida de calor.
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El flujo sanguíneo cutáneo excede con mucho las necesidades nutricionales de la piel. Esto contrasta con el flujo sanguíneo a otros tejidos, como el músculo esquelético, el cerebro o el miocardio. El flujo sanguíneo de la piel puede llegar a multiplicarse por 100 al pasar de un ambiente frío a otro caliente.
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Una piel caliente es un almacén de calor desde el cual la sangre puede redistribuirlo a otras partes del organismo. Esta redistribución es controlada por el sistema nervioso simpático a través del control de arteriolas y vénulas. Precisamente, y debido a que las venas cutáneas contienen la mayor parte de este volumen sanguíneo de reserva, la constricción venosa desempeña una función muy importante en esta función de almacén de la piel. En resumen, el flujo sanguíneo cutáneo representa un mecanismo muy efectivo para impedir o permitir la pérdida de calor del organismo.
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Mecanismo de intercambio de calor por contracorriente
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La temperatura sanguínea no se mantiene constante en todos los vasos sanguíneos (figura 87-4). Así, por ejemplo, en el caso de una persona que se encuentre en reposo en un ambiente de temperatura neutra y, por tanto, cómoda, la temperatura de la sangre en las arterias braquial y radial es de alrededor de 36.5 y 36 °C, respectivamente. Sin embargo, si a este individuo se le cambia a un ambiente frío, dichas temperaturas descienden a valores de 31 y 21 °C, respectivamente. Es extraordinario el hecho de que estos cambios vasculares vegetativos (vasoconstricción) ocurren sin que el individuo experimente malestar. Con el frío, las venas superficiales se constriñen y el retorno de sangre al corazón se realiza a través de venas profundas. Así, la sangre arterial se enfría a medida que fluye por el brazo hacia los dedos, debido a que cede calor a la sangre fría que fluye en dirección opuesta, hacia el corazón, por las venas profundas adyacentes. De esa manera, la sangre arterial que sale del ventrículo a una temperatura aproximada de 37 °C se enfría hasta llegar a unos 16 °C en el recorrido que va del corazón hasta la mano. En forma paralela, la sangre venosa de retorno se va calentando y al llegar al nivel del hombro lo hace a una temperatura de casi 38 °C, lo que indica la eficiencia de este mecanismo de intercambio de calor por contracorriente.
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En un ambiente cálido la sangre es desviada hacia el plexo venoso superficial, de este modo se evita el mecanismo por contracorriente. Esto da lugar a que grandes cantidades de calor sean transferidas hacia el ambiente. Los cambios de flujo sanguíneo de la piel referidos al brazo, se producen de forma similar en la pierna.
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Intercambio de calor con el ambiente
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La transferencia de calor entre el organismo y el ambiente se realiza a través de la superficie de la piel por los mecanismos de radiación, conducción, convección y evaporación (figura 87-5). El intercambio de calor por los tres primeros mecanismos depende del gradiente térmico que exista entre la piel y el ambiente. Sin embargo, la pérdida de calor por evaporación depende sólo del gradiente de presión de vapor de agua que exista entre la piel y el medio. Cuando la producción de calor es igual a su pérdida, existe un estado denominado de balance térmico durante el cual la temperatura central del organismo se mantiene constante.
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Es la transferencia de calor por ondas electromagnéticas infrarojas entre la piel y los objetos que la rodean. Se puede ganar o perder calor por radiación, en función de si la piel se encuentra más fría o más caliente que los objetos del entorno.
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Es la transferencia de calor molécula a molécula, en sólidos, líquidos o gases; se trata de un mecanismo dependiente de la conductividad de la sustancia y de las diferencias de temperatura entre los puntos de contacto. En condiciones normales este mecanismo es poco significativo para el organismo, dado que raras veces áreas muy extensas de la piel se ponen en contacto directo con objetos del medio. Sin embargo, en condiciones especiales este mecanismo se convierte en uno de los más importantes en la pérdida de calor. Así ocurre, por ejemplo, con una persona que permanece inmóvil dentro de una piscina. En este caso, se pierde gran cantidad de calor por transferencia desde la piel a las moléculas frías del agua; es evidente que habría ganancia de calor si el agua se encontrara a una temperatura superior a la de la piel, por tanto, mediante este mecanismo, como ocurre con la radiación, es factible ganar o perder calor.
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Es un concepto limitado a los fluidos (líquidos o gases). Cuando moléculas más calientes entran en contacto con otras más frías, las primeras transfieren calor a las segundas por conducción y éstas se alejan. Este mecanismo, al igual que los anteriores, tiene la facultad de hacer ganar o perder calor al organismo.
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Este proceso se basa en el hecho de que la transformación de cualquier líquido en vapor, sin cambiar su temperatura, requiere calor. Para que se evapore 1 g de sudor de la superficie de la piel se requieren aproximadamente 0.58 kcal, las cuales se obtienen de la piel. De este modo, la evaporación del sudor es un mecanismo por medio del cual se enfría la piel y en consecuencia, el organismo. Sin duda, en condiciones normales ésta es la principal vía de pérdida de calor. En contraste con los mecanismos de intercambio de calor mencionados antes, la evaporación sólo puede provocar pérdida de calor.
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El hecho de que la temperatura corporal central se mantenga relativamente constante, indica la existencia de un balance entre la ganancia y la pérdida de calor. Cuando tal equilibrio existe, no hay cambio en la temperatura media del organismo ni en la cantidad de calor almacenado. Este concepto se representa en la figura 87-5 en forma de balanza. El organismo produce una determinada cantidad de calor en el proceso catabólico de los principios inmediatos y pierde, del mismo modo, una determinada cantidad de calor por los mecanismos ya descritos, sobre todo los de radiación, convección y evaporación.
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Es claro que ciertos factores, como enfermedades, consumo de alimentos, tiritonas y el ejercicio físico aumentan la producción de calor y tienden a elevar el balance térmico, con lo que se eleva la temperatura central del organismo. Por el contrario, una pérdida de calor se produce suprimiendo ropas, incrementando la superficie del organismo expuesta al ambiente, aumentando el flujo sanguíneo a través de los plexos superficiales venosos y por la sudación.
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Los factores externos que determinan la pérdida de calor son la temperatura y la humedad del aire, la velocidad de las corrientes de aire, y la temperatura de los objetos que están alrededor del organismo. A una temperatura ambiental de 35 °C, los mecanismos de pérdida de calor descritos prácticamente se vuelven ineficientes y toda posibilidad de pérdida de calor por el organismo se produce por la evaporación del sudor, que en este caso adquiere una importancia vital. Es interesante saber que para elevar 1 L de agua desde 0 hasta 100 °C se requieren 100 kcal, pero para evaporar esta misma cantidad de agua se requiere un gasto seis veces mayor. La tasa de evaporación de agua es inversamente proporcional a la humedad relativa del aire, entendiendo esta última como la proporción entre la cantidad real de humedad del aire y la cantidad mayor que podría contener dicho aire a una determinada temperatura. Es decir, cuando el aire está saturado de humedad a una determinada temperatura se dice que la humedad relativa (HR) es de 100%. En ese ambiente cesa toda evaporación. Sin embargo, si en esas condiciones de temperatura y HR se aumenta la temperatura ambiente, la humedad relativa desciende. Suponga una situación en la que la temperatura del aire está a −6 °C y una HR de 50%. En esas condiciones, si la temperatura de este aire asciende hasta 24 °C, la HR se reduce a 10%.
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La HR, además de influir sobre la cantidad y rapidez de la evaporación del agua de la piel, también influye en el calor que ésta pierde a través del mecanismo de conducción. Así, a mayor humedad en el aire, mayor conductividad del calor. Otro factor importante, ya mencionado, es la velocidad del aire, aspecto que debe ser especialmente tomado en cuenta en personas que no están protegidas por ropas adecuadas. Así, por ejemplo, en una situación en la que la temperatura ambiente sea de −18 °C, si la velocidad del aire es de 16 km/h, un individuo expuesto a estas condiciones en realidad soportaría una temperatura real equivalente a −30 °C. Si un individuo está en balance térmico, la ganancia es igual a la pérdida de calor:
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Es interesante el hecho de que existen diferencias significativas en cuanto al balance térmico entre el hombre y la mujer. En general, para determinadas condiciones, la mujer tiene ciertas ventajas fisiológicas sobre el hombre respecto a la capacidad de regular la temperatura corporal. Por ejemplo, en un rango de temperaturas ambientales de 27 a 32 °C, la mujer puede mantener un balance térmico con tan sólo modificar el flujo sanguíneo a la piel, mientras que en las mismas condiciones el hombre empieza a tiritar por debajo de 28 °C y a sudar por encima de 31 °C. Además, en reposo y en un ambiente cálido, la mujer tiene la capacidad de disminuir su tasa de metabolismo basal; es decir, produce menos calor con lo cual, lógicamente, tiene menos calor que disipar.
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En un ambiente frío, entre 22 y 28 °C, la mujer pierde menos calor por conductividad. Esta capacidad es atribuida a la capa más gruesa del tejido graso subcutáneo que posee y quizá también a su mayor capacidad para reducir con eficiencia el flujo sanguíneo a la piel. Estos factores hacen que, en un ambiente frío, la mujer tenga la piel más fría que el hombre y, por tanto, temperaturas corporales menores. Esto último podría explicar por qué a una temperatura dada la mujer siente más frío que el hombre. En un ambiente cálido, entre 30 y 36 °C, la capacidad de pérdida de calor aumenta con mayor rapidez en la mujer que en el hombre, un indicativo de su mayor control del flujo sanguíneo periférico. En contraste, sin embargo, el comienzo de la sudación (pérdida de calor por evaporación) es más tardío y progresa con más lentitud en la mujer que en el hombre.
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Cambios en el contenido de calor del organismo
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En situaciones en que no existe balance térmico, por ejemplo, cuando la temperatura corporal asciende o desciende, el organismo gana o pierde calor almacenado. Los cambios en el contenido o almacén de calor del organismo se pueden calcular con la fórmula siguiente:
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S = calor almacenado del organismo
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0.83 = constante referida al calor específico de los tejidos corporales expresado en kcal/kg/°C
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T1 y T2 = temperaturas al comienzo y final de un periodo determinado
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Considere un ejemplo sencillo de lo anterior: imagine a un hombre con un peso de 70 kg, en situación de reposo, en una habitación a una temperatura ambiente de 35 °C (la misma a la que se encuentra su propia piel) y una humedad relativa de 100%. Suponga que su tasa de metabolismo basal es de 90 kcal/h, ¿cuál sería su temperatura después de tres horas? Utilizando la fórmula antes expuesta, cabría calcular la cantidad de calor necesario para aumentar la temperatura de su cuerpo en 1 °C:
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Por otra parte, después de tres horas el organismo de este individuo producirá:
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Dado que la temperatura de la piel es igual a la del ambiente y la HR del aire es de 100%, no se puede perder calor por ninguno de los mecanismos ya conocidos. Por ello, en tres horas la temperatura corporal de este individuo ascendería a más de 41 °C:
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Como es obvio, una elevación de la temperatura corporal a estos niveles puede ser fatal al producir un choque térmico. Aunque este ejemplo es hipotético, existen múltiples circunstancias de la vida real en las que ocurren situaciones muy parecidas. Tales casos se dan, por ejemplo, en la minería, en los altos hornos, en la práctica del rugby (u otros deportes de ese tipo) o cuando algunas personas intentan perder peso realizando ejercicios en saunas. El médico en la práctica conoce la incidencia de casos que cada año ocurren por estas circunstancias.