Mekanisme panas secara fisika

Mekanisme Panas : Karena ada benda asing yang masuk kedalam tubuh, sementara tubuh melakukan perlawanan dengan mengundang sel-sel radang sehingga proses metabolisme meningkat Metabolisme : Perubahan energi yang terjadi didalam tubuh

Termodinamika pada saat divaksinasi

• Fungsi pertahanan tubuh mausia bekerja baik pada temperatur demam, dibandingkan suhu normal. IL-1 dan pirogen endogen lainnya akan mengundang lebih banyak leukosit dan meningkatkan aktivitas mereka dalam menghambat mikro-organisme.

• Demam juga memicu pertambahan jumlah leukosit serta meningkatkan produksi/fungsi interferon (zat yang membantu leukosit memerangi mikroorganisme).

• Demam biasanya terjadi akibat tubuh terpapar infeksi mikroorganisme (virus, bakteri, parasit)

• Demam juga bisa diakibatkan oleh faktor non infeksi seperti kompleks imun, atau inflamasi (peradangan) lainnya

• Ketika bakteri atau virus masuk ke jaringan atau kedalam darah, keduanya akan difagosit oleh sel darah putih atau leoksit, makrofag jaringan dan limfosit pembunuh bergranula besar. Seluruh sel ini selanjutnya mencerna hasil pemecahan bakteri dan melepaskan zat interleukin-1 kedalam cairan tubuh, yang disebut pirogen leukosit(pirogen endogen) yaitu zat penyebab demam yang selanjutnya memicu produksi prostaglandin E2 dihipotalamus anterior yang kemudian meningkatkan nilai ambang temperatur dan terjadilah demam.

Hukum pertama termodinamika

• Hukum pertama termodinamika berhubungan dengan cara suatu sistem memperoleh energi dari lingkungan atau kehilangan energi ke lingkungan.

• Kita mendefenisikan energi dalam sistem sebagai jumlah total semua energi molekul pada sistem.

• Perubahan energi dalam pada sistem yang tertutup U, akan sama dengan kalor yang ditambahkan ke sistem dikurangi kerja yang dilakukan oleh sistem sbb : U = Q - w

Metabolisme Manusia dan Hukum pertama thermodinamika

• Manusia dan Hewan melakukan kerja, sementara kerja membutuhkan energi.

• Energi dibutuhkan untuk pertumbuhan, membuat sel-sel baru, untuk mengganti sel-sel lama yang telah mati.

• Banyak proses perubahan energi yang terjadi pada suatu organisme dan proses ini disebut sebagai Metabolisme.

Apa yang dilakukan tubuh ketika suhu tubuh meningkat?

• Pada dasarnya tubuh selalu mempertahankan suhunya tetap lebih tinggi dari suhu lingkungannya

• Pada lain pihak tubuh selalu mempertahankan suhu tubuh tetap konstan walaupun suhu lingkungan berubah

• Tubuh dalam mempertahankan suhunya tetap konstan dengan melakukan reaksi berantai antara produksi panas dan kehilangan panas.

Bagaimana panas dapat masuk dan keluar lingkungan?

• Kalor dapat masuk/ keluar ke tubuh/dari tubuh melalui kulit dengan cara :

1. Konduksi 2. Konveksi3. Radiasi 4. Evaporasi

Konduksi

• Konduksi adalah perpinalahan panas dari suatu objek yang suhunya lebih tinggi ke objek lain yang suhunya lebih rendah dengan jalan kontak langsung.

• Berdasarkan teori kinetik dimana energi kinetis dihantarkan dari satu molekul ke molekul yang lain dengan jalan menumbuk molekeul yang lain sehingga menimbulkan hantaran panas melalui konduksi

L

AT1 T2

ΔQ = K.A (T1 – T2) Δt L

Kecepatan aliran kalor juga bergantung pada ukuran, bahan dan bentuk benda

Ahli-ahli faal sangat tertarik mengenai aliran panas molekul melalui dua material yang berbeda

Kulit Udara

x x

Q = JQ

A.t

Joule

m2.s

T1 T2Ti

JQ = - Ks.Ka (T2-T1)

(Ks +Ka) x

Keterangan

• Ks = Koefisien konduktivitas kulit (Skin)• Ka = koefisien konduktivitas udara (Air) • (T2-T1) = Perbedaan suhu antara udara

dan kulit

TABEL KONDUKTIVITAS

Zat Konduktivitas Termal,KK.kal/S.m˚c

J/s.m˚c

Perak 10x10-² 420Tembaga 9,2x10-² 380Alumunium 5,0x10-² 200

Jaringan tubuh manusia

0,5x10-4 0,2

Udara 0,055x10-4 0,023

Soal latihan• Seseorang yang sedang kuliah di ruangan ber

AC dimana suhu ruangan 17oC pada kondisi normal tentukanlah kecepatan perpindahan kalor dari tubuh kelingkungan persatuan luas tubuh orang tersebut jika ketebalan kulit 2 mm dan koefisien konduktivitas kulit dan udara adalah 0,2 J/s m oC dan 0,023 J/s m oC.

• Seseorang yang sedang deman (40 oC) berada di ruangan ber AC dimana suhu ruangan 18 oC. Tentukanlah kecepatan perpindahan kalor dari tubuh kelingkungan persatuan luas tubuh orang tersebut jika ketebalan kulit 0,8 mm dan koefisien konduktivitas kulit dan udara adalah 0,2 J/s m oC dan 0,023 J/s m oC.

Perpindahan kalor secara konveksi• Konveksi adalah proses dimana kalor ditransfer

dengan pergerakan molekul dari satu tempat ke tempat yang lain.

• Konveksi melibatkan pergerakan molekul dalam jarak yang besar.

• Ada dua jenis konveksi, yaitu konveksi alamiah dan konveksi paksa pada konveksi alamiah, pergerakan fluida terjadi akibat perbedaan massa jenis.bagian fluida yang dipanasi memuai dan massa jenisnya menjadi lebih kecil sehingga bergerak keatas.

Laju kalor konveksi• Laju kalor ∆Q/∆t ketika sebuah benda panas

memindahkan kalor ke fluida sekitarnya secara konveksi adalah sebanding dengan luas permukaan benda A yang bersentuhan dengan fluida dan beda suhu ∆t diantara benda dan fluida

• ∆Q = h.A.∆T joule ∆T = T2 - T1 ∆t det Dengan h adalah koefisien konveksi yang nilainya bergantung pada

bentuk dan kedudukan permukaan, yaitu tegak, miring, mendatar menghadap kebawah atau keatas. Nilai h diperoleh secara percobaan. Sebagai contoh, nilai h untuk tubuh manusia adalah 7,1 Js -1 m-2 k -1

Perpindahan kalor secara radiasi

• Transfer kalor secara radiasi terjadi tanpa media apapun.

• Semua kehidupan dibumi tergantung pada transfer energi dari matahari dan energi ini di transfer kebumi melalui ruang hampa

• Kecepatan sebuah benda merediasikan energi sebanding dengan pangkat empat temperatur mutlak (T), luas A dari benda yang memancarkannya, sehingga dapat dinyatakan dengan : ATet

Q 4

• Evaporasi adalah peralihan panas dari bentuk cairan menjadi uap.

• Manusia kehilangan sekitar 9x10 ³ kaori/ gram melalui penguapan paru-paru.

• Kehilangan panas lewat evarosi dapat terjadi apabila :1. Perbedaan tekanan uap antara keringat pada kulit dan

udara ambien. 2. Temperatur lingkungan tinggi dari normal sehingga

evavorasi terjadi melalui keringat 3. dapat terjadi dan dapat menghilangkan panas dari tubuh.4. apabila temperatur basah kering di bawah temperaur

kulit.5. Adanya gerakan angin. 6. Adanya kelembaman

Evaporasi

EFEK PANAS• Jelas apabila energi panas mengenai salah satu

bagian tubuh akan menaikan temperatur daerah tersebut. Efek panas dibagi tiga grup :

1.Fisik• Panas menyebabkan zat padat dan gas

mengalami pemuaian kesegala arah, kecuali zat cair justru memuai kalau didinginkan (contoh, es batu ).

• => pemuaian => pelebaran pembuluh darah

2. Biologis

•Efek panas terhadap tubuh merupakan sumasi dari efek panas secara fisik dan kimia. Adanya peningkatan sel darah putih secara total dan fenomena reaksi peradangan serta adanya dilatasi ( pelebaran ) pembuluh darah yang mengakibatkan peningkatan sirkulasi darah serta peningkatkan tekanan kapiler, Tekanan O2 dan CO2 didalam darah akan meningkat sedangkan PH darah menurun.

3.Kimia •Kecepatan reaksi kimia akan meningkat dengan peningkatan temperatur. Hal ini terlihat pada reaksi oksidasi. Permeabilitas membaran sel akan meningkat sesuai dengan peningkatan suhu, pada jaringan akan terjadi peningkatan metabolisme seiring dengan peningkatan pertukaran antara zat kimia tubuh dengan cairan tubuh.

Human body temperature control

• If the core temperature rises above 37°C, the core temperature sensors in the brain signal this increase. This has several effects that produce results opposite to those described for a fall in core temperature. The brain now sends messages to the blood vessels in the skin causing them to dilate (have a larger diameter). More blood carrying heat from the core is brought to the surface outside the insulating fat layer. The blood is cooled by heat loss to the environment.

• If the core is not sufficiently cooled, sweat glands (Kelenjar keringat) in the skin are activated so that the skin surface is moistened (dibasahi). Evaporation of the sweat cools the blood.

• The nerve signals (sinyial syaraf) from the heat sensors in the skin cause us to have a sensation of being hot. As a result, we may make behavioural changes like seeking the shade (mencari tempat yang teduh), reducing clothing (menggunakan pakiaian yang lebih tipis), turning on a fan and reducing muscular activity to a minimum.

Heat Exchange between the Human Body and the Enviroment 

• 1.1    Human Response to heat Cold Environment:     shivering

Hot Environment:   sweat• 1.2 Heat Balance Equation

• S = M – W - E – Q 1• where S = rate of heat storage of human body, W/m2• M = metabolic rate of human body, W/m2• W = mechanical work produced by human body, W/m2• E = rate of total evaporative loss due to evaporation of

sweat, W/m2• Q = total rate of heat loss from skin (dry heat exchange),

W/m2

1.2.2 Metabolic Rate

• (a) degree of muscular activities,• (b) environmental conditions, and• (c) body size.

• The unit of the metabolic rate is known as 'met'. which is equivalent to 58.2 W/m2. Some values of metabolic rates for various typical activities are presented in Table 1.

Table 1 Metabolic RatesActivity

Metabolic Rate(Met)

Activity Metabolic Rate(Met)

RESTING SleepingRecliningSeated, quietStanding, relaxedWALKINGDOMESTIC WORK, WOMENHouse cleaningCookingWashing by hand and ironingShoppingOFFICE WORKTypingMiscellaneous office workDraftingLEISURE ACTIVITIESStream fishingCalisthenics exerciseDancing, socialTennis, singlesSquash, singlesBasketball, half court, intramuralWrestling-competitive or intensiveGolf, swimming and walkingGolf, swinging and golf cart

0.70.81.01.2

2.0-3.82.0-3.41.6-2.02.0-3.61.4-1.81.2-1.41.1-1.31.1-1.31.2-2.03.0-4.02.4-4.43.6-4.65.0-7.25.0-7.27.0-8.71.4-2.61.4-1.8

MISCELLANEOUS OCCUPATIONS BakeryBreweryCarpentryMachine sawing, tableSawing by handPlanning by handFoundry workUsing a pneumatic hammerTending furnacesGarage workGeneral laboratory workMachine workLightHeavyShop AssistantTeacherWatch repairer, seatedVehicle drivingCarMotorcycleHeavy vehicleAircraft flying routineInstrument landingCombat flying

1.4-2.01.2-2.41.8-2.24.0-4.85.6-6.43.0-3.45.0-7.02.2-3.01.4-1.82.0-2.43.5-4.5

2.01.61.11.52.03.21.41.82.4

1.2.3 Mechanical Work

External work developed by the human body is positive while mechanical impact acted on the human body is said to be negative.

1.2.4 Evaporative Heat Loss• Evaporative heat loss consists of two components:• (a) Respired Vapour Loss, Eres (Kehilangan uap melalui

pernapasan) • (i) Latent Respiration Heat Loss, Erel (kehilangan panas

melalui pernapasan yang tidak terlihat)• (ii) Convective or Sensible Respiration Heat Loss, Erec

(kehilangan panas dengan konveksi)• Evaporative heat loss from skin surface has two parts:• (i) Evaporative Heat Loss by Skin Diffusion, Edif• (ii) Heat Loss due to Regulatory Sweating, Ersw

• Mathematically, Evaporative heat loss is expressed as:•                                                                                                      

(b) Evaporative Heat Loss from Skin Surface, Esk

• Evaporative heat loss from skin surface has two parts:

• (i) Evaporative Heat Loss by Skin Diffusion, Edif• (ii) Heat Loss due to Regulatory Sweating, Ersw• Mathematically, Evaporative heat loss is

expressed as:

(2)

E E E E E E Eres sk rel rec dif rsw

1.2.5 Dry Heat Exchange• Dry heat exchange represents the heat exchange between the

human body and the environment through convective and radiative heat transfer

• 1.3 Effect of Clothing Insulation• (a) Thermal Insulation of Clothing• The addition of thermal resistance due to clothing affects heat

transfer mechanisms between the human body and the environment. "Clo" value is a numerical representation of a clothing ensemble's thermal resistance, 1 Clo = 0.155 m2K/w.

• (b) Evaporative Resistance of Clothing• The evaporative resistance is a measure of moisture

permeability which affects the latent heat transfer from the skin through the clothing layer and affects evaporative heat loss from skin surface Esk.

Table 2 'Clo' Values for Clothing

Clothing combination

Clo m2K/W

Naked ShortsTypical tropic clothing outfitLight summer clothingWorking clothsTypical indoor winter clothing combinationHeavy traditional European business suit

0 0.10.30.50.81.01.5

0 0.0180.0470.0780.1240.1550.233

• Figure 1 shows the heat exchange between clothed and nude occupant and the environment at various operative temperatures (see Section 4.1). Figure 1 is interpreted as follows:

• (a) When the metabolic rate is about 1 met (58.2 W/m2) , there is no body cooling nor body heating at an operative temperature of about 25.5 oC for light clothed person and 31 oC for nude person.

• (b) When the operative temperature drops to lower values, the dry heat exchange is increased and the evaporative heat loss is mainly respired vapour loss. The skin temperature and the temperature of superficial and deep tissues drop, resulting in a negative heat storage.

• (c) When the operative temperature exceeds 29 oC, the rate of evaporative heat loss is significantly increased in order to counterbalance the reduction of dry heat exchange to maintain the thermal equilibrium.

• (d) The body temperature tends to rise only when the body is entirely wet, and the evaporative heat loss is inadequate. There exists a positive rate of heat storage.

• (e) Body temperature above 43 oC may cause death.

Figure 1 shows the heat exchange between clothed and nude occupant and the environment at various operative temperatures