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AnAãÆAílisis-termodinAãÆAímico-y-desarrollo-de-un-crioteraplicador

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN 
 
 
 
 
 
 
 
“ANÁLISIS TERMODINÁMICO Y DESARROLLO 
DE UN CRIOTERAPLICADOR” 
 
 
 
 
 
T E S I S 
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: 
 
MAESTRO EN CIENCIAS 
EN LA INGENIERÍA MECÁNICA 
 
 
PRESENTA 
 ING. CARLOS JAVIER NAJERA IBARRA 
 
DIRECTRO DE TESIS: DR. FLORENCIO SÁNCHEZ SILVA 
 
 
 
México D. F. Octubre, 2003 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
DEDICATORIA 
 
La energía que ha mantenido constante el vapor en el interior de las calderas que 
han impulsado el enorme barco que transporta mis anhelos, se debe a la fe que 
Dios me ha dado y el amor que me han brindado mi madre, mi padre, mi esposa e 
hijos, y mis hermanas, es por eso que les dedico con sincero afecto este humilde 
trabajo. Así mismo aprovecho este espacio para hacer un reconocimiento especial 
a mi esposa por su gran apoyo. También para decirle a mis pequeños y adorados 
hijos: Javier y Sandrita, que intenten incansablemente salir adelante, logrando 
siempre sus buenos proyectos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
AGRADECIMIENTOS 
 
 
 
 A mi compadre y amigo: Dr. Luis Beltrán Dávalos, por el apoyo técnico de sus 
conocimientos en la rama de la medicina. 
 
 
 
A mi director de tesis: Dr. Florencio Sánchez Silva, por su apoyo invaluable 
para el desarrollo del presente trabajo. 
 
 
 
Al M. en C. Guillibaldo Tolentino Eslava, por su gran ayuda en la obtención de 
la valiosa información relacionada con la presente investigación. 
 
 
 
A mi amigo Dr. Javier Gutiérrez Ávila, por sus consejos e impulso para la 
culminación de este trabajo de tesis. 
 
 
 
A las autoridades del Centro Regional de Cancerología del Estado de 
Guerrero, por su apoyo en el conocimiento de los tratamientos crió quirúrgicos 
aportados. 
 
 
 
A los mis profesores del Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada 
de la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la ESIME del IPN: Dr. 
Florencio Sánchez S., Dr. Pedro Quinto D., M. en C. Guillibaldo Tolentino E., 
Dr. Victor Zurita U., Dr. Miguel Toledo V. 
Por haberme transmitido profesionalmente sus conocimiento, venciendo 
obstáculos y problemas para cumplir con el convenio con el Instituto Tecnológico 
de Acapulco. 
 
 
 
 
Al M. en C. Serafín Aguado Gutiérrez: director ejecutivo del CoSNET, por su 
apoyo para la asignación de Beca Económica a su servidor 
 
INDICE 
 
 
 
CONTENIDO Página 
 
 
NOMENCLATURA i 
 
RESUMEN iv 
 
ABSTRACT v 
 
INTRODUCCIÓN vi 
 
I.- GENERALIDADES . 1 
 
 1.1.- Equipos de criocirugía 2 
1.1.1 Diseño común. 3 
1.1.2 Principio de funcionamiento. 6 
1.1.3 Ventajas y Aplicaciones más comunes. 8 
 
 1.2.- Criocirugía del cáncer cérvico uterino. 9 
1.2.1 Antecedentes de la Criocirugía del (CACU). 9 
1.2.2 Bases físicas y efectos en los tejidos. 10 
 
 1.3.- Criocirugía de la retina ocular. 12 
 1.3.1 Métodos para crear una Adherencia Coriorretiniana. 14 
 1.3.2 Efectos sobre los tejidos. 15 
 1.4.- Criocirugía de cáncer de la piel humana 16 
 1.5.- Problemas que aún no se detectan. 18 
 
II.- METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO. 
 
23 
 
 2.1.-Calor generado. 24 
 2.1.1 Primera ley termodinámica 24 
 2.1.2 Segunda ley Termodinámica 25 
 2.1.3 Energía obtenida de los alimentos 28 
 2.1.4 Energía utilizable. 34 
 2.2.- Conductividad térmica. 41 
 2.3.- Calor estabilizado. 43 
 2.4.- Pérdidas térmicas. 44 
 2.4.1 Calor disipado por conducción. 49 
 2.4.2 Calor disipado por convección y radiación. 50 
 2.4.3 Carga térmica total. 55 
III.-CARATERISTICAS TERMODINAMICAS DE LOS GASES 
EMPLEADOS EN CRIOCIRUGIA. 
 
63 
 
 3.1.- Oxido nitroso. 64 
 3.2.- Bióxido de carbono CO2. 69 
 3.3.- Freón 404a (azeotrópico). 71 
 3.4.- Efecto Refrig. en función de la masa evaporada de gas. 73 
 
IV.- DISEÑO DEL TERAPLICADOR. 77 
 
 4.1.-Carga térmica del teraplicador. 78 
 4.1.1 Conexiones en la tubería de la línea de líquido. 80 
 4.1.2 Calc..de los diám. de la tub. de ent. con flujo líquido. 81 
 4.1.3 Conducto general del fluido líquido. 82 
 4.1.4 Diseño del tubo capilar del teraplicador. 83 
 
4.2.- Cálculo de los diámetros de la salida de gases. 88 
 4.2.1 Conexiones de la tubería de expulsión de gases. 88 
 4.2.2 Conducto general de la salida de los gases 91 
 4.2.3 Calc. de los diám. de ret. de gases en el teraplicador. 91 
 
V.- ANÁLISIS NUM. DE TIEMPO DE CONTACTO EN LA SONDA. 101 
 
 5.1- Modelo matemático. 102 
 5.2-Algoritmo del cálculo basado en un esquema de diferencias 104 
 finitas. 
 5.2.1 Representación de la ecuación diferencial en diferencias 104 
 finitas. 
 5.2.2 Nodos en la frontera 108 
 5.2.3 Efectos de la capacidad calorífica. 108 
 5.3.- Obtención de las ecuaciones lineales de diferencias 112 
 
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 
 
REFERENCIAS. 
 
ANEXO I 
 
ANEXO II 
 
NOMENCLATURA 
 
Parámetros Nombre Unidades 
A Superficie, área m2 
C Relación de pérdida de calor W/m2 
CP Calor específico a presión constante J/kg K 
CV Calor específico a volumen constante J/kg K 
CO2 Bióxido de Carbono S/u 
E Energía J 
e Eficiencia % 
G Energía libre de Gibbs J 
g Fuerza de gravedad, subíndice m/s2 
h Altura mt 
H Entalpía J/kg 
I Energía interna J/kg 
l Altura de la persona metros 
K Energía cinética J 
K Conductividad térmica W/m K 
m masa kg 
•
m 
 
Relación de aire respirado, masa de refrigerante 
 
Kg/s 
O2 Oxígeno S/u 
OC Monóxido de Carbono S/u 
P Potencia W 
p Presión Pa y Bar 
Q Calor ó calor disipado J 
q Calor cedido J/s 
R Velocidad de flujo de calor, Rapidez metabólica J/s 
S Entropía, relación de almacenamiento de calor J/kg 
T Temperatura oC y K 
t Tiempo segundos 
U Energía Potencial J 
v Velocidad mt /seg. 
W Trabajo N.m 
 
 
 
 SUBINDICES 
 
AB puntos de referencia en dirección de A hacia B 
biol de procedencia biológica 
c cinética 
cerb cerebro 
corzn corazón 
cr en el interior del centro de la sección 
D subíndice que relaciona la superficie externa del cuerpo 
 i
calculada por la ecuación de DuBois 
E medio 
f líquido 
g gas 
musc-esquel sistema músculo esquelético 
org-
abdomen 
 
órganos abdominales 
 
otros otros órganos 
p potencial 
piel piel humana 
res relaciona la convección en la respiración 
riñn riñón 
s,o sistema 
sat gas saturado 
sk en el interior del compartimiento de la piel 
 
 
 
 UTILIDAD MEDICA 
 
VPH Virus del Papiloma Humano 
CACU Cáncer Cérvico Uterino 
 
 
 
 
 LETRAS GRIEGAS 
 
∆ Diferencial, Variación 
∂ Derivada parcial 
θ Tiempo, s 
µπ coeficiente Joule-Thompson. 
α Fracción de la masa del cuerpo concentrada en el 
compartimiento de la piel, Emisividad 
 
∑ Sumatoria 
 
 
 
 PARÁMETROS NO SEPARAMETROS DE LOS 
SUBÍNDICES 
 
 
he Coeficiente de transferencia de calor por evaporación W/(m2.kPa) 
hr Coeficiente de transferencia radiante de calor W/ (m2. K) 
Kres Constante de proporcionalidad (2.58kg.m2/mJ) 
M Relación del metabolismo W/m2 
pa Presión del vapor de agua del aire ambiente kPa 
 ii
psk,s Presión de vapor de agua en la piel, normalmente se asume 
el valor del vapor de agua saturada a la temperatura de la 
piel tsk 
 
kPa 
Re,cl 
 
Resistencia de transferencia de calor por evaporación de 
capa de piel vestida, 
 
(m2. kPa) / W 
Ta Temperatura del aire ambiente KrT
−
 
Temperatura media radiante K 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 iii
 
 
 
 
 
 
RESUMEN 
 
 
 
 Se diseñó un equipo de CRIOCIRUGIA, denominado CRIOTERAPLICADOR. 
A partir del análisis de la transferencia del calor generado en el cuerpo 
humano, analizándose el consumo de energéticos alimenticios y la liberación de 
energía de los mismos, de acuerdo a una determinada actividad haciéndose 
posible conocer el calor total disipado por unidad de superficie de la piel humana. 
La base del estudio es la primera y segunda ley de la termodinámica, aplicadas 
al análisis de los intercambios de energía, estableciéndose un balance 
energético del cuerpo humano. 
 Con el fin de proponer una variante y lograr un mejor desarrollo de la 
presente investigación se utilizaron 3 gases refrigerantes: CO2, NO2 y el 
refrigerante 404ª (Zeotrópico). Los dos primeros son ampliamente aplicados en 
criocirugía y el tercero se propuso para analizar su comportamiento. Para 
determinar el flujo másico de los refrigerantes se aplicó el principio del efecto Joule 
– Thomson, y se calculó el diámetro de los conductos, utilizando el principio de 
Bernoullí, con esto se obtuvo un diseño preliminar que se estudió a más detalle 
por medio de un análisis de transferencia de calor por diferencias finitas. 
 Los resultados obtenidos fueron: 
Primero; la obtención de los valores de los diámetros de cada una de las partes 
que componen y conducen el refrigerante dentro del equipo de criocirugía, y por lo 
mismo un de diseño. 
Segundo; los valores en tablas y gráficas de temperatura en función el tiempo de 
aplicación del crioteraplicador sobre los tejidos de piel humana. 
 
 
 iv
 
ABSTRAC 
 
 This thesis work is about the design of a CRYOSURGERY device, 
denominated CRIOTERAPLICADOR. The device design was based on the heat 
transfer analysis of the heat generated in the human body due to the consumption 
of nutrients and the liberation of energy due to the human activities. Taking into 
account the sources and heat dissipations, it is possible to know the total heat 
vanished by the surface unit in the human skin. The base of the study was the first 
and second law of the thermodynamics, applied to the analysis of the energy 
exchanges, settling down as energy balance on the human body. 
 In the study three well-known coolant gases were used; CO2 and NO2 which 
are already used in cryosurgery, and we also decided to use the coolant 404ª 
(Zeotropic), just to determine the coolant flow mass flow by applying the principle 
of the Joule - Thomson effect. The geometry dimensions were determined using 
the Bernoulli equation and for understanding the criopobe performance, a 
numerical model for the heat transfer analysis was developed. The results agree 
very good with the ones obtained in the surgery practice. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 v
INTRODUCCION 
 
 
 Desde el siglo pasado se llevaron acabo los primeros intentos de la 
utilización del frío con fines terapéuticos; en el año de 1866 se utilizó éter 
nebulizado con fines analgésicos y en 1881 el cloruro de etilo se aplicó con los 
mismos fines, pero hasta 1962 Watzner y Bobrow diseñaron un sistema que marcó 
una verdadera revolución en el ámbito de la criocirugía. Cabe mencionar que las 
primeras experiencias con este procedimiento fueron solo hallazgos y que 
posteriormente fue necesaria su comprobación terapéutica [2]. 
 
 Actualmente se están haciendo en los Hospitales Regionales de Cancerología 
del Sector Salud, aplicaciones de tratamientos en los procesos primarios de cáncer 
de cuello uterino, así como del cáncer de piel, utilizando técnicas altamente efectivas 
de crioterapia. 
 
 Debido a la información anterior, se puede deducir la relevancia que tiene la 
aplicación de terapias específicas para el tratamiento de todas las manifestaciones 
del cáncer así como el cérvico uterino. Este trabajo de tesis, es un soporte de 
validez tecnológica para el perfeccionamiento de las técnicas empleadas en el 
tratamiento del cáncer por métodos criogénicos. El estudio de este equipo de 
criocirugía, pretende que en un futuro además bajar los costos de tratamiento, reducir 
la importación de los equipos que en nuestro país actualmente son utilizados en los 
programas médicos como son: criocirugía oftálmica, criocirugía de la piel en verrugas 
benignas y malignas y finalmente para la cura del cáncer de piel y cérvico uterino a 
nivel local. 
 
 El problema fundamentalmente era cómo controlar el flujo de refrigerante y 
sobre todo tener una idea clara del acoplamiento de un equipo de criocirugía en la 
piel, mucosa o membrana humana, ya que inicialmente se aplicaba sin ningún 
conocimiento claro, lo cual no garantizaba su éxito en las distintas aplicaciones de 
 vi
 vii
la criocirugía. Aunque estos aparatos ya existen, la capacitación médica requiere 
de un conocimiento cabal de la técnica, lo cual requiere un conocimiento 
termodinámico que permita cuantificar los tiempos de aplicación y la masa de 
tejidos afectada por el proceso de la criocirugía. Para lograr lo anterior el trabajo 
se estructuró de la siguiente manera: 
 
En el capítulo I se explica la forma física de los equipos existentes, su 
funcionamiento, el campo de aplicación y sus alcances; En el capítulo II se analiza 
termodinámicamente el calor disipado por el cuerpo humano vivo, así como los 
requerimientos energéticos (combustibles) en función de la actividad física 
desarrollada. 
 
En el capítulo III se observaron las propiedades termodinámicas de los gases, 
proponiéndose una fórmula general para el cálculo de la masa necesaria del 
refrigerante a partir del calor disipado del cuerpo humano, considerando una porción 
de masa de tejidos en el tiempo cero para su congelamiento, es decir en condiciones 
de máxima carga térmica, dentro del margen considerado para el tratamiento por el 
método de criocirugía. 
 
En el capítulo IV se obtuvo un diseño generalizado de los diámetros de los ductos, 
para cada estado del refrigerante durante el proceso de criocirugía, proponiéndose 
un diseño completo en cada una de sus partes. 
 
En el capítulo V se presenta un análisis de transferencia de calor, observándose el 
comportamiento térmico a través de un modelo matemático por el método de 
diferencias finitas, obteniendo gráficas temperatura contra tiempo de congelamiento 
y distribución de temperatura al contacto del equipo con los tejidos. 
 
 
 
 
CAPITULO I GENERALIDADES 
 
 
 
CAPITULO 1 
 
 
 
 
GENERALIDADES DE LOS EQUIPOS 
 USADOS EN CRIOCIRUGÍA 
 
Actualmente la criocirugía ha alcanzado un nivel relevante en la medicina, ya que 
su aplicación, facilita en gran medida una cura más segura y menos agresiva de 
enfermedades donde los demás métodos quirúrgicos no logran los efectos esperados, 
la aplicación de la criocirugía evita el uso de anestésicos, así como un proceso 
prolongado de recuperación por medio de la hospitalización del enfermo. Pero el 
alto costo de los equipos de criocirugía (importados), y su aplicación, ensombrece 
la expectativa de la población que espera una posible cura con esta tecnología. Es 
por eso que esta investigación desea abrir una nueva perspectiva para la medicina 
y la población mexicana. Aunque este trabajo está relacionado netamente con la 
ingeniería mecánica (esto demuestra que la ingeniería mecánica es de gran apoyo 
para la ciencia médica), pretende abrir una línea de investigación que se pueda 
enriquecer a la par con la medicina. 
 
 
 
 
 
 
 
____________________________________________________________________1
CAPITULO I GENERALIDADES 
1.1 Equipos de Criocirugía. 
 
Los equipos de criocirugía, son dispositivos que se utilizan para destruir el tejido 
humano a base de un contacto directo a través de medios mecánicos que 
alcanzan temperaturas del orden de 233 K (-400C). Watzner y Bobrow en 1962 
diseñaron un sistema que marcó una verdadera revolución en el ámbito de la 
criocirugía. En sus trabajos de investigación utilizaron un prototipo, que a pesar de 
tener un relativo corto desarrollo tecnológico (debido a las limitaciones tecnológicas 
existentes hasta el momento), ya tenía las características comunes a los que 
actualmente se han utilizado. Estos equipos tienen diferentes diseños y formas:; 
 
a) los de sonda o críopobo grueso (punta de aplicación), son del orden de 2.0 
centímetros de diámetro, tienen forma de pistola con gatillo integrado de 
aplicación, comúnmente se utilizan en la cura del cáncer de piel y del cáncer 
cérvico uterino figura 1.1. 
 
b) los de sonda o críopobo delgado, son del orden de 0.5 centímetros de 
diámetro, constan de un maneral con punta alargada y delgada, y son 
accionados por medio de un pedal, comúnmente se utilizan en cirugía 
retinocular (parte interna del globo ocular), así como cura del cáncer de la 
próstata (glándula seminal masculina) figura 1.2. 
 
En los diseños anteriores cabe mencionar que la posición del mecanismo de 
accionamiento, va en relación al grado de inmovilidad que se desee tener al 
momento de hacer contacto con el críopobo y el órgano o mucosa del humano. 
También en algunos diseños se tiene en el interior del críopobo un ducto de aire 
caliente, con el fin de separarlo rápidamente de la zona de aplicación después del 
congelamiento. 
 
 
 
____________________________________________________________________ 
 
 
 2
CAPITULO I GENERALIDADES 
1.1.1 Diseño común. 
 
El diseño contiene un maneral tipo pistola dividido en cinco partes principales: Dos 
tubos en uno, el primero concéntrico de alimentación y el segundo de desalojo del 
gas refrigerante (1), también tiene un maneral o soporte principal (2), un control de 
flujo (3), un tubo capilar (4), y un críopobo o punta de aplicación (5), como se 
observa en la figura 1.1, el cual es similar al utilizado en el Hospital regional de 
Cancerología del estado de Guerrero. 
 
Este diseño tiene un dispositivo de alta seguridad para su manejo y aplicación, en 
este caso la punta (oro, plata, platino) del críopobo es de mayor tamaño, 
comparándose con los criópobos utilizados en criocirugía ocular, pero en el caso 
de la figura1.1, críopobo de punta ancha, se ha considerado en su diseño las 
necesidades ergonométricas para la aplicación en la criocirugía o crioterapia del 
cáncer uterino. 
 
Figura 1.1 Crioteraplicador de punta gruesa [1] 
 
Observando la figura 1.1 se muestra el detalle de los componentes del críopobo, 
en el diseño se aprecia la manera cómo debe ensamblarse la punta sobre el tubo 
____________________________________________________________________ 
 
 
 3
CAPITULO I GENERALIDADES 
capilar, para formar el juego completo del críopobo, esto quiere decir que el capilar 
debe estar permanentemente fijo al cuerpo del maneral soporte (2), y que la otra 
parte la punta del críopobo, a la cual debe estar unida el ducto adiabáticamente 
aislado. 
A continuación se muestra un diseño de críopobo punta delgada utilizado 
específicamente en criocirugía oftálmica (figura1.3) [3]. En este caso el 
movimiento debe ser eliminado cuando se esta realizando la criocirugía ocular, por 
esta razón el equipo cuenta con un mecanismo de pedal para permitir el paso de 
refrigerante, liberando cualquier esfuerzo manual. El enfriamiento se inicia 
accionando el interruptor de pedal y al soltar el pedal se inicia automáticamente el 
calentamiento, para desprender la punta. 
Se compone de criópobos de punta delgada; el recto, el ligeramente inclinado y el 
inclinado, para facilitar el requerimiento de la criocirugía ocular. 
 Panel para la 
observación de 
presiones y 
temperatura del 
críopobo 
 
 
 Pedal de paso de refrigerante y 
aire caliente 
 
figura 1.2 Equipo de criocirugía oftálmica 
____________________________________________________________________ 
 
 
 4
CAPITULO I GENERALIDADES 
En este tipo de aplicación como se comento en el inciso anterior, es necesario una 
descongelación más rápida para impedir una sobre congelación aledaña a los 
tejidos de la retina, es por eso que en la figura 1.3 se observa que por el mismo 
ducto se inyecta aire caliente controlado por un balín con resorte como se ve en la 
figura 1.3A, la cual se acomoda hasta el fondo de la punta cuando penetra el 
refrigerante líquido. Al conservar dicha posición, solo deja pasar una pequeña 
cantidad de refrigerante en estado líquido a la cámara de expansión, permitiendo 
la evaporación de acuerdo a la relación∆ µπ∆pT = , donde µ es el coeficiente 
Joule-Thompson. 
π
 
 Alta presión con refrigerante líquido 5.099 mPa 
 
 Efecto Joule-Thompson 
 Balín móvil con resorte 
 
 
 
cu
en
se
or
 
 
__
 
 
 
Bala móvil con resorte 
 
 
Efecto de descongelamiento 
Figura1.3 Corte interno del Críopobo del maneral utilizado en criocirugía ocular 
ando se cambia el refrigerante por el aire caliente como fluido de descongelación, 
tonces el balín regresa a una posición como se observa en la figura 1.3B donde 
 incrementa el área de paso del fluido, ya que la presión de aire caliente es del 
den de 620.5 kPa ( 6.205 bars). 
__________________________________________________________________ 
 
 
 5
CAPITULO I GENERALIDADES 
1.1.2 Principio de funcionamiento. 
 
Para la explicación del funcionamiento del equipo de criocirugía, se presentan la 
figuras 1.4 y 1.5, las cuales servirán para la descripción de operación y uniones 
mecánicas de todo el equipo de criocirugía con sus accesorios, partiendo desde 
que inicia el movimiento del gas refrigerante al salir de su recipiente de almacenamiento 
en estado líquido,hasta el término del recorrido final del refrigerante expulsado a la 
atmósfera. 
 Salida a la atmósfera de 
refrigerante en estado gaseoso 
Tubería interna de 
refrigerante líquido 
 
Tubería de doble 
flujo 
2
3
Recipiente 
1
 
Figura 1.4 
 C
Como se observa en la figura
alimentado del refrigerante en es
para su transporte (1). En prim
salida de los recipientes de alm
estado líquido se introduce en e
en estado líquido pase al cond
conjunto de mangueras (4). El ref
la energía potencial debido a la 
fluido todavía en estado líquido
interior de la punta por el metal d
acción el refrigerante se evapo
_____________________________
 
 
 
Caja separadora de 
flujos
5
Válvula del 
recipiente
 
Críocauterizador 
4
Tubería de doble 
flujo 
Conexión general del equipo de 
riocirugía y sus accesorios 
 
 1.4, el proceso se inicia cuando el equipo es 
tado líquido, almacenado en recipientes utilizados 
er lugar se deberá operar el control de flujo a la 
acenamiento (2), En seguida el refrigerante en 
l críocauterizador, permitiendo que el refrigerante 
ucto interno de diámetro pequeño contenido en el 
rigerante utilizado se transportara por la acción de 
presión reinante en el recipiente, logrando que el 
, llegue a la cámara de expansión formada en el 
el críopobo (parte 5 de la misma figura). Con esta 
ra a la presión atmosférica absorbiendo energía 
_______________________________________ 
 6
CAPITULO I GENERALIDADES 
(calor) del medio ambiente, mediante un proceso termodinámico isentrópico y 
adiabático, debido a que a lo largo del críopobo existe un aislamiento. 
 
Finalmente como el críopobo va colocado sobre la rosca que sostiene al tubo 
capilar y esta a su vez tiene orificios intermedios, este arreglo permite el regreso 
del refrigerante evaporado en la punta metálica. El gas evaporado se regresa 
impulsado por la misma energía almacenada en los recipientes por el ducto 
adiabático, después de atravesar los orificios concéntricos pasa al tubo de mayor 
diámetro (porte 4 figura1.4), el cual conducirá el gas refrigerante hacia la 
atmósfera. 
 
A continuación se muestra la figura 1.5, que consiste en un diagrama de flujo que 
representa lo anteriormente expuesto en forma sintetizada, el cual podría utilizarse 
como un manual de operación sencilla del propio equipo . 
 
 
Tanques de almacenamiento(1), de
refrigerante en estado líquido (CO2, NO2,
Refrigerante 404-a ). 
 
 
 
 
 
 
Salida de refrigerante en estado
gaseoso a la atmósfera(3) (exp.
Isobárica) 
 
 
 
 
 
 
Fig
_______________
 
 
 
Control de 
flujo
Control de flujo a
la salida del
recipiente y sepa-
rador de gases a
diferente estado
físico(2). 
Ductos de 
alimentación y 
retorno(4) 
Paso de Refrigerante líquido al Tubo capilar
y expansión en la punta de metal(5),del
críopobo (expansión isentálpica- adiabática )
Control de flujo en
el maneral del
críopobo(6) 
ura 1. 5 Diagrama de flujo de operación del criócauterizador 
 
_____________________________________________________ 
 7
CAPITULO I GENERALIDADES 
1.1.3 Ventajas y Aplicaciones mas comunes. 
 
El aparato de criocirugía ofrece las siguientes ventajas [1] : 
A) El enfriamiento puede hacerse de modo ambulatorio(sin hospitalización) y sin 
anestesia, pendiente de intervención en caso necesario. 
B) Tratamiento y desprendimiento del tejido necrotizado(muerto) sin hemorragias 
C) Cura sin cicatriz 
 
A continuación se muestra la tabla 1.1, con la descripción de los usos más 
comunes donde aplica la criocirugía 
Tabla 1.1 especialidades y aplicaciones médicas de la Criocirugía 
 Especialidad de la criocirugía Lugar de aplicación 
I) Cirugía en vasos sanguíneos Varices de extremidades bajas 
II) Cirugía de tórax estreches bronquial 
III) Ginecología (parte de la medicina 
que estudia las enfermedades de los 
óranos genitales femeninos) 
Ectopía (posición anormal) de la portio vaginalis 
(parte de la vagina), condiloma (tumor pequeño 
situado en los márgenes del ano) 
IV) Proctología (estudio de las 
enfermedades del recto y del ano) 
Hemorroides (várices ó crecimiento abultado de 
las venas en los márgenes del ano) internas de 
1¼ y 2¼ grado de fisura anal 
V) Otorrinolaringología (estudio de las 
enfermedades de la garganta, oído y 
nasofaringe) 
hemangiomas(tumor pequeño en la piel, que 
forma una pequeña mancha punteada de color 
rojo vivo ó violáceo), papilomas(tumor pequeño 
que se desarrolla a expensas de las papilas de la 
piel o de las mucosas. 
VI) Dermatología (parte de la medicina 
que trata las enfermedades de la 
piel) 
Verrugas (pequeño tumor cutáneo de forma 
redonda que se localiza en la superficie dorsal de 
los dedos de la mano y muñeca), condilomas 
VII) Oncología (estudio de los tumores ó 
abultamientos anormales de los 
órganos, determinado por un 
crecimiento enfermo de tejidos) 
En la cura de cáncer de cuello uterino (la parte 
más angosta útero femenino) 
VIII) Oftalmología (estudio de las 
enfermedades de los ojos) 
Soldador de lesiones de retina y cicatrización de 
los cortes en cirugía ocular. 
____________________________________________________________________ 
 
 
 8
CAPITULO I GENERALIDADES 
1.2 Criocirugía del cáncer cérvico uterino (CACU): 
El cáncer cérvico uterino es un proceso destructivo de los tejidos. Las causas del 
desarrollo de este mal varían desde; el tabaquismo, el virus del herpes, la 
disminución de la respuesta inmunológica, la deficiencia nutricional, el uso de 
anticonceptivos hormonales, y finalmente el que representa el factor de riesgo mas 
grave, el virus del papiloma humano (VPH). Sí analizamos la incidencia de cáncer 
en México [1,4,5,6], actualmente existe en nuestro país una estadística 
angustiante (50 casos por cada 100,000 habitantes al año), la cual es de las más 
elevadas en todo el mundo. En los Hospitales Regionales de Cancerología del 
Sector Salud, se aplican tratamientos en los procesos primarios de cáncer de 
cuello uterino utilizando técnicas de crioterapia. De los datos anteriores se puede 
deducir la relevancia que tiene la aplicación de terapias específicas para el 
tratamiento del cáncer cérvico uterino, por lo tanto, es un soporte de gran valía 
para el desarrollo tecnológico, el estudio relacionado de un equipo de 
“crioteraplicación” o criocirugía, en los programas médicos para la cura del CACU 
al nivel local. 
 
1.2.1 Antecedentes de la Criocirugía del CACU. 
 
A partir de 1930 Openchowski utilizó una solución salina helada con la finalidad 
de detener actividad tumoral de los grandes procesos delaparato ginecológico 
bajo, después de lograr algunos resultados positivos, esto no se convirtió un 
proceso terapéutico (curativo) definitivo. may (1942) utilizó la cánula (tubo de 
orificio delgado) de freón para el tratamiento de los procesos inflamatorios del 
endocérvix (parte interna del útero). Cooper (1961) inició el manejo del nitrógeno 
líquido para el tratamiento de procesos neoplásicos tempranos con buenos 
resultados, pero con la desventaja de que el equipo era demasiado grande y su 
producción en serie no era costéable, por lo que no se continuo utilizando. 
Watzner y Bobrow (1962) iniciaron la utilización de tubos de hielo seco de bióxido 
____________________________________________________________________ 
 
 
 9
CAPITULO I GENERALIDADES 
de carbono como tratamiento de las lesiones del canal endocervical, procedimiento 
muy semejante al que se utiliza en la actualidad. 
 
 
1.2.3 Bases físicas y efectos en los tejidos. 
 
La criocirugía es la destrucción local de las capas superficiales del epitelio 
cervicouterino por medio de la aplicación de temperaturas inferiores al congelamiento, 
una temperatura de 233 K (-400C) o menor producirá necrosis tisular (muerte de 
tejidos aledaños). 
Los principales procesos de refrigeración para el críopobo son: 
 
1. Cambio de fase, evaporación de un fluido refrigerante que es inyectado por 
un tubo en el interior del críopobo sin hacer contacto directo con la piel. 
2. Expansión isotrópica en la punta del críopobo y adiabática en el trayecto de 
regreso y escape del gas, utilizándose metales como el oro y la plata o platino, 
siendo oro el de mayor conductividad térmica. 
 
Las transformaciones biológicas que se efectúa sin intercambio de calor con el 
exterior, hacen que el procedimiento más utilizado sea el de congelamiento, que 
consiste en aplicar la punta del críopobo en la superficie del tejido a tratar, 
produciéndose los mecanismos de acción que explican los cambios celulares, 
químicos, morfológicos y destructivos los cuales son: 
 
a) Deshidratación y concentración tóxica de electrolitos por la extracción de agua. 
 
b) Desnaturalización (cambio de medio biológico) de las moléculas líquidas- 
proteicas dentro de las membranas. 
 
c) Cristalización y ruptura de las membranas celulares. 
 
____________________________________________________________________ 
 
 
 10
CAPITULO I GENERALIDADES 
d) Choque térmico. 
 
e) Éxtasis (inmovilización) vascular (bazos sanguíneos) . 
 
Según Ostergad, Sako y Pérez Tamayo, existen dos fases de permeabilidad 
vascular (posibilidad de dar paso en el interior de los vasos) que aparecen como 
respuesta de la agresión térmica: 
 
La primera es inmediata y rápida, dura 30 segundos y se manifiesta por 
vasoconstricción capilar (reducción de los capilares). 
 
La segunda es de aparición tardía, lenta y duradera y se caracteriza por la 
presencia de factores que activan la permeabilidad capilar, incluyendo cambios 
degenerativos en el epitelio (parte superior que cubre un órgano, tejido o mucosa). 
 
Por otro lado los gases utilizados en criocirugía deben tener un punto de 
ebullición dentro del rango de congelamiento de la piel, por ejemplo nitrógeno 
líquido, dióxido de carbono, freón 22 o 404 A aseotrópico y óxido nitroso como las 
temperaturas de congelación que se muestran en la tabla 1.2. 
 
Tabla 1.2 Temperaturas de congelación y presiones de almacenamiento de los gases a emplear en 
criocirugía 
 
Gas empleado 
Temperatura 
alcanzada 
 
Presión en cilindro 
 
Clasificación 
 
No 
Dióxido de carbono 
(CO2) 
 
216 K 
 
1.8mPa (18.35kg/cm2) 
 
Compuestos inorgánicos 
 
774 
Freón (CClF2H) 192 K 900kPa (9.17kg/cm2) Halocarburado 22 
Oxido nitroso 184 K 5.099 mPa (52kg/cm2) Compuestos inorgánicos 744A 
Nitrógeno 84 K 3.39mPa (34.56 kg/cm2) Compuestos inorgánicos 728 
Refrigerante 404 A 180 K 1.2 mPa (12.23kg/cm2) Gases Zeotrópicos Varios 
 
 
____________________________________________________________________ 
 
 
 11
CAPITULO I GENERALIDADES 
Factores que intervienen para el éxito de la aplicación: 
 
• Tipo de criopobo: usándose con el metal que permita mayor facilidad en 
la aplicación sabiendo que el de mejor conductividad es el oro. 
 
• Características del cerviz, las pacientes con hipertrofias (malformaciones 
mayores) endocervicales y desgarros antiguos, requerirán de mayor tiempo 
para alcanzar la congelación deseada, sucediendo lo contrario con pacientes 
de mejores condiciones . 
 
• La masa de refrigerante, en el depósito cilíndrico debe garantizar el tiempo 
de aplicación hasta el término normal del tratamiento. 
 
• La temperatura de aplicación, debe ser del orden de 233 K (-400C) o más 
baja , por lo que también se debe tener una relación de tiempo de aplicación 
y suficiente masa de fluido refrigerante. 
 
• Área de seguridad, es la congelación que se produce alrededor del criopobo 
y se recomienda no sea menor de 5 milímetros por fuera de la lesión a tratar, 
independientemente del tiempo que se requiera para lograrlo . 
 
 
1.3.- Criocirugía de la retina ocular. 
 
La retina es una parte esencial del ojo humano, su nombre se debe esencialmente 
a que en su interior, se lleva a cabo el proceso primario de la captación de las 
imágenes observadas. Su posición se localiza en la segunda capa de la parte 
interna del fondo del globo ocular (figura 1.3.1) y está formada por terminaciones 
pequeñas en forma de conos y bastoncillos los cuales son fotorreceptores 
nerviosos, cuya finalidad es convertir los rayos luminosos que entran al ojo 
____________________________________________________________________ 
 
 
 12
CAPITULO I GENERALIDADES 
humano, en impulsos eléctricos que serán descifrados en el cerebro como imagen 
observada. Los conos captan y descifran en el cerebro los colores y los bastones 
solo el blanco y el negro, para formar en su conjunto las imágenes. 
 
 
 
Figura 1.3.1 Construcción del ojo humano. 
Por lo anteriormente expuesto no hace falta explicar que la lesión (ruptura) o 
degeneración de la retina nos conduce a una ceguera parcial o total, y estopuede 
suceder por las siguientes causas a: 
a) Golpes originados por acción violenta o deportes de alto impacto y o 
involuntarios 
b) Diabetes (incapacidad del aparato digestivo para la absorción de la glucosa). 
c) Albuminuria (cantidades elevadas de albúminas en el torrente sanguíneo), 
d) Sífilis (enfermedad venérea). 
Dentro de las causas más frecuentes están los golpes y la diabetes, sin embargo 
cualesquiera que fueran las causas de lesiones en la retina, se le tiene que 
restaurar a través de una cirugía, la cual se denomina cirugía de reimplantación de 
la retina, la cual consiste en tratar de poner la retina nuevamente en contacto con 
la pared del globo ocular, para propiciar una adherencia coriorretiniana (contener o 
mantener la retina) alrededor de todas las roturas retinianas [3]. 
____________________________________________________________________ 
 
 
 13
CAPITULO I GENERALIDADES 
1.3.1 Métodos para crear una Adherencia Coriorretiniana.: 
 Dentro de los métodos existentes para la cura del desprendimiento de retina se 
han venido utilizando los siguientes métodos: 
A) LA CRIOCIRUGÍA (congelación a 253 K (–20 0C) de la parte a tratar). 
B) LA DIATERMIA (métodos eléctricos o de alta temperatura que permiten 
cambios en los tejidos). 
C) LA FOTOCOAGULACION (utilización de rayo láser sobre las partes 
afectadas). 
o 
a
Epitelio pig
Figura 1.3.2 Aplicación de la punta del críopobo sobre lesiones re
 
La crioterapia para la formación de adherencias corio
uno de los métodos utilizados durante la cirugía 
________________________________________________
 
 
 
Punta del críopob
Bola congelada 
de tejidos y 
humor acuoso 
Esclerótica
 
mentado 
retin
tinianas en el globo ocular 
rretinianas (figura 1.3.2), es 
de reimplantación retiniana 
____________________ 
 14
CAPITULO I GENERALIDADES 
convencional, este método se aplica a través de la esclerótica en todo su espesor 
y apenas produce lesión escleral [3]. 
1.3.2 Efectos sobre los tejidos 
 La criocirugía actúa por la disolución de membranas celulares. Durante la 
congelación, forma cristales intracelulares de hielo, con lo que se produce una 
lesión mecánica (ver figura 1.3.3). Durante la descongelación el agua y los 
electrolitos se separan, produciendo un cambio del pH con ruptura de las 
membranas celulares (disolución). 
 
Figura 1.3.3 Formación de cristales de hielo en la cercanía del contacto del críopobo aplicándolo 
en una criocirugía ocular 
La fuerza de adherencia que la crioterapia produce entre la retina y el epitelio 
pigmentado es aproximadamente proporcional a la intensidad de aplicaciones 
como se manifiesta en la gráfica 1.3.4. 
Para la obtención de la gráfica, fue necesario observar que la intensidad de la 
reacción de congelación dependía de cuanto tiempo se hubiera aplicado el 
críopobo, de la baja temperatura que pudiera alcanzar y de la cantidad de presión 
que se ejercía sobre la esclerótica. 
Cuando el efecto de congelación se extiende solo a nivel de la membrana limitante 
externa, los fotorreceptores de los bastones se regeneran y se entremezclan con las 
vellosidades del epitelio pigmentado [3]. 
____________________________________________________________________ 
 
 
 15
CAPITULO I GENERALIDADES 
 
1.4.- Criocirugía de Cáncer de la piel humana. 
La piel humana es el órgano protector del cuerpo humano, de acuerdo a la 
ecuación de DuBois, tiene un área aproximada de dos metros cuadrados según la 
talla y el peso, esta compuesta por la dermis y la epidermis, una piel sana 
normalmente no produce molestias en el ser humano, una piel enferma, necesitará 
aun que parezca exageración una cura inmediata, tomando en cuenta que siendo 
nuestro escudo, sería la puerta de entrada de cualquier organismo destructor, en 
caso de no atender cualquier enfermedad en ella, como se comenta en los 
siguientes incisos, existen diferentes enfermedades de la piel, que van desde 
pequeñas lesiones, pequeñas verrugas, hasta problemas de origen cancerígenos. 
Así como se comenta que existen varios tipos de enfermedades también se 
conocen los diferentes tipos de tratamiento, aun que, se hará un comentario de los 
mismos, esta investigación solo abordará el tratamiento posible en las protuberancias 
de la piel así como el cáncer. Tomando Como referencia las figuras 1.3.5 y1.3.6 que 
aparecen en la parte baja, el Cáncer de Piel es más común de lo que se cree, es 
curable en etapas tempranas. El tipo más frecuente es el carcinoma baso celular, 
donde la exposición solar intensa y por largos periodos de tiempo es el detonador 
____________________________________________________________________ 
 
 
 16
CAPITULO I GENERALIDADES 
de esta enfermedad, puede aparecer en las zonas siguientes: Pabellones 
auriculares, labios, nariz, cara, cuello (región posterior), brazos, tórax anterior, 
piernas y pies, ya que son los sitios más frecuentes de cáncer de piel [7,8]. 
 
Papiloma humano
instalado a la
entrada de la fosa
nasal. 
Figura 1.3.5 Lugar donde la criocirugía 
podría tener una aplicación directa y efectiva, 
destruyendo el papiloma. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1.3.6 Muestra de la forma de las lesiones 
 cancerosas en la piel 
Hay tres tipos de cáncer de piel: El carcinoma basocelular, el carcinoma de células 
escamosas o espino celular, y el melanoma. 
1.- Carcinoma Basocelular: Es de los tres, el tumor más común de los cáncer de 
piel encontrados en los caucásicos, siendo además el menos peligroso si se 
detecta en estadios tempranos. Comienza por una pequeña pápula o hundimiento 
de piel que sangra, provoca picazón y hace una costra que nunca cura, proceso 
que dura alrededor de 2 a 3 semanas. Luego, comienzan a elevarse los bordes de 
la úlcera tornándose rojos, rosados, y lo más frecuente, blanco perlados traslúcidos, 
____________________________________________________________________17
CAPITULO I GENERALIDADES 
con vasos sanguíneos mínimos visibles. Este tipo de cáncer de piel no se disemina 
a otras partes del cuerpo, pero si no se trata, puede extenderse por debajo de la 
piel y llegar a hueso provocando daños serios e irreversibles. 
2.- Carcinoma Espinocelular: Es el segundo tipo de cáncer de la piel más frecuente 
encontrado en caucásicos. Se presenta como una placa roja descamativa y/o 
ulcerada. Este tipo de cáncer alcanza grandes tamaños, y de no tratarse se 
disemina o da metástasis eventualmente. 
3.- Melanoma Maligno: Es el menos común de los tres pero el más agresivo, tanto 
es así, que es causa de muerte de aproximadamente 5.000 personas cada año en 
los Estados Unidos. Puede aparecer de repente en cualquier parte de la piel, es 
decir, en zonas expuestas o no al sol. Los lunares son el origen de éstos, y pueden 
afectar a personas de piel clara o piel oscura, reconociéndose el rol hereditario 
como de suma importancia. Para el autoexamen de los pacientes se tiene la regla 
de ABCD que indica: Asimetría de la lesión, Bordes irregulares, color variado 
(marrón, negro, a veces sin color), y diámetro grande mayor de 6 mm. Existen 
diversas modalidades terapéuticas, entre ellas electrodesecación, Escisión quirúrgica, 
Criocirugía, Cirugía Micrográfica de Mohs, Quimioterapia tópica (ingestión de 
medicamentos) y Radioterapia (aplicación de rayos atómicos). 
 
1.5.- Problemas que aun no se detectan. 
 
La congelación de células de cáncer es una opción para los pacientes con cáncer 
de próstata que no responden a la terapia de radiación, pueden beneficiarse de un 
procedimiento en el que las células del cáncer se congelan y se destruyen, según 
publicaron investigadores norteamericanos en la revista 'Urology' [8,9]. Los 
investigadores descubrieron que el 97 por ciento de estos pacientes con cáncer 
localizado en la glándula de la próstata, quedaron libres del cáncer dos años después 
de haberse sometido a este procedimiento, conocido como criocirugía. "La prueba 
____________________________________________________________________ 
 
 
 18
CAPITULO I GENERALIDADES 
de que la congelación destruye las células del cáncer es indiscutible", según 
concluyeron los autores. Y añadieron que la "criocirugía” es una opción viable para 
el tratamiento de los pacientes que tienen una biopsia que prueba una anomalía 
local seguido de una terapia de radiación para el cáncer de próstata". 
 
Alrededor de 54.000 pacientes, o el 30 por ciento de los que se les diagnostica un 
cáncer de próstata cada año, se someten a una terapia de radiación como primera 
terapia. Sin embargo, el cáncer regresará en el 40 por ciento de los casos de 
estos pacientes, según el informe. 
 
Las opciones actuales de tratamiento para los pacientes con un cáncer de próstata 
que ha reaparecido incluyen la prostatectomía radical, una complicada intervención 
quirúrgica que puede llevar a la incontinencia o a la impotencia; y una terapia 
hormonal, que puede retrasar la progresión de la enfermedad pero no reduce el 
tamaño de los tumores. 
 
El estudio, realizado por el doctor Aaron Katz y sus colegas en el Columbia 
Presbyterian Medical Center en Nueva York, incluyó a 43 pacientes con cáncer de 
próstata, de un promedio de 69 años de edad, que se sometieron a una criocirugía 
porque la terapia de radiación no curó su enfermedad. Los pacientes recibieron 
una terapia hormonal durante 3 meses para reducir el tamaño de la glándula de la 
próstata y después se sometieron a una criocirugía. Cada tres meses, los 
investigadores realizaron pruebas para comprobar el estado del cáncer. A los 22 
meses, el 97 por ciento de los pacientes se habían curado. Sólo el 9 por ciento de 
los pacientes mostraron incontinencia urinaria. Algunos pacientes mostraron leves 
dolores rectales o hinchazón después de la criocirugía, pero estos síntomas 
desaparecieron en tres meses. Katz y sus colegas señalaron que se esperan un 
refinamiento de la criocirugía para mejorar los resultados. 
 
____________________________________________________________________ 
 
 
 19
CAPITULO I GENERALIDADES 
En School of Physioterapy, en la Universidad de Curtin y Sheton Park, Australia, 
se investigó y valoró los tratamientos a través de métodos fríos en los tratamientos 
médicos. 
 
Por otro lado se han estado haciendo en las universidades de oftalmología y 
dermatología más sobresalientes del mundo, estudios de investigación relacionados 
con los efectos colaterales que puede tener el uso de la criocirugía aplicada en 
piel, criocirugía ocular, contra con métodos alternativos existentes como son la, 
evaporación con rayo láser, coagulación por rayo láser. 
 
Un ejemplo muy importante son los trabajos que han desarrollado Matsuo T., 
Noso-Fujimoto M. y Matsuo N., del Departamento de Oftalmología de la Universidad 
Médica de Okayama en Japón. Estos trabajos mencionan los efectos adversos 
que pueden presentar la aplicación de la foto coagulación por arco de Xenón 
(láser) y Criocirugía en 28 pacientes con un total de 52 ojos con enfermedades de 
retinopatía prematura, para lo cual se anotaron resultados de la división de dos 
grupos, de los cuales finalmente se encontró un porcentaje de diferencia del 0.04 
%, considerándose por tal motivo irrelevante la diferencia, traduciéndose en que 
las técnicas modernas, poseen hasta la fecha el mismo grado de efectividad. 
 
En conclusión hay momentos en los que no se puede distinguir un tratamiento 
específico, el cual nos pueda hacer tener la certeza en que será el mejor en 
algunos casos, anteriormente se tenía gran seguridad a la radioterapia, hoy existe 
la certeza que con criocirugía se puede mejorar la cura de cáncer en próstata, y es 
posible que el día de mañana se realicen nuevas investigaciones. 
 
Al parecer pudiera considerarse inútil la presente información para lograr los 
objetivos trazados para un análisis termodinámico y desarrollo de un equipo de 
criocirugía, sin embargo fue necesario que los conocimientos de la ingeniería 
mecánica, se apoyaran en esta información, como son los tamaños de lesiones, 
____________________________________________________________________ 
 
 
 20
CAPITULO I GENERALIDADES 
____________________________________________________________________21
tiempos posibles de aplicación, las formas y la profundidad de las lesiones, los 
gases que ya han sido utilizados. 
Lo anteriormente mencionado aportó los datos necesarios para iniciar con bases 
sólidas los objetivos que se establecieron en la introducción de la investigación, 
considerando que para el inicio del capítulo II fue necesario saber muy a fondo la 
mayoría de los datos aportados en el presente capítulo. 
Capitulo II METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO 
 
CAPITULOII 
 
 METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO. 
Sí se desea hacer un análisis termodinámico de todo ser viviente como, sí se 
tratase de una máquina, es necesario, conocer la distribución de la energía, en la 
que se manifieste estar consumiéndola o rechazándola por las células humanas, 
para establecer un modelo matemático del equilibrio termodinámico, cuya finalidad 
sea, desglosar los diferentes tipos de energía, el trabajo realizado y las pérdidas 
de las mismas. Por esa razón se analiza los procesos termodinámicos involucrados, 
también las propiedades de las sustancias, para determinar el consumo de 
energía de los órganos internos del humano, todo esto con la finalidad, de que se 
establezca la cantidad de calor que se rechaza en las fronteras de la piel humana. 
 
En una combustión es necesario cierta cantidad de oxigeno, es por eso, que a 
partir de las cantidades de bióxido de carbono exhaladas por los seres vivientes 
(vertebrados), se conocerán las cantidades de oxigeno consumido, así mismo, se 
puede determinar el valor medio de energía liberada por cada 0.001 m3 ó litro de 
oxigeno consumido, la cantidad de energía total consumida por actividad 
realizada, y la cantidad de energéticos que deben consumirse en relación a la 
rapidez con la que son consumidos (quemados). Esto pudiera semejarse al 
suministro de carbón y oxigeno que irá suministrándose a la cámara de 
combustión de una caldera, para poder obtener el vapor que pudiera realizar un 
trabajo. 
En el interior del organismo viviente humano, los órganos, para ejecutar su labor 
(trabajo), también consumen energía que se obtiene del ciclo metabólico de Krebs, 
es decir, el intercambio constante en donde las células obtienen energía liberada 
del trifosfato de adenosina, a través de un intercambio de fósforo con los 
combustibles biológicos y el oxigeno, obteniendo energía capaz de realizar un 
trabajo, liberando CO2, difosfato de adenosina y agua, [11,12,13,14,15,16,17]. 
 
____________________________________________________________________ 
 
23
Capitulo II METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO 
 
2.1 Calor generado. 
 
Es característico de los organismos vivos y de las máquinas el intercambio 
continuo de energía con su medio ambiente, durante el proceso de conversión de 
energía interna en trabajo. El rendimiento de este proceso viene limitado por la 
primera y la segunda ley de la termodinámica, las cuales son fundamentales para 
cualquier proceso de intercambio de energía. 
 
Calor y trabajo son dos de las formas como la energía es intercambiada entre un 
sistema y su medio ambiente. Todos los animales realizan trabajo y pierden calor 
en ese proceso. 
En el caso de los seres vivos, el trabajo se realiza al nadar, caminar, correr, etc., 
los reptiles al arrastrarse, los pájaros al volar, bombear sangre a través de los 
vasos sanguíneos de los seres vivientes y al eliminar fluido de la sangre por 
osmosis inversa, Por otro lado el calor se pierde a través de la piel y los pulmones 
por evaporación, conducción y radiación en los mismos. La conservación de la 
energía exige que toda esta energía se obtenga a expensas de la energía interna 
y por consiguiente, el animal trate de reponerla continuamente por medio del 
consumo de alimentos. Por lo anteriormente expuesto se iniciará este trabajo con 
el análisis de la primera ley de la termodinámica, para incorporar en forma 
paulatina, las leyes y conceptos que serán de suma importancia. 
 
 
2.1.1 Primera ley termodinámica. 
 
Si se considera el cuerpo humano como un sistema, y la energía total del 
organismo EO será igual a la suma de energías cinéticas de los músculos y 
órganos del cuerpo (trabajo) Ec, menos el calor disipado a través de la piel Q . 
 
Ahora bien, la energía del “sistema” Εtotal del cuerpo varía solamente como 
consecuencia de la energía química Eq (energía interna), que entra en el sistema 
____________________________________________________________________ 
 
24
Capitulo II METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO 
 
por medio de las calorías metabolizadas de los alimentos y se distribuyen y 
almacenan en algunos órganos o en las células del cuerpo humano en espera de 
la oxidación, para liberar energía que se manifestará en trabajo W realizado por 
el sistema con respecto a sus alrededores, y calor Q que se disipa al medio 
ambiente. 
 
Como sería el ejemplo de un corredor, que al operar sus músculos, provoca el 
levantamiento de sus miembros inferiores y superiores de manera alternada para 
avanzar rápidamente, produciéndose un trabajo sobre el medio ambiente 
(alrededores) y una liberación de energía en forma de calor, debido a que, en la 
combustión de la glucosa (monosacárido aprovechable como principal fuente de 
energía en los animales) en el interior de la mitocondria, de las células de los 
seres vivientes, se liberan los dos tipos de energía, una que impulsa los músculos 
a producir un movimiento (trabajo) y la otra que se degenera en forma de calor, 
por lo tanto la primera ley puede escribirse como: 
 
WQEsitema −=∆ 2.1 
 
2.1.2 Segunda ley termodinámica 
 
La entropía S es una variable termodinámica que mide el desorden de un estado 
termodinámico. Esto quiere decir que en cada estado, una sustancia tiene una 
entropía definida y que la entropía de un estado es mayor que la entropía de otro, 
si el desorden del primer estado es mayor que el desorden del segundo. Por lo 
antes mencionado es conveniente escribir la segunda ley en una forma que 
contenga sólo variables del sistema. Para concretar se tiene una reacción química, 
tal como 
 COOC 22 2 →+ 
____________________________________________________________________ 
 
25
Capitulo II METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO 
 
La energía química del monóxido de carbono, CO, es menor que la del carbono y 
el oxígeno por separado: es decir, la variación de energía ∆Es en esta reacción es 
negativa. Por la primera ley 
 
WQES −=∆ 
donde W es el trabajo total realizado por el sistema y Q es el calor absorbido por 
el sistema. En este caso Q es negativo porque el sistema cede calor al medio. El 
medio absorbe el calor 
( )WEQQ SE +∆−=−= 
de modo que, por definición el cambio de entropía del medio es 
 
( )
T
 p ∆E 
T
Q
∆S SEE
V∆+−
== 
considerando la segunda ley de la termodinámica, la ecuación anterior puede, 
escribirse de la siguiente manera 
( )
S
S
E ∆ST
 ∆V p ∆E
∆S −≥
+−
= 
Por otro lado la segunda ley de la termodinámica también se puede escribir como 
 0∆S T ∆V p∆E SS ≤−+ 2.2 
Esta forma de la segunda ley solo tiene variables del sistema, debido a que a 
partir de esta última ecuación, solo se tratara con variables del sistema, 
desapareciendo el subíndice S. Por lo tanto a energía libre de Gibbs se escribe 
como 
TSpVEG −+= 2.3 
y es otra variable termodinámica, que sólo depende del estado del sistema, 
manifestando la energía libre que se obtiene de las reacciones químicas a 
____________________________________________________________________ 
 
26
Capitulo IIMETABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO 
 
temperatura y presión constantes (isotérmica e isobárica). Es la energía libre de 
toda reacción bioquímica que pudiera suceder en organismos vivos: como el ser 
humano y o cualquier tipo de animal, células o ser viviente, manifestándose de la 
siguiente manera 
'''' TSpVEG −+= 2.4 
 Por lo tanto la relación de energía libre se escribe como: 
GGG −=∆ ' 
 ( ) ( )TSpVETSpVE −+−−+= ''' 
 ( ) ( ) ( )SSTVVpEE −−−+−= ''' 
 STVpE ∆−∆+∆= 2.5 
esta ecuación es idéntica al primer miembro de la ecuación 2.2. Por lo tanto, se 
comprueba que en las reacciones isotérmicas e isobáricas (en el interior de los 
seres vivos) , la energía libre jamás aumenta 
0≤∆G 
Para poder relacionar la energía libre con la entalpía y entropía en una sola 
ecuación, a continuación se define entalpía H de la siguiente manera 
pVEH += 2.6 
La variación de entalpía en una transformación isobárica es 
 VpEH ∆+∆=∆ 2.7 
por otro lado, de la primera ley de la termodinámica tenemos la siguiente ecuación 
, entonces WQE −=∆
 ( ) 0WQVpWQH −=∆−−=∆ 2.8 
donde es el trabajo, distinto del trabajo ( VpWW ∆−=0 ) Vp∆ , realizado por el 
sistema. De este modo cuando W , es nulo, la variación de entalpía es igual al 0
____________________________________________________________________ 
 
27
Capitulo II METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO 
 
calor absorbido (o perdido si es negativo) por el sistema en una 
transformación isobárica. En algunas transformaciones entre dos estados, W es 
cero y el calor absorbido es igual a 
0
H∆ . En otras transformaciones entre los 
mismos estados, W . no es cero y Q no es igual a 0 H∆ . El calor máximo 
absorbido es igual a T , el calor absorbido en una transformación isotérmica 
reversible (Ec. 2.5). Se absorbe menos calor si la transformación es irreversible, 
de aquí que en general 
ST∆≤
HQ ∆−=
HG ∆=
GO ∆−=
G∆
H∆
S∆
 Q 
Esta expresión, junto con la Ec. 2.8, nos da la desigualdad 
 W HSTO ∆−∆≤ 
Pero de, las Ecs. 2.3 y 2.4 se tiene 
 
ST∆−∆ 2.9 
 
y por tanto 
 W 
En otras palabras, − es el trabajo máximo (otro que el ) que puede 
obtenerse de una transformación particular. Este podría ser el trabajo generado 
por una batería o por la contracción de un músculo animal ó humano. 
Vp∆
 
2.1.3.- Energía obtenida de los alimentos. 
 
Los organismos vivos para poder obtener la energía potencial (química) que 
contienen los alimentos, utilizan una gran cantidad de reacciones bioquímicas, 
las cuales tienen lugar en las células del ser viviente. 
____________________________________________________________________ 
 
28
Capitulo II METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO 
 
A la suma de estas reacciones internas, con la consecuente liberación ó 
almacenamiento de energía se le denomina: metabolismo intermediario, el 
metabolismo tiene dos fases llamadas: catabolismo y anabolismo. 
 
El primero es la fase degradativa del metabolismo, en la cual, las moléculas 
nutritivas complejas y relativamente grandes (glúcidos, lípidos y proteínas) que 
provienen del entorno biológico, o bien, de sus propios depósitos de reservas, se 
degradan para producir moléculas más sencillas. 
 
El catabolismo va acompañado de la liberación de energía química inherente a la 
estructura de las moléculas orgánicas nutritivas, y a su conservación en forma de 
la molécula de trifosfato de adenosina (ATP), transferidora de energía. 
 
El anabolismo es la fase constructiva o biosintética del metabolismo, el cual da 
lugar a la biosíntesis de los componentes moleculares de las células, tales como 
ácidos nucleicos, proteínas, polisacáridos y lípidos a partir de precursores 
sencillos, valiéndose del consumo de energía química aportada por el ATP, que se 
generó durante el catabolismo, esto quiere decir que el catabolismo y el 
anabolismo se desarrollan simultáneamente. 
La energía libre que se obtiene de la glucosa es, de las más importantes en la 
vida humana, y como principal portadora de energía bioquímica, debe analizarse 
termodinámicamente, observando su oxidación y los productos de la combustión 
a baja temperatura como se explica en el siguiente caso: 
 
OHCOOOHC 2226126 666 +→+ 
 
La reacción, anterior es la fuente primaria de energía en los animales. Las 
variaciones de energía libre y de entalpía ∆Η producidas por la oxidación de un 
mol de glucosa son, para cualquier reacción ∆Η igual a la suma de los calores de 
____________________________________________________________________ 
 
29
Capitulo II METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO 
 
formación de los productos menos la suma de los calores de formación de los 
reactivos: 
∑ ∑∆Η−Η=∆Η fREACTIVOSfPRODUCTOS 2.10 
 
así mismo para cualquier variación de energía libre ∆G0 tenemos 
∑ ∑∆−=∆ OfREACTIVOSOfPRODUCTOSO GGG 2.11 
Sí se analiza la reacción química del combustible humano 
OHCOOOHC 2226126 666 +→+ 
tomando los valores de energías libres de la siguiente tabla: 
 
Tabla 2.1. Energías libres estándar de formación 
en disoluciones acuosas en concentraciones de 
1Mol con pH 7.0 y 250 C. 
Sustancia Kcal mol-1 Kj mol-1 
Acetato- -88.99 -372.3 
Cis- Aconitato3 - -220.51 -922.61 
L- Alanina -88.75 -371.3 
Ion amonio -19. 00 -79.50 
L – aspartato -166.99 -698.69 
Ion bicarbonato -140.33 -587.14 
Dióxido de carbono (gas) -94.45 -395.2 
Etanol -43.39 -181.6 
Fumarato2- -144.41 -604.21 
∝-D-Glucosa -219.22 -917.21 
Glicerina -116.76 -48.64 
Ion hidrogeno -9.55 -39.96 
Ion hidroxilo -37.60 -157.3 
∝-Oxoglutarato2- -190.62 -797.56 
Lactato- -123.76 -517.81 
L-Malato2- -201.98 -845.08 
Oxacetato2- -190.53 -797.18 
Piruvato- -113.44 -474.63 
 
Se tiene lo siguiente: 
____________________________________________________________________ 
 
30
Capitulo II METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO 
 
∑ ∑∆− OfREACTIVOSOfPRODUCTOS GG = 6(-395.2 kJ/ mol )+ 6(-237.2 KJ/ mol) +917.21 
= -2877.19 
es decir 
≅∆G -2870 kJ y -2820 kJ =∆Η
La variación de entalpía, llamada también calor de combustión (que se obtiene en 
laboratorio usando un calorímetro), es en este caso igual a la variación de energía 
 porque no hay cambio de volumen en esta reacción. El trabajo máximo que se 
puede obtener de esta reacción es 2870 kJ, el cual es mayor que la 
energía desprendida. Esto es debido a que la variación de entropía es positiva, y 
entonces, además de la energía desprendida por la reacción, se puede absorber 
energía del medio. 
E∆
=∆− G
G∆
Desgraciadamente, no se conoce hasta ahora un mecanismo real capaz de 
convertir directamente en trabajo esta variación de energía libre− . Sin embargo 
se puede obtener trabajo de manera indirecta quemando la glucosa y utilizando el 
calor desprendido para mover una máquina térmica. El trabajo obtenido por este 
procedimiento es W , donde e es el rendimiento de la máquina. ( )∆Η−= e
 
Pero, para producir trabajo mecánico, a partir de la glucosa en los animales, se 
descompone por medio de una serie compleja de reacciones bioquímicas, que 
incluye el ciclo del ácido tricarboxílico (ciclo de Krebs). Por cada mol de glucosa 
metabolizada se forman 38 moles de ATP (trifosfato de adenosina) a partir del ADP 
(difosfato de adenosina), según la reacción 
ATPFosfatoADP →+ 
La variación de energía libre de esta reacción es +33 kJ por cadamol de ATP 
formado. Por lo tanto, en la reacción total 
 
 Glu OHCOATPFosfatoADPOa 222 663838386cos ++→+++ 
____________________________________________________________________ 
 
31
Capitulo II METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO 
 
 
la variación de energía libre es: 
=∆G -2870 kJ + (38)(33 kJ) = -1600 kJ 
Puesto que no hay trabajo durante el metabolismo de la glucosa, esta energía libre 
es energía perdida, en el sentido de que ya no es utilizable para realizar trabajo, 
esta podrá ser efectiva cuando se transforme ácidos grasos ó en ATP. 
 
Existen todavía (38)(33 kJ) = 1250 kJ de energía libre utilizable procedentes de la 
reacción 
FosfatoADPATP +→ 
Esta reacción produce, por ejemplo, contracción muscular con un rendimiento de 
alrededor del 50 %. Es decir, las 1250 kJ utilizables para producir trabajo dan lugar 
a unos 625 kJ de trabajo útil. El resto se pierde en forma de calor. Con la glucosa 
a modo de combustible, el rendimiento del músculo considerado como una 
máquina es: 
Q
We = = 
∆H
W
 =
2820KJ
625KJ =0.22 
 
Las oxidaciones biológicas, son esencialmente combustiones sin flama, o a baja 
temperatura. 
 
Como hemos visto el calor no puede ser utilizado como fuente de energía en los 
seres vivos, ya que en estos últimos sus reacciones biológicas son esencialmente 
isotérmicas debido a que, los procesos termodinámicos que suceden del exterior 
hacia el interior y viceversa (intercambio de energía), se llevan a cabo a presión y 
temperatura constante; el calor solo puede realizar trabajo a presión constante 
cuando fluye desde un cuerpo a otro que se encuentre a temperatura inferior como 
sucede en las máquinas térmicas, en cambio, la energía libre de los combustibles 
____________________________________________________________________ 
 
32
Capitulo II METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO 
 
celulares, se conserva en forma de energía química inherente a la estructura de 
enlaces covalentes de los grupos fosfato terminales en la molécula de trifosfato de 
adenosina, tal como se observa en la figura 2.6 
 
 CO2 
Combustibles 
 H2O 
 ATP 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Pi 
Pi 
O2 
Pi 
Pi 
Trabajo de 
biosíntesis 
Trabajo de 
transporte 
Trabajo 
mecánico 
Catabolismo 
ADP 
 
 
Figura 2.6 Transformación de energía química(energía interna) en 
Trabajo en el ser humano, interviniendo el ciclo anabólico – catabólico. 
 
El ATP se produce enzimáticamente a partir del difosfato de adenosina (ADP), y el 
fosfato orgánico mediante reacciones enzimáticas de transferencia del grupo 
fosfato, que están específicamente acopladas a etapas de oxidación específicas 
durante el catabolismo. 
 
____________________________________________________________________ 
 
33
Capitulo II METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO 
 
El ATP así formado puede difundirse entonces hacia aquellos lugares de la célula 
en los que se necesita energía [12]. 
 
2.1.4 Energía utilizable. 
Sí se deseara conocer la cantidad de energía interna (química), que aportan los 
combustibles metabolizados en forma de ATP, para que el sistema músculo 
esquelético de un ciclista, con un rendimiento normal del 22 %, pueda impulsar la 
masa del ciclista y la bicicleta con un peso de 65 kg. y ascender una colina, sí, al 
comienzo del trabajo de ascenso la velocidad del ciclista es de 15 m/s, y al final 
del ascenso de la colina la velocidad es de 10 m/s, también se sabe que la altura 
vertical de la colina es de 25 metros. Después del análisis de la ley de la 
conservación de la energía, se podrán conocer las aportaciones del trabajo que se 
efectúa por pedaleo, por energía potencial y finalmente la energía química 
aportada por los energéticos. Para el análisis se usaran dos ecuaciones a partir de 
la ecuación 2.1, las cuales respectivamente, una se encargará del análisis de las 
aportaciones de energía, desde el interior del organismo del ciclista hacia las 
fronteras del mismo, y la otra se utilizará para el análisis de los efectos del trabajo 
del ciclista hacia el medio. 
Sí se inicia del Teorema de Trabajo-Energía, “el trabajo total W que se realiza 
sobre un objeto que se desplaza desde una posición inicial A, a una posición final 
B, es igual al cambio de energía cinética del objeto” 
AB KKW −= 
donde por definición, la energía cinética K de un objeto de masa m que se mueve 
con velocidad v es 
( ) 221 mvK = 
Pero se conoce también que el trabajo W hecho en un sistema, es igual a la suma 
del trabajo W hecho por las fuerzas conservativas y el trabajo Wc nc hecho por las 
____________________________________________________________________ 
 
34
Capitulo II METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO 
 
fuerzas no conservativas. Entonces el teorema trabajo-energía se puede 
representar de la siguiente manera: 
ncc WWW += 2.12 
dondeW es el trabajo de las fuerzas conservativas, al mover un objeto (ciclista y 
bicicleta) a lo largo de cualquier camino entre dos puntos determinados, A y B, 
siendo la gravedad una fuerza conservativa, entonces cuando el objeto (ciclista y 
bicicleta) de masa m cae verticalmente o diagonalmente en el plano inclinado que 
se forma por la colina, desde la parte más alta a la más baja, el trabajo realizado 
sobre el objeto por la fuerza de gravedad es 
c
( ) UUUUUmghmghW ABBABAc ∆−=−−=−=−= 
Sustituyendo W en la ecuación 2.12 se tiene c
KWUW nc ∆=+∆−= 
UKWnc ∆+∆= 
La modificación de la ecuación 2.12, manifiesta que el cambio en las energías 
cinéticas más la potencial, es igual al trabajo no conservativo total hecho del 
sistema sobre el medio. Pero también se sabe que el trabajo no conservativo W , 
se divide en trabajo hecho por fuerzas disipativas W , y el trabajo hecho por las 
fuerzas aplicadas , entonces la ecuación anterior deberá escribirse de la 
siguiente manera 
nc
d
aW
 W UKWW adnc ∆+∆=+= 
por definición se sabe que las fuerzas disipativas son fuerzas no conservativas, 
como el rozamiento y la resistencia del aire, efectuando generalmente un trabajo 
negativo, es por esa razón que muchos científicos han establecido, a partir de 
experimentos [11], que siempre que se hace un trabajo disipativo dW sobre un 
____________________________________________________________________ 
 
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Capitulo II METABOLISMO TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO 
 
sistema, hay un aumento de energía interna I del sistema igual a d , 
escribiéndose de la siguiente manera 
=∆I
W−
IWd ∆=− 
por lo tanto, finalmente la ecuación 2.12 quedará expresada como 
IUKWa ∆+∆+∆= 2.13 
El trabajo aplicado es el que se lleva a cabo mediante dispositivos llamados 
máquinas, que convierten la energía interna en trabajo, los ejemplos más 
comunes de máquinas son: los motores de automóviles, las máquinas de vapor y 
los músculos animales (sistema músculo esquelético), por lo tanto los cambios de 
energía cinética y potencial son: 
omghmghmghU ABA −=−=∆ 
kJU 59.1=∆ 
( ) ( ) =−=∆ 22 2121 BA mvmvK 
kJK 1.4−=∆ 
Finalmente haciendo uso de la ecuación 2.13 se obtendrá 
IUKWa ∆+∆+∆= = IkJ ∆+8.11 
Como I∆ corresponde las pérdidas por fricción y por resistencia del aire, sólo para 
este caso lo idealizaremos considerándolo sin pérdidas, por lo tanto , 
resultando como mínimo valor de W kJa 8.11= . Pero como el rendimiento del 
sistema músculo esquelético se propuso con un 22 %, y el rendimiento e de una 
máquina es la razón del trabajo aplicado que se produce

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