TEMPERATUR DAN PANAS
Energi utama yang menghiasi kehidupan di permukaan bumi ini adalah energi panas, yang secara fenomenologis ditunjukkan oleh temperaturnya. Manusia, terkait dengan kesehatan tubuhnya, diberlangsungkan tanpa dapat dilepaskan dari energi panas. Energi panas yang terdapat di dalam tubuh yang dapat diukur secara fisis melalui nilai temperaturnya terus menerus diproduksi oleh sel-sel melalui proses metabolisma yang bertujuan untuk menjaga kestabilan kesehatan tubuh.
DEFINISI TEMPERATUR DAN PANAS
Temperatur adalah sifat dari suatu materi (benda) yang dikaitkan dengan rata-rata energi kinetik atom-atom atau molekul-molekul materi tersebut, sementara panas adalah suatu bentuk energi. Hubungan keduanya adalah, besar energi panas yang terkandung di dalam suatu benda dapat dihitung dengan menggunakan nilai temperaturnya Apabila energi panas diberikan pada suatu benda, maka efek yang ditimbulkannya adalah naiknya temperatur benda tersebut. Beberapa efek lain dapat juga terjadi, misalnya perubahan fase benda. Suatu logam apabila terus menerus dipanaskan dapat berubah menjadi cair (meleleh), artinya terjadi perubahan fase dari padat ke cair. Air apabila terus menerus dipanasi dapat berubah menjadi uap. Temperatur merupakan suatu besaran hasil pengukuran sifat fisis benda (materi) yang berkaitan dengan energi panas yang dikandungnya. Temperatur suatu benda merupakan besaran yang secara unik menentukan apakah benda itu panas atau dingin. Temperatur suatu materi diukur dengan termometer. Panas atau dinginnya suatu benda merupakan keadaan relatif yang dibandingkan terhadap keadaan benda lain. Misalnya, api relatif lebih panas dari pada es. Satuan besaran temperatur adalah derajat Celsius. Satuan lain juga sering digunakan, seperti derajat Fahrenheit dan Kelvin.
Asal Panas Pada Tubuh Manusia
Pembentukan panas (heat production) dalam tubuh manusia bergantung pada tingkat metabolisme yang terjadi dalam jaringan tubuh tersebut. Hal ini dipengaruhi oleh:
1. BMR, terutama terkait dengan sekresi hormon tiroid.
2. Aktivitas otot, terjadi penggunaan energi menjadi kerja dan menghasilkan panas.
3. Termogenesis menggigil (shivering thermogenesis); aktivitas otot yang merupakan upaya
4. Termogenesis tak-menggigil (non-shivering thermogenesis) Hal ini terjadi pada bayi baru lahir.
Sumber energi pembentukan panas ini ialah brown fat. Pada bayi baru lahir, brown fat ditemukan pada skapula, aksila, dan area ginjal. Brown fat berbeda dengan lemak biasa, ukurannya lebih kecil, mengandung lebih banyak mitokondria, banyak dipersarafi saraf simpatis, dan kaya dengan suplai darah. Stimulasi saraf simpatis oleh suhu dingin akan meningkatkan konsentrasi cAMP di sel brown fat, yang kemudian akan mengativasi fosforilasi oksidatif di mitokondria melalui lipolisis. Hasil dari fosforilasi oksidatif ialah terbentuknya panas yang kemudian akan dibawa dengan cepat oleh vena yang juga banyak terdapat di sel brown fat. Brown fat ini merupakan sumber utama diet-induced thermogenesis. Pengeluaran panas (heat loss) dari tubuh ke lingkungan atau sebaliknya berlangsung secara fisika. Permukaan tubuh dapat kehilangan panas melalui pertukaran panas secara radiasi, konduksi, konveksi, dan evaporasi air. Radiasi ialah emisi energi panas dari permukaan tubuh dalam bentuk gelombang elektromagnetik melalui suatu ruang. Konduksi ialah perpindahan panas antara obyek yang berbeda suhunya melalui kontak langsung obyek tersebut. Konveksi ialah perpindahan panas melalui aliran udara/ air. Evaporasi ialah perpindahan panas melalui ekskresi air dari permukaan kulit dan saluran pernapasan saat bernapas. Keseimbangan panas (Silverthorn, 2004)
PANAS AKIBAT PERUBAHAN TEMPERATUR
Jika suatu logam panas dimasukkan ke dalam suatu ember yang berisi air dingin, logam akan segera menjadi dingin dan air yang ada di dalam ember akan menjadi bertambah panas. Terjadi proses pertukaran energi panas antara logam dan air. Proses pertukaran energi panas akan terus menerus berlangsung sampai temperatur logam dan air sama. Karena temperatur dikaitkan dengan energi kinetik rata-rata molekul pada suatu sistim, nyatalah pada kasus ini bahwa energi dialirkan dari logam ke air karena energi kinetik molekul-molekul logam lebih besar dibanding energi kinetik molekul air. Kalau begitu, panas didefenisikan sebagai energi yang mengalir karena adanya perbedaan temperatur. Di alam ini, energi panas selalu mengalir dari sistim yang lebih panas ke sistim yang lebih dingin, proses aliran akan terus berlangsung sampai temperatur kedua sistim sama. Jadi energi panas suatu benda erat kaitannya dengan perubahan temperaturnya.
Bila energi panas dialirkan ke dalam suatu sistim maka temperatur sistim tersebut akan naik. Sebaliknya, bila energi panas diserap dari suatu sistim maka temperatur sistim akan menurun. Bila seorang bayi berada dalam kondisi sakit panas, maka energi panas yang dihasilkan tubuh bayi tersebut dapat kita serap (alirkan) ke tubuh kita dengan cara mengontakkan tubuh kita dengan tubuh bayi itu (berpelukan), sehingga temperatur tubuh bayi dapat kita turunkan. Proses aliran energi panas antara tubuh bayi dan tubuh kita akan berakhir bila temperatur keduanya telah sama.
METODE TRANSFER ENERGI PANAS
Transfer energi panas adalah suatu fenomena fisika yang sangat mendasar. Matahari yang terbit di ufuk timur akan mulai memanaskan cuaca yang dingin di pagi hari dan akan menguapkan butir-butir embun pagi yang tersebar di dedaunan. Pada saat kita berjalan tanpa alas kaki di suatu lantai keramik, kaki kita merasa sangat dingin. Karena ada perbedaan temperatur antara kaki (lebih panas) dan keramik (lebih dingin), maka terjadi transfer energi panas dari kaki ke lantai keramik. Proses transfer energi panas ini menghasilkan fenomena rasa dingin. Di mana ada perbedaan temperatur, maka di situ transfer energi panas akan terjadi. Bagaimana caranya energi panas dapat bertransfer. Ada 4 metode transfer energi panas, yaitu ;
1. Konduksi (condcution) 2. Konveksi (convection)
3. Radiasi (radiation)
4. evaporasi ( evaporation)
Pada kehidupan kita sehari-hari, kadang kala metode transfer energi panas ini dapat terjadi bersamaan, tergantung pada kondisi yang terjadi.
KONDUKSI (Conduction)
yaitu transfer energi panas melalui suatu kontak (sentuhan) antara dua jenis materi yang temperaturnya berbeda. Energi panas berkonduksi dari materi yang temperaturnya lebih tinggi ke materi yang temperaturnya lebih rendah. Apabila anda memeluk (menyentuh) tubuh orang yang sakit panas, maka anda akan merasa tubuhnya sangat panas. Apabila kontak antar tubuh anda dengan tubuh yang sakit tersebut terjadi maka energi panas dari dalam tubuhnya akan bertransfer ke tubuh anda. Molekul-molekul tubuh orang sakit tersebut memiliki energi kinetik rata-rata lebih besar dari pada energi kinetik rata-rata molekul tubuh anda. Energi kinetik yang lebih besar itu akan ditransfer ke tubuh anda melalui tumbukan antar molekul di permukaan yang bersentuhan. Hasilnya energi kinetik rata-rata molekul tubuh anda menjadi naik.
KONVEKSI (Convection)
yaitu transfer energi panas melalui suatu pergerakan massa, proses transfer energi panas secara konveksi dapat terjadi secara alami atau melalui proses rekayasa. Udara panas akan terjadi di atas bara api. Ini adalah proses konveksi secara alami. Udara panas yang telah terjadi di atas bara api tersebut dapat direkayasa alirannya sehingga mengalir memenuhi ruangan untuk memanaskan ruangan. Teknik ini digunakan untuk menghangatkan ruangan di negara-negara eropa pada saat musim salju dan juga dapat menghangatkan tubuh. Oleh karena itu, rumah-rumah di eropa selalu dilengkapi dengan tempat pembakaran yang letaknya di bagian tepi ruang tamu. Umumnya bahan yang dibakar adalah batu bara untuk menghindari adanya asap yang tidak baik untuk kesehatan. Massa material udara panas tersebut mengalir ke seluruh ruang, sehingga proses ini adalah disebut proses konveksi.
Untuk menghangatkan tubuh di musim dingin atau di malam hari banyak orang suka meminum air hangat. Pada peristiwa ini transfer panas dilakukan dengan cara konveksi, yaitu air yang hangat tersebut mengalir ke lambung sehingga temperatur di lambung menjadi naik. Artinya, massa materi air yang hangat tersebut membawa energi panas ke dalam tubuh. Pembawaan energi panas dengan cara konveksi lebih cepat dari pada dengan cara konduksi.
Satu proses penting yang melibatkan konveksi adalah sirkulasi aliran darah di dalam tubuh. Darah, di dalam tubuh, juga berperan mendistribusi energi panas ke seluruh tubuh secara merata. Panas yang berlebihan di dalam tubuh akan dibuang dibawa ke permukaan kulit melalui sirkulasi aliran darah. Pada saat panas tubuh berlebihan di dalam tubuh, maka laju aliran darah dari dalam tubuh menuju ke kulit akan meningkat. Sesampainya di permukaan kulit, energi panas tersebut akan diserap oleh udara luar melalui proses konduksi, yaitu: kontak antara kulit dan udara luar.
Pada saat panas di dalam tubuh mulai berkurang, misalnya saat anda kedinginan setelah mandi, maka aliran darah ke permukaan kulit dikurangi secara drastis agar energi panas yang tersisa di dalam tubuh tidak mengalir ke luar tubuh. Pada saat aliran darah ke permukaan kulit ini dikurangi secara drastis, maka kulit kelihatan akan keriput. Kulit akan mengurangi luas permukaan kontaknya dengan udara luar, jadilah ia keriput saat kedinginan.
Pada saat anda berkeringat karena lingkungan yang panas, energi panas yang dihasilkan oleh tubuh anda akan diserap oleh air keringat dan energi penas itu akan digunakan untuk mengubah fasenya dari cair menjadi uap. Uap tersebut akan meninggalkan tubuh dan pergi ke udara lingkungan. Pada peristiwa ini juga terjadi proses konveksi dimana uap air membawa panas tubuh anda. Proses penghantaran energi panas dari dalam tubuh ke permukaan adalah konveksi dengan menggunakan massa darah, sementara dari permukaan kulit ke udara luar adalah juga konveksi dengan menggunakan material uap air keringat melalui pengubahan fase air dari keringat menjadi uap. Proses konveksi juga dilakukan pada peralatan pendingin ruangan seperti air conditioner (AC). Massa udara yang telah didinginkan di dalam mesin AC di hembuskan ke ruangan sehingga temperatur ruangan menjadi menurun. Untuk menurunkan temperatur tubuh yang tinggi, umumnya juga dilakukan dengan cara konveksi yaitu dengan mengoleskan alkohol ke seluruh permukaan kulit. Alkohol akan menyerap energi panas tubuh dan energi panas itu digunakan untuk mengubah fase cair alkohol menjadi uap dan menguapkan alkohol ke udara luar. Sebaliknya jika ada pasien yang merasa kedinginan sebaiknya diberi pakaian yang tebal yang terbuat dari bahan yang nilai k nya rendah. Atau pasien dimasukkan ke ruangan yang telah diperlengkapi dengan alat penghangat.
RADIASI (Radiation)
Mentransfer energi panas dengan cara radiasi (penyinaran) dilakukan dengan menggunakan gelombang elektromagnetik (electromagnetic waves). Gelombang elektromagnetik diradiasikan dari sumber ke sasaran pemanasan. Kelebihan cara mentransfer energi dengan menggunakan radiasi elektromagnetik adalah energi dapat dihantarkan melalui ruang vakum (ruang hampa udara).
Cara konduksi dan konveksi tidak dapat dilakukan di ruang vakum. Energi panas yang berasal dari matahari dihantarkan dengan cara radiasi ke permukaan bumi. Ruang angkasa di antara matahari - bumi (berkisar 100-200 km dari permukaan bumi) terdapat ruang vakum (hampa udara). Untuk dapat menghantarkan energi panas dari matahari ke bumi, satu-satunya cara adalah dengan radiasi, jadi matahari meradiasikan energi panasnya ke bumi.
Pembuatan rumah kaca juga menggunakan konsep radiasi. Energi dihantarkan melalui gelombang elektromagnetik, kemudian di dalam rumah kaca energi elektromagnetik diubah menjadi energi panas, karena energi panas tidak dapat menembus kaca, maka energi panas terkungkung di dalamnya. Ruangan di dalam rumah kaca menjadi hangat atau panas.
Pembakaran batu bara di dalam rumah pada saat musim dingin di eropa juga menggunakan konsep radiasi . Pada saat batu bara dibakar dan menyala, batu bara tersebut meradiasikan panasnya ke seluruh ruangan. Bila anda didekat api unggun yang besar sekali, anda akan merasakan panas yang berlebihan karena adanya radiasi energi panas. Pada saat anda mendekatkan jari tangan anda ke dekat nyala api suatu kompor gas, anda akan merasa panas. Panas yang sampai ke jari tangan anda tersebut adalah hasil radiasi energi panas dari nyala api ke kulit jari tangan. Semua benda, tidak terkecuali, bila temperaturnya tidak nol, benda tersebut akan memancarkan energi panas melalui cara radiasi. Jumlah energi panas yang diradiasikan per satuan waktu sangat bergantung pada temperaturnya
EVAPORASI (EVAPORATION)
Adalah peralihan panas dari bentuk cairan menjadi uap. Kehilangan panas lewat evaporasi dapat erjadi apabila :
1. Perbedaan tekanan uap air antara keringan pada kulit dan udara ambien
2. Temperatur lingkungan rendah dari normal sehingga evaporasi dari keringat dapat terjadi dan dapat menghilangkan panas dari tubuh, itu dapat terjadi apabilatemperatur basah kering dibawah terperatur kulit
3. Adanya gerakan dingin
4. Adanya kelembapan
TERMODINAMIKA
Perpindahan kalor merupakan suatu bentuk dinamika dari energi termal yang dipindahkan dari benda yang memiliki suhu lebih tinggi kepada benda yang memiliki suhu lebih rendah. Perpindahan kalor antara sistem dengan lingkungan sekitar dapat terjadi bila sistem tersebut terbuka. Sebaliknya bila sistem tersebut tertutup, maka kalor tidak dapat dipindahkan. Ilustrasu tersebut dapat dilihat pada gambar berikut
Keseimbangan termodinamika tercapai bila parameter fisik suatu sistem (T, P, & V) dalah konstan sepanjang waktu. Sedangkan keseimbangan termal tercapai bila dua sistem terbuka yang saling kontak termal tidak terjadi aliran kalor antara keduanya karena suhu (T) sama dan Q = 0. Q (+) berarti sistem memperoleh kalor dan (T) suhu akhir > (T) suhu awal. Q (-) berarti sistem melepaskan kalor dan (T) suhu akhir < (T) suhu awal. Pengaruh kalor yang dipindahkan pada sebuah benda dalam fase yang sama menyebabkan benda tersebut mengalami perubahan suhu. Hal ini dinyatakan dalam sebuah persamaan berikut Q = m c ΔT, ΔT adalah peruabahan suhu yang dimaksud. Pada suatu ketika kalor yang dipindahkan tidak merubah suhu benda melainkan merubah fase benda, misalnya : air menjadi es atau air menjadi uap. Perubahan fase benda terjadi bila suhu sistem termodinamika telah mencapai titik perubahan fase, misalnya titik beku air 0° celcius dan titik uap air 100 ° celcius. Perubahan fase sangat bergantung pada kalor beku atau kalor uap pada tiap zat. Q = m L, L adalah konstanta kalor lebur, kalor beku atau kalor uap tiap zat. Pemahaman mengenai keseimbangan termodinamika dapat diaplikasikan pada upaya mengukur besar energi termal di dalam tubuh manusia. Bila tubuh manusia yang berada di dalam ruangan tertutup diibaratkan sebuah benda di dalam sistem tertutup. Kalor dipindahkan dari tubuh pada zat alir di dalam sistem tertutup, dan tidak dipindahkan keluar. Hal ini akan merubah tekanan (P), volume (V) dan suhu (T) zat alir yang dapat diamati. Secara tidak langsung besar kalor yan dimiliki tubuh dapat diketahui dari besar kalor yang diterima zat alir melalui perubahan tekanan (P), volume (V) dan suhu (T). Metode yang menggunakan konsep ini disebut dengan kalorimetri, dan alat yang digunakan untuk menerapkan metode ini disebut kalorimeter.
Mekanisme Tubuh Ketika Suhu Tubuh Berubah
1. Mekanisme tubuh ketika suhu tubuh meningkat yaitu :
a. Vasodilatasi
Vasodilatasi pembuluh darah perifer hampir dilakukan pada semua area tubuh. Vasodilatasi ini disebabkan oleh hambatan dari pusat simpatis pada hipotalamus posterior yang menyebabkan vasokontriksi sehingga terjadi vasodilatasi yang kuat pada kulit, yang memungkinkan percepatan pemindahan panas dari tubuh ke kulit hingga delapan kali lipat lebih banyak.
b. Berkeringat
Pengeluaran keringat melalui kulit terjadi sebagai efek peningkatan suhu yang melewati batas kritis, yaitu 37°C. pengeluaran keringat menyebabkan peningkatan pengeluaran panas melalui evaporasi. Peningkatan suhu tubuh sebesar 1°C akan menyebabkan pengeluaran keringat yang cukup banyak sehingga mampu membuang panas tubuh yang dihasilkan dari metabolisme basal 10 kali lebih besar. Pengeluaran keringat merupakan salh satu mekanisme tubuh ketika suhu meningkat melampaui ambang kritis. Pengeluaran keringat dirangsang oleh pengeluaran impuls di area preoptik anterior hipotalamus melalui jaras saraf simpatis ke seluruh kulit tubuh kemudian menyebabkan rangsangan pada saraf kolinergic kelenjar keringat, yang merangsang produksi keringat. Kelenjar keringat juga dapat mengeluarkan keringat karena rangsangan dari epinefrin dan norefineprin.
c. Penurunan pembentukan panas
Beberapa mekanisme pembentukan panas, seperti termogenesis kimia dan menggigil dihambat dengan kuat.
2. Mekanisme tubuh ketika suhu tubuh menurun, yaitu :
a. Vasokontriksi kulit di seluruh tubuh
Vasokontriksi terjadi karena rangsangan pada pusat simpatis hipotalamus posterior.
b. Piloereksi
Rangsangan simpatis menyebabkan otot erektor pili yang melekat pada folikel rambut berdiri. Mekanisme ini tidak penting pada manusia, tetapi pada binatang tingkat rendah, berdirinya bulu ini akan berfungsi sebagai isolator panas terhadap lingkungan.
c. Peningkatan pembentukan panas
Pembentukan panas oleh sistem metabolisme meningkat melalui mekanisme menggigil, pembentukan panas akibat rangsangan simpatis, serta peningkatan sekresi tiroksin.
Penjaluran Sinyal Suhu Tubuh Pada Sistem Saraf
Pusat pengaturan suhu tubuh yang berfungsi sebagai termostat tubuh adalah suatu kumpulan neuron-neuron di bagian anterior hypothalamus yaitu: Preoptic area. Area ini menerima impuls-impuls syaraf dari termoreseptor dari kulit dan membran mukosa serta dalam hipotalamus. Neuron-neuron pada area peroptic membangkitkan impuls syaraf pada frekwensi tinggi ketika suhu darah meningkat dan frekwensi berkurang jika suhu tubuh menurun. Impuls-impuls syaraf dari area preoptic menyebar menjadi 2 bagian dari hipotalamus diketahui sebagai pusat hilang panas dan pusat peningkatan panas, dimana ketika distimulasi oleh area preoptic, mengatur kedalam serangkaian respon operasional yang meningkatkan dan menurunkan suhu tubuh secara berturut-turut. Termoregulasi adalah proses fisiologis yang merupakan kegiatan integrasi dan koordinasi yang digunakan secara aktif untuk mempertahankan suhu inti tubuh melawan perubahan suhu dingin atau hangat (Myers, 1984). Pusat pengaturan tubuh manusia ada di Hipotalamus, oleh karena itu jika hipotalamus terganggu maka mekanisme engaturan suhu tubuh juga akan terganggu dan mempengaruhi thermostat tubuh manusia. Mekanisme pengaturan suhu tubuh manusia erat kaitannya antara kerja sama system syaraf baik otonom, somatic dan endokrin. Sehingga ketika membahas mengenai pengaturan suhu oleh system persyarafan maka tidak lepas pula kaitannya dengan kerja system endokrin terhadap mekanisme pengaturan suhu tubuh seperti TSH dan TRH.
Blogger yang senang mempelajari hal-hal baru seputar Dunia Fisika Dalam Kehidupan Sehari-hari.
0 Response to "FISIKA HAYATI (Kesetimbangan Termal pada Tubuh Manusia)"
Post a Comment