Metabolisme Tubuh - Fisika Universitas Padjadjaran

Metabolisme Tubuh-Basic Science in Nursing II-Irwan Ary Dharmawan 1 ,Hana Rizmadewi Agustina 2 dan Maria Komariah 21) Jurusan Fisika, , Universitas Padjadjaran2) Fakultas Keperawatan, , Universitas Padjadjaran

SLIDEhttp://phys.unpad.ac.id/jurusan/staff/dharmawan/kuliahphys.unpad.ac.id/jurusan/staff/dharmawan/kuliah

Rujukan• Principles of Science for Nurses, Joyce James et.al, , BlackwellScience• Human Body Dynamics, Aydin Tozeren, , Springer• Physics of the Human Body, Irving P. Herman, Springer• Physics in Biology and Medicine, Paul Davidovits, , AcademicPress• Semua buku Fisika Dasar (Giancoli,, Finn, Serway, Halliday,dll)• Googling !

Definisi Metabolisma• Proses yang melibatkan terbentuknya energi, penyimpananenergi dan pemanfaatannya untuk aktivitas tubuh manusiadisebut dengan Metabolisma• Secara umum, metabolisma merupakan energi yangdigunakan oleh tubuh dan semua reaksi kimia dalam seluntuk menjaga tubuh agar tetap hidup• Proses Metabolic dibagi menjadi dua yaitu anabolic dancatabolic

Aliran Energi dalam tubuh

Mengapa tubuh kita memerlukan makanan ?• Untuk mengoperasikan organ tubuh• Menjaga agar temperatur tubuh tetapkonstan dengan menggunakan kalor yangdihasilkan dari fungsi organ• Untuk melakukan kerja• Membangun suplai energi untuk kebutuhan5-10%energi dari makanan dikeluarkan melalu feses dan urin

Hukum Pertama Thermodinamika• Hukum pertama Thermodinamika merupakan hukumkekekalan Energi untuk berbagai proses, dan dinyatakandengan persamaan berikut∆UQW∆U= Q −WPerubahan energi yang tersimpan dalam tubuhPerpindahan kalor dalam tubuh manusiaKerja yang dihasilkan oleh tubuh• Ketika energi yang tersimpan berkurang∆U < 0, kalor akanberpindah dari tubuhQ < 0dan tubuh menghasilkan kerjaW > 0

Perpindahan kalor dalam tubuh manusia• Perpindahan kalor dalam tubuh manusia terdiri dari kaloryang diproduksi dari proses metabolisma tubuh dan kaloryang hilang akibat proses konduksi, konveksi, radiasi danevaporasi• Secara umum perpindahan kalor dalam tubuh manusiadapat ditulis dengan persamaanQmetQ lossQ = Q met+ Q lossMerupakan kalor yang diproduksi dari hasil metabolisma tubuh(Metabolic Rate)Merupakan kalor yang dilepaskan oleh tubuh∆U=Qmet+Qloss−W

Satuan Energi

Aktivitas Manusia vs Metabolic Rate

Energi yang dibutuhkan Manusia• Bergantung kepada berat dan tinggi manusia tersebut• Energi yang dikonsumsi oleh manusia dalam melakukanaktivitas tertentu dibagi dengan luas permukaantubuhnya hampir sama untuk semua orang• Secara empirik luas tubuh manusia dapat dihitungmenggunakanLuas =×0.4250.202×W H0.725• W dan H menyatakan berat (kg) dan tinggi manusia (m)berturut-turut

Energi yang dibutuhkan Manusia (contoh)• Luas tubuh seorang manusia dengan berat 70 kg dantinggi 1.55 m adalah 1.70 m 2 . Metabolic-ratenya dalamkeadaan istirahat adalah 40 cal/m 2 -jam x 1.70 m 2 = 68Cal/jam Basal Metabolic Rate

Energi dari Makanan• Proses Oksidasi : C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + Energi• Untuk setiap gram glukosa akan dihasilkan Energi sebesar3.81 Cal• Nilai kalori per satuan berat yang dihasilkan berbedauntuk setiap makanan, sebagai contoh : karbohidrat(gula) dan protein sebesar 4 cal/g , lemak 9 cal/g danalkolhol 7 cal/g• Proses oksidasi makanan memerlukan ‘katalis’ (enzym),untuk mempertahankan proses metabolisma padatemperatur tetap

Aktivitas vs Energi yang dihasilkan

Komposisi dan konten Energi dari makanan

Kapasitas Kalor (C) dan Kalor Spesifik (c)• Kapasitas Kalor (C) adalah energi (kalor)) yang diperlukanuntuk menaikkan temperatur suatu objek sebesar satuderajat celcius• Kapasitas kalor per unit volume atau massa disebut denganKalor Spesifik (c)• Kapasitas kalor merupakan sifat intrisik dari suatumaterial/objeksedang Kalor Spesifik merupakan faktorekstrinsikC = mc

Kapasitas Kalor (C) dan Kalor Spesifik (c)• Kenaikan temperatur sebesar∆Tkalor yang masuk ke dalam tubuh∆T =Qmc• Untuk air c = 1.0 cal/g o C = 1.0 kcal/kg o Cdari suatu objek denganQ dinyatakan dengan• Untuk tubuh manusia c = 0.83 cal/g o C = 0.83 kcal/kg o C,artinya adalah diperlukan 83 kcal (kalori(makanan) untukmenaikkan temperatur tubuh manusia dengan berat 100 kgsebesar 1 derajat celcius• 0.83 kcal sama dengan kalori yang dihasilkan dari sepotongroti

Kapasitas Kalor (C) dan Kalor Spesifik (c)• Mengapa temperatur tubuh manusia tidak menaik ketikakita makan sepotong roti terus menerus ?Tidak mungkin Heat loss !

Perpindahan Kalor (konduksi)1AdQdt= −K• Ruas kiri disebut juga dengan Fluks Kalor (Heat Fluks), yangmenyatakan jumlah Kalor yang mengalir per satuan luas Adan waktu. Tanda minus menyatakan bahwa kalorberpindah dari daerah yang lebih panas ke daerah yanglebih dingin.• Konduktivitas Thermal (K),(menyatakan bagaimanatemperatur bervariasi secara spasial yang disebabkanadanya perpindahan kalor diantara dua daerah yangdipisahkan oleh jarak delta x.∆T∆x

Temperatur pada tubuh manusia• Manusia sebagai mahluk hidup berdarah ‘panas’ harusselalu menjaga kesetimbangan temperatur tubuhnya padasuhu konstan (37 o C)• Jika suhu tubuh kita lebih tinggi dari suhu normal akanmenyebabkan rusaknya protein dalam proses metabolismatubuh• Jika suhu tubuh lebih rendah, maka jantung kita akanberhenti berfungsi

Konduksi dalam tubuh manusia• Sumber dari kalor pada tubuh terdapat pada bagian tubuhyang dalam• Untuk mengeleminasikannya maka harus dikonduksikanmelalui kulit• Agar terjadi konduksi maka harus terdapat perbedaantemperatur, oleh karena itu temperatur kulit harus lebihrendah• Dalam keadaan normal temperatur kulit sekitar 35 o C, dalamkeadaan dingin sekitar 27 o C

Konduksi dalam tubuh manusia (contoh)• Jika tebal jaringan antara tubuh manusia bagian luar dan bagian dalamadalah 3 cm, dengan luas permukaan rata-ratauntuk terjadi konduksiadalah 1,5m 2 . Kemudian perbedaan temperatur antara tubuh bagiandalam dan kulit sebesar 2 o C. Maka kalor yang mengalir per jamnyaadalah (Konduktivitastermal jaringan = 18 cal cm /m2 –jam- o C)dQdt=KA∆TL=18×1.5×23= 18cal/jam

Mekanisme lain untuk konduksi dlm tubuh• Mayoritas kalor ditransportkan dari tubuh bagian dalam kesistem aliran darah. Kalor masuk ke dalam sel interiordengan mekanisme konduksi. Dalam kasus ini, proseskonduksi sangat cepat jarak antara kapiler dan sel sumberkalor sangat tipis. Sistem aliran darah akan membawa kaloryang dibawa oleh dara menuju permukaan kulit. Kalorkemudian dipindahkan menuju permukaan melalui proseskonduksi.• Jika aliran kalor melalui darah berlebih , maka jaringankapiler deket permukaan akan menghambat aliran darah,sehingga aliran darah akan tereduksi.

Pengendalian temperatur pada kulit (konveksi)• H c merupakan kalor yang dipindahkan melalu konveksi• K c adalah koefisien konveksi• T s adalah temperatur kulit• T a adalah temperatur udara

Pengendalian temperatur pada kulit (konveksi)

Pengendalian temperatur pada kulit (konveksi)• Contoh : seorang manusia dalam keadaan telanjang dengan luaspermukaan 1.7m 2 , berdiri dan luas permukaan yang terekspos adalah1.36m 2 . Jika temperatur udara 25 o C dan temperatur rata-ratakulitadalah 33 o C, maka jumlah kalor yang dihilangkan adalah (Kc= 6cal/m2 –jam – o C , tiada angin)H c= 65.4 cal/jam• Dalam keadaan bekerja manusia menghasilkan 170 cal/jam, oleh karenaitu kecepatan angin perlu ditambah 1.5 m/detik untuk menghasilkanproses pendinginan sebesar 170 cal/jam

Radiasi• H c merupakan kalor yang dipindahkan melalu radiasi• K r adalah koefisien radiasi (6.0 cal/m2 – jam – C)• T s adalah temperatur kulit• T r adalah temperatur permukaan radiasi• A r adalah luas permukaan radiasi• e adalah emisivitas permukaan kulit (menuju1)

Radiasi (contoh)• Seorang manusia dengan A r = 1.5 m 2 , T r =25 o C dan T s =32 o C.Maka radiasi loss nya sebesar 63 cal/jam

Radiasi (contoh)• Seorang manusia dengan A r = 1.5 m 2 , T r =25 o C dan T s =32 o C.Maka radiasi loss nya sebesar 63 cal/jam