background image

 

 (1)

 

 

 

Subject: Medical physics                         

 

       

 

 قسم الفسلجة والفيزياء

الطبية

 

 

                        

Energy, Work, and Power of the Body 

 

Energy is a basic concept of physics. All activities of the body, including 

thinking,  involve  energy  changes.  The  conversion  of  energy  into  work 

represents only a small fraction of the total energy conversions of the body. 

 

25%    is being used by the skeletal muscles and the heart.  

19%    is being used by the brain. 

10%    is being used by the kidneys. 

27%    is being used by the liver and spleen. 

The body's basic energy source is food. 

The uses the food energy to:- 

1) Operate its various organs, 

2) Maintain a constant body temperature, 

3) Do external work. 

A  small  percentage  (~5%)  of  the  food  energy  is  excreted  in  the  feces  and 

urine. 

Conservation of energy in the body:- 

We can write the first law of thermodynamics as 

                                                                                                        (1) 

     is the change in stored energy  

     is the heat lost or gained 

    is the work done by the body in some interval of time 

this  equation  assumes  that  no  food  or  drink  is  taken  in  and  no  feces  or 

urine is excreted during the interval of time. A body doing no work (

  =0) 

and at a constant temperature continues to lose heat to its surroundings, 

   


background image

 

 (2)

 

 

is  negative.  Therefore,

     is  also  negative,  indicating  a  decrease  in  stored 

energy.  It  is  useful  to  consider  the  change  of   

  ,   ,  and     in  a  short 

interval of time 

  . Equation(1) then becomes 

  

  

 

  

  

 

  

  

                                                                                     (2) 

     

   is the rate of change of stored energy 

     

   is the rate of heat loss or gain 

     

  is the rate of doing work (chemical power) 

Eq.(2) is merely another form of the first law of thermodynamics. It tell us 

that  energy  is  conserved  in  all  processes, but  it  does  not  tell  us  whether  or 

not a process can occur.   

Energy change in the body:-

 

   Physiologist  usually  use  kilocalories  (kcal)  for  food  energy  and 

kilocalories per minute for the rate of heat production. In physics the unit for 

energy is the newton – meter or joule (N . m =J) ; power is given in joule per 

second  or  watts(W).  The  unit  in  the  cgs  system  is  the  erg,  and  that  in  the 

English system is the foot – pound(ft –lb). 

   A  convenient  unit  for  expressing  the  rate  of  energy  consumption  of  the 

body is the ( met). 

1met=50 kcal/m

2

 of body surface area per hour. 

A  typical  man  has  about  1.85m

2

  of  surface  area  and  a  woman  has  about 

1.4m

2

 and thus for a typical man 1met=92 kcal/hour=107W. 

   Oxidation occurs in the cells of the body. In oxidation by combustion heat 

is  released.  In  the  oxidation  process  within  the  body  heat  is  released  as 

energy of metabolism. The rate of oxidation is called the metabolic rate. The 

oxidation equation for 1mole of glucose(C

6

H

12

O

6

) is 

 

 

 

  

 

 

    

 

    

 

       

 

           

This  is,  1  mole  of  glucose(180g)  combines  with  6  mole  of  O

2

  (192g)  to 

produce 6 mole of each of H

2

O(108g) and CO

2

(264g), releasing 686 kcal of 


background image

 

 (3)

 

 

heat energy in the reaction. Similar calculation can be done for fats, protein, 

and  other  carbohydrates.  Typical  caloric  values  of  these  food  types  and  of 

common fuel are given in Table(1). This table also lists for the various types 

of food the energy released per liter of oxygen consumed; thus by measuring 

the oxygen consumed by the body, we can get a good estimate of the energy 

released. 

   Table(1) 

Food or Fuel 

Energy Released per Liter 

of O

2

 Used (kcal/liter) 

Caloric 

Value(kcal/g) 

Carbohydrates 

5.3 

4.1 

Proteins 

4.3 

4.1 

Fat 

4.7 

9.3 

Typical diet 

4.8 – 5.0 

 

   Not  all  of  this  energy  is  available  to  the  body  because  part  is  lost  in 

incomplete combustion. The unburned products are released in feces, urine, 

and flatus (intestinal gas). What remains is metabolizable energy. The body 

is  usually  quite  efficient  at  extracting  energy  from  food.  For  example,  the 

energy  remaining  in  normal  feces  is  only  about  5%  of  the  total  energy 

contained in the consumed food. When the body is at constant temperature 

the  energy  that  is  extracted  from  food  plus  the  body  fat  make  up  the 

available stored energy. 

   When  completely  at  rest,  the typical  person  consumes  energy  at  a  rate  of 

about  92  kcal/hr,  or  107W,  or  about  1  met.  This  lowest  rate  of  energy 

consumption, called the basal metabolic rate (BMR), is the amount of energy 

needed to perform minimal body functions (such as breathing and pumping 

the blood through the arteries) under resting  conditions. The BMR depends 

primarily  upon  thyroid function. A  person  with  an  overactive thyroid has  a 

higher BMR than a person with normal thyroid function. 


background image

 

 (4)

 

 

   Since  the  energy  used  for  basal  metabolism  becomes  heat  which  is 

primarily  dissipated  from  the  skin,  one  might  guess  that  the  basal  that  the 

basal  rate  is  related  to  the  surface  area  or  to  the  mass  of  the  body  and  is 

proportional to mass

3/4 

.  

   The  metabolic  rate  depends  to  a  large  extent  on  the  temperature  of  the 

body.  Chemical  processes  are  very  temperature  dependent,  and  a  small 

change in the temperature can produce a large change in the rate of chemical 

reactions. If the body temperature changes by 1

0

C, there is a change of about 

10%  in  the  metabolic  rate.  For  example,  if  a  patient  has  a  temperature  of 

40

0

C,  or  3

0

C  above  normal,  the  metabolic  rate  is  about  30%  greater  than 

normal.  Similarly,  if  the  body  temperature  drops  3

0

C  below  normal,  the 

metabolic rate( and oxygen consumption) decreases by about 30%. You can 

see why hibernating at a low body temperature is advantageous to an animal 

and why a patient's temperature is sometimes lowered during heart surgery.  

   Obviously, in order to keep a constant weight an individual must consume 

just  enough  food  to  provide  for  basal  metabolism  plus  physical  activities. 

Eating  too  little  results  in  weight  loss;  continued  too  long  it  results  in 

starvation. However, a diet in excess of body needs will cause an increase in 

weight. Weight loss through dieting and physical exercise as in the following 

example:- 

Example(1)  suppose  you  wish  to  lose  4.54  kg  either  through  physical 

activity or by dieting. 

a – How long would you have to work at an activity of 15 kcal/min to lose 

4.54 kg of fat?(of course, you could not maintain this activity rate very long) 

From table, you can expect a maximum of 9.3 kcal/g. If you worked for 

T minutes, then 

(     ) (

       

   

)   (         

 

 ) (

        

 

)           

 

         

                            T =2810 min 

 47 hr 


background image

 

 (5)

 

 

Not that a great deal of exercise is needed to lose a few pounds. 

b – It is usually much easier to lose weight by reducing your diet intake. If 

you normally use 2500 kcal/day, how long must you diet at 2000 kcal/day to 

lose 4.54 kg of fat? 

   

                 

                      

 

      

 

    

    

 

        

         

   

   The  BMR  is  sometimes  determined  from  the  oxygen  consumption  when 

resting.  We  can  also  estimate  the  food  energy  used  in  various  physical 

activities  by  measuring  the  oxygen  consumption.  Oxygen  consumption  for 

various  organs  has  been  measured,  some  of  the  organs  use  rather  large 

amounts of energy and that the kidney uses more energy per kilogram than 

the heart. 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Haider Abdullah
المشاهدات: لقد قام عضوان و 206 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل