Integrative review of exergy analysis in the human body

Authors

DOI:

https://doi.org/10.33448/rsd-v11i8.30990

Keywords:

Exergetic analysis; Exergetic efficiency; Biological systems; Thermodynamics; Energy transfer.

Abstract

The combination of the fundamental laws of thermodynamics results in exergy, a size that quantitatively represents the ability to do useful work. Whenever energy is used, in processes where energy is converted into useful work, some of it is lost. The exergetic efficiency is a useful factor of rationality for the consumption and waste of systems. Several authors highlight the importance of exergetic analysis in different aspects of life, and it can be applied to the human body to assess the quality of energy conversion processes in biological systems, as well as in the biochemical processes of metabolism. The objective of the present article is to carry out an integrative review of the literature on the relationship between exergy analysis and the processes associated with the systems of the human body. The research developed over the years has shown a growing interest in the subject and presents an important improvement of the mathematical models of exergetic analysis, contributing to a better understanding of the performance of the human body and its systems from the laws and concepts of thermodynamics. In addition, future perspectives are created for the use of exergetic performance to aid in the field of medicine.   

References

Araujo, A. A. Q.; Nascimento, R. S. & Oliveira, R. (2019). Exergia e meio ambiente. IN: Anais do Congresso Brasileiro de Gestão Ambiental e Sustentabilidade, 7(1), 401-406.

Bandeira, B. D. (2016). Análise das trocas de calor realizadas entre o corpo humano e o ambiente: estudos de caso para uma pessoa realizando atividade física. 2016. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro.

Batato, M.; Deriaz, O.; Borel L. & Jequier, E. (1990). Analyse exergétique, théorique et expérimentale, du corps human. Entropie, 26, 120-130.

Caliskan, H. (2013). Energetic and exergetic comparison of the human body for the summer season. Energy Conversion and Management, 76, 169–176.

Çatak, J.; Develi, E. & Bayram, S. (2021). How does obesity affect bioenergetics in human respiratory muscles? Human Nutrition and Metabolism, 26, 200136.

Çengel, Y. A. & Boles, M. A. (2013). Termodinâmica. Rio de Janeiro: McGraw-Hill.

Cenzi, J. R.; Albuquerque, C. & Mady, C. E. K. (2018). The Effect of Carbon Monoxide on the Exergy Behavior of the Lungs. Bioengineering, 5(4), 108.

Cenzi, J. R.; Albuquerque, C. & Mady, C. E. K. (2019). Phenomenological and Thermodynamic Model of Gas Exchanges in the Placenta during Pregnancy: A Case Study of Intoxication of Carbon Monoxide. International. Journal of Environmental Research and Public Health, 16(21), 4138-4154.

Deshko, V.; Buyak, N.; Bilous, I. & Voloshchuk, V. (2020). Reference state and exergy based dynamics analysis of energy performance of the “heat source - human - building envelope” system. Energy, 200, 117534.

Diener. J. R. C. (1997). Indirect calorimetry. AMB Revista da Associação Médica Brasileira, 43, 245-253.

Dovjak, M.; Shukuya, M. & Krainer, A. (2015). Connective thinking on building envelope-human body exergy analysis. International Journal of Heat and Mass Transfer, 90, 1015 – 1025.

Dutta, A.; Chattopadhyay, H. (2020). Exergetic analysis of human respiratory system including effect of age and gender. International Journal of Exergy, 31(4), p. 370-385.

Dutta, A. & Chattopadhyay, H. (2021). Performance analysis of human respiratory system based on the second law of thermodynamics. Journal of Thermal Biology, 96, 102862.

Ferreira, M. S. (2001). Um modelo do sistema térmico do corpo humano. 2001. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo.

Genc, S.; Sorguven, E.; Ozilgen, M. & Kurnaz, I. A. (2013). Unsteady exergy destruction of the neuron under dynamic stress conditions. Energy, 59, 422-431.

Gonçalves, L. C. & Gaspar, P. D. (2011). Energia, Entropia, Exergia – Conceitos úteis e eficiências. International Conference on Engineering UBI2011, University of Beira Interior, Covilhã – Portugal.

Guo, H.; Luo, Y.; Meggers, F. & Simonetti, M. Human Body Exergy Consumption Models’ Evaluation and Their Sensitivities towards Different Environmental Conditions. Energy, 183, 1075-1088.

Henriques, I. B. (2013). Desempenho exergético do corpo humano e de seu sistema respiratório em função de parâmetros ambientais e da intensidade de atividade física. 2013. 101 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Universidade de São Paulo, São Paulo.

Henriques, I. B.; Mady, C. E. K. & Oliveira Junior, S. (2016). Exergy model of the human heart. Energy, 117, 612-619.

Henriques, I. B.; Mady, C. E. K. & Oliveira Junior, S. (2017). Assessment of thermal comfort conditions during physical exercise by means of exergy analysis. Energy, 128, 609-617.

Lima, S. V. M. A.; Nunes, J.; Santos, L.; Silva, G.; Melo, H. & Chaves, S. (2017). O Programa Mais Médicos e a atenção básica no Brasil: uma revisão integrativa. Gestão e Sociedade, 11(30), 1963-1975.

Mady, C. E. K.; Ferreira, M. S.; Yanagihara, J. I.; Nascimento, P. H. S. & Oliveira Junior, S. (2012). Modeling the exergy behavior of human body. Energy, 45(1), 546-553.

Mady, C. E. K. & Oliveira Junior, S. (2013). Human body exergy metabolism. International Journal of Thermodynamics, 16 (2), 73-80.

Mady, C. E. K.; Albuquerque, C.; Fernandes, T. L.; Hernandez, A. J.; Saldiva, P. H. N.; Yanagihara, J. I. & Oliveira Junior, S. (2013). Exergy performance of human body under physical activities. Energy, 62, 370-378.

Mady, C. E. K. (2014). Desempenho termodinâmico do corpo humano e seus subsistemas: aplicações à medicina, desempenho esportivo e conforto térmico. 2014. 168 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Universidade de São Paulo, São Paulo.

Mady, C. E. K.; Ferreira, M. S.; Yanagihara, J. I. & Oliveira Junior, S. (2014a). Human body exergy analysis and the assessment of thermal comfort conditions. International journal of heat and mass transfer, 77, 577-584.

Mady, C. E. K.; Henriques, I. B. & Oliveira Junior, S. (2014b). Method to perform exergy analysis to the human body and daily exergy balance. In: 15th Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering.

Mahmood, I.; Raza, A.; Mehmood, A.; Ahmad, N. & Arif, K. (2020). Evaluation of human brain hyperthermia using exergy balance equation. Journal of Thermal Biology, 93, 102723.

Molliet, D. S. & Mady, C. E. K. (2021). Exergy analysis of the human body to assess thermal comfort conditions: Comparison of the thermal responses of males and females. Case Studies in Thermal Engineering, 25, 100972.

Nóbrega, M. L.; Freire Junior, O. & Pinho, S. T. R. (2013). Max Planck e os enunciados da segunda lei da termodinâmica. Revista Brasileira de Ensino de Física, 35(3).

Oliveira Junior, J. B.; Santos, I. S.; Santana, R. C. R.; Alves, G. A. & Santos, N. A. S. (2021). Segunda lei da termodinâmica: Uma revisão bibliográfica. Cadernos de Graduação - Ciências exatas e tecnológicas, 7(1), 97-106.

Patel, A. K. & Rajput, S. P. S. (2021). Thermodynamic life cycle assessment of humans with considering food habits and energy intake. Saudi Journal of Biological Sciences, 28(1), 531-540.

Pennes, H. H. (1948). Analysis of tissue and arterial blood temperatures in the resting human forearm. Journal of Applied Physiology, 1(2), 93–122.

Petela, R. (2010). Engineering thermodynamics of thermal radiation for solar power. New York: McGraw Hill.

Prek, M. & Butala, V. (2010). Principles of exergy analysis of human heat and mass exchange with the indoor environment. International Journal of Heat and Mass Transfer, 53(25), 5806–5814.

Rabi, J. A.; Silva, R. L. & Oliveira, C. E. L. (2012). Human termal comfort: na irreversibility-based approach emulating empirical clothed-body correlations and the conceptual energy balance equation. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 34(4), 450-458.

Rahman, A. (2007). A novel method for estimating the entropy generation rate in a human body. Thermal Science, 11(1), 75-92.

Reis, M. C.& Bassi, A. B. M. S. (2012). A segunda lei da termodinâmica. Química Nova, 35(5), 1057-1061.

Reis, M. T. & Mady, C. E. K. (2019). Análise exergética do sistema respiratório em fumantes passivos asmáticos. Revista dos Trabalhos de Iniciação Científica da UNICAMP, 27.

Ribeiro, T. J. S. (2018). Análise exergética do sistema térmico do corpo humano para avaliação de conforto térmico. 2018. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Universidade Estadual de Campinas, Campinas.

Ribeiro, T. J. S. & Mady, C. E. K. (2022). Comparison among exergy analysis methods applied to a human body thermal model. Energy, 239, 122446.

Rodriguez-Illera, M.; Nikiforidis, C. V.; Goot, A. J. & Boom, R. M. (2017). Exergy efficiency from staple food ingredients to body metabolism: The case of carbohydrates. Journal of Cleaner Production, 142, 4101-4113.

Roll, J. B.; Borges, M. L.; Mady, C. E. K. & Oliveira Junior, S. (2019). Exergy Analysis of the Heart with a Stenosis in the Arterial Valve. Entropy, 21(6), 563-575.

Santos, T. A. (2017). Educação Física na recuperação de usuários de Álcool e Drogas: uma revisão sistemática. 2017. Monografia (Graduação em Educação Física) – Universidade do Estado da Bahia, Jacobina.

Silva, S. R.; Niquini, G. R.; Turetta, L. F. & Costa, A. O. S. (2018). Aplicação da Propriedade Termodinâmica Exergia na Avaliação de Processos de Produção de Etanol Lignocelulósico: Uma Revisão. Revista Virtual de Química, 10(5), 1263-1279.

Smith, J. M.; Van Ness, H. C. & Abbot, M. M. (2007). Introdução à Termodinâmica da Engenharia Química. Rio de Janeiro: Editora LTC.

Sousa, W. B.; Alencar, M. C. B.; Silveira, D. C.; Moreira, H. W. D. & Martins, K. Y. N. (2020). Análise da influência da exergia no conforto térmico do corpo humano: Uma revisão integrativa. Revista Valore, 5, 5016.

Souza, C. J. M. (2020). Análise exergética de um coração: Aplicações a corações sujeitos à Doença de Chagas. XXVIII - Congresso Virtual de Iniciação científica da Unicamp, Campinas.

Spanghero, G. M.; Albuquerque, C.; Fernandes, T. L.; Hernandez, A. J. & Mady, C. E. K. (2018). Exergy Analysis of the Musculoskeletal System Efficiency during Aerobic and Anaerobic Activities. Entropy, 20 (2),119.

Turhan, C. & Akkurt, G. G. (2019). The relation between thermal comfort and human-body exergy consumption in a temperate climate zone. Energy & Buildings, 205, 109548.

Published

23/06/2022

How to Cite

LEITE, A. C. N. .; SOUSA, G. de M. .; ALBUQUERQUE, J. C. .; CATÃO, M. das N. de S. .; DINIZ, P. P. .; CARVALHO, R. de O. .; OLIVEIRA, H. L. .; NASCIMENTO, J. J. da S. . Integrative review of exergy analysis in the human body. Research, Society and Development, [S. l.], v. 11, n. 8, p. e37711830990, 2022. DOI: 10.33448/rsd-v11i8.30990. Disponível em: https://www.rsdjournal.org/index.php/rsd/article/view/30990. Acesso em: 29 apr. 2024.

Issue

Section

Review Article