Физика ответы на экзаменационные вопросы стомат

Ответы на экзаменационные вопросы

Та ким о бр азом , ме жду о бъем но й и лин е йно й с кор ос т я- м и с ущес твуе т с ле дую щее соо тноше ние :

Q Sv const – уравнение неразрывности.

Через любое сечение ст руи в единицу времени проходит одинаковый объем жидкости .

Данное уравнение можно применить к рассмотрению движения крови в организме человека. Для кровообращения характерно сплошное течение и условие неразрывности струи в гемодинамике может быть сформулировано следующим образом: в любом сечении серде ч -

но-сосудист ой системы объемная скорост ь кровот ока одинакова . Это значит, что объем крови, протекший в единицу времени через аорту или артериальную систему, через артериолы или капилляры, через вены и венулы, одинаков.

Так как Q const , а S – площадь общего сечения - меняется, то

линейная скорость кровотока должна меняться. Она зависит от общей ширины данного отдела сосудистого русла. Чем больше общая площадь сечения сосудов, тем меньше линейная скорость кровотока. Суммарная площадь сечения капилляров примерно в 700-800 раз больше площади поперечного сечения аорты. Поэтому линейная скорость кровотока в них в 700-800 раз меньше, чем в аорте и составляет около 1 мм/с. В аорте в покое v = 0,5-1 м/с, а при большой физической нагрузке может составлять до 20 м/с !!!

v

Аорта Артерия Артериола Капилляры Вены

Рис. 15 График распределения скорости кровотока в различных сосудах

31

10. Работа и мощность сердца. Методы измерения давления крови и скорости кровотока.

Сердце переводит химическую энергию АТФ в механическую работу. Сокращение сердечной мышцы создает разность давлений в артериальной и венозной системах, благодаря чему возникает движение крови. Фаза сокращения сердца – систола, фаза расслабления – диастола. При каждом сокращении правый и левой желудочки выбрасывают одинаковое количество крови, называемое систолическим объемом

(ударным объемом Vc ). При физической работе и эмоциях Vc увеличи-

вается в 2-3 раза.

Объем крови, выбрасываемый сердцем в минуту, называют минутным объемом кровотока, который равен систолическому объему, умноженному на число сердечных сокращений.

От систолического объема зависит работа сердца. Работа, совершаемая сердцем, идет на выталкивание крови в магистральные артериальные сосуды против сил давления и на придание крови кинетической энергии. Первый компонент работы называется статическим (потенциальным), второй – кинетическим.

Статистический компонент работы сердца вычисляется по фор-

муле: Аст Рст Vcт , где Рст – давление, под которым кровь выбрасы-

вается в аорту.

Кинетический компонент работы сердца рассчитывается сле-

дующим образом:

Акин mv2 Vc v2 ,

2 2

где

– плотность крови (103 кг/м3)

v– скорость кровотока в аорте (0,7 м/с)

В малом кругу кровообращения кровь встречает меньшее сопротивление и поэтому начальное давление в правом желудочке примерно в 5 раз меньше, чем в левом. Начальные скорости кровотока в большом и малом кругах практически раны.

Поэтому работа сердца рассчитывается следующим образом:

32

Ответы на экзаменационные вопросы

Средняя мощность миокарда

N Aсерд ,

t

где

t – время одного сокращения желудочков.

Методы измерения давления крови и скорости кровотока

Методы измерения делят на прямые (кровавые, когда артерия непосредственно соединяется с измерительным прибором) и непрямые (бескровные) методы.

Метод Рива-Роччи и Короткова.

У человека между плечом и локтем накладывается полая резиновая манжетка и в нее накачивается воздух до тех пор, пока в лучевой артерии не прекратится ток крови и не исчезнет пульс. Затем воздух из манжетки с помощью вентиля понемногу выпускают, и давление на артерию ослабевает. Когда давление на артерию станет равным систолическому давлению, кровь начинает проталкиваться через сдавленную артерию и в ней создается турбулентный поток, сопровождаемый шумами. Систолическое давление по Рива-Роччи определялось пальпаторно. Коротков описал серию звуковых явлений сопровождающих турбулентный поток. Систолическое давление совпадает с появлением токов над сосудом и регистрируется по манометру. При дальнейшем снижении давления в манжете просвет артерии постепенно восстанавливается, течение крови становится ламинарным, и шумы исчезают. Показание манометра в момент исчезновения шумов соответствует мини-

мальному, т.е. диастолическому давлению.

Более совершенный метод измерения давления основан на эффекте Доплера – изменение частоты волн, воспринимаемых приемниками, вследствие относительного движения источника волн и приемника. Под манжетку на поверхность тела накладывают излучатель и приемник ультразвука. На артерию направляют ультразвуковую волну. Когда давление в манжетке становится меньше систолического, артерия разжимается, ее стенки начинают двигаться и при отражении ультразвуковой волны от движущейся стенки возникает эффект Доплера, т.е. изменение частоты ультразвука, воспринимаемого регистрирующим прибором. Давление в манжетке, когда эффект Доплера прекращается, соответствует диастолическому.

Методы исследования скорости кровотока могут быть разделены на 4 группы:

33

1.Прямое измерение, например, способ счета капель, вытекающих за определенное время из вены изучаемого органа. Но для артериального кровотока этот метод неприменим.

2.Непрямые физические методы - измерение физических эффектов, пропорциональных величине кровотока, но возникающих вследствие термических, электрических или механических воздействий, оказываемых на сосуды извне.

3.Измерение кровотока по количеству и концентрации переносимых кровью веществ.

4.Плетизмографические методы, т.е. методы исследования наполнения, части тела кровью, основанные на графической регистрации изменения объема или сопутствующих электрических явлений.

11.Предмет термодинамики. Основные понятия. Первое

начало термодинамики и его применение для анализа процессов в биологических системах. Теплообмен, виды теплообмена. Уравнение теплового баланса живого организма. Энерготраты организма. Калориметрия.

Предмет термодинамики. Основные понятия.

Термодинамика изучает закономерности превращения энергии при ее переносе в форме теплоты и работы между телами. Термодинамика рассматривает только энергетическую сторону процессов. Объект исследования – термодинамическая система. Термодинамическая система

– часть пространства с материальным содержимым, ограниченная воображаемой оболочкой и состоящая из очень большого числа структурных единиц.

Классификация термодинамических систем:

1.Открытые. Обмениваются с внешней средой энергией и веществом. Например, живые организмы.

2.Закрытые. Обмениваются с внешней средой только энергией. Например, планета Земля.

3.Изолированные. Не обмениваются с внешней средой ни энергией, не массой. Например, газ в термостате.

Для описания термодинамических систем используют параметры

ивеличины:

В не шние . Определяются внешними телами по отношению к системе. Например, объем V.

В нутр е нние . Зависят от положения тел и взаимодействия внутренних частиц системы.

34

Ответы на экзаменационные вопросы

Аддитивны е ( экс те нс ивные) . Параметры, пропорциональные массе или числу частиц в системе. Например, объем, масса, энергия, энтропия, энтальпия и тд. Эти параметры характеризуют систему как целое.

Не а ддитивны е ( инте нс ивные) . Параметры не зависят от массы и числа частиц в системе. Например, давление, температура, химический потенциал. Параметры могут принимать определенные значения в каждой точке системы.

Функции с о с то яния . В данный момент характеризуют систему. Например, определенная энергия, масса давление и тд.

Не функции с ос то яния . Характеризуют процесс, который происходит в системе. Например. работа, количество теплоты, теплоемкость.

Свойство транзитивности термодинамического равновесия.

Опыт показывает, что если система А находится в равновесии с системой В, а система В находится в равновесии с системой С, то А и С также находятся в равновесии.

Нулевое начало термодинамики.

Опыт показывает, что любая изолированная система с течением времени приходит в равновесие.

Процесс установления термодинамического равновесия – релакса-

ция.

Время установления термодинамического равновесия – время ре-

лаксации.

da a физически бесконечно медленный процесс dt

a – параметр

a – изменение параметра– время релаксации

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики устанавливает соотношение между

внутренней энергией системы (U - суммарная энергия теплового движения частиц, составляющих систему), энергией переданной системе в виде тепла и совершенной работой. Экспериментально установлено, что

изменение внутренней энергии U в замкнутой системе при ее переходе из первого состояния во второе равно

U U1 U2 Q A (1),

35

где:

Q - количество теплоты, сообщенное системе;

A – работа, совершаемая системой [Дж];

U – изменение внутренней энергии системы [Дж]

Q и A – функции процесса. Их нельзя выразить в виде двух значений какого-либо параметра в конечном и начальном состоянии.

Для бесконечно малых U , Q , A : dU Q A

ЗначенияU , Q , A , dU,Q,A могут быть положительными - теплота

передается системе внешними телами, внутренняя энергия увеличивается, или отрицательными – теплота отнимается от системы, внутренняя энергия увеличивается.

Таким образом, первое начало термодинамики гласит:

При изме не нии с ос то яния термоди нами чес кой сис темы и з- ме не ни е вну тре н ней энергии с ис те мы опр еделяе тс я ко л и- че с твом сообще нного сис теме теп ла за выче том со ве р - ше нно й си стемо й р а бо ты

Первое начало термодинамики полностью применимо к живым организмам. Однако формула (1) не удобна для биологии, так как не отражает сути термодинамических процессов, происходящих в живых организмах. Перепишем ее в следующем виде:

A Q U

Из этого уравнения следует, что работа может совершаться либо за счет изменений внутренней энергии, либо за счет сообщения системе некоторого количества тепла. Однако в живых организмах, например, в мышцах, работа не может совершаться за счет притока тепла извне, то есть живой организм не может работать как тепловая машина.

Теплообмен. Виды теплообмена.

Теплообмен – необратимый самопроизвольный процесс переноса теплоты, обусловленный градиентом температуры (градиент – это мера возрастания или убывания в пространстве какой-либо физической величины на единицу длины). Вся тепловая энергия, которая образуется в организме человека, уходит из него.

На поверхности тела теплообмен осуществляется четырьмя основными способами:

1.теплопроводностью,

2.конвекцией,

3.излучением,

4.испарением.

36

Ответы на экзаменационные вопросы

Теплопроводность

Теплопроводность – перенос теплоты от более нагретого тела к холодному. При этом перенос энергии осуществляется в результате передачи энергии при соударениях от быстродвижущихся атомов молекул (в более нагретом состоянии) медленно движущимся атомам и молекулам холодного тела. То есть теплопроводность – процесс передачи энергии при столкновениях на микроскопическом уровне, но без заметного движения вещества. Экспериментально установлено, что количе-

ство теплоты Qт , которое переносится путем теплопроводности, дается выражением

k – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопроводности, и характеризующий материал, через который происходит перенос тепла;

S – площадь соприкосновения тела со средой; t – время теплообмена;

Тн Тх – перепад температур между нагретым и холодным телом, то есть между поверхностью тела человека и окружающей средой;

l – толщина слоя, через который происходит перенос тепла.

Конвекция

Конвекция – это процесс, благодаря которому теплота переносится за счет перемещения большого числа молекул из одного места в другое. Различие между явлениями конвекции и теплопроводности состоит в том, что при теплопроводности молекулы перемещаются на очень малые расстояния (порядка длины свободного пробега) и затем сталкиваются, а при конвекции молекулы перемещаются на значительные расстояния.

Различают естественную и вынужденную конвекцию. При естест-

венной конвекции перемещение среды может быть вызвано имеющейся разностью температур в разных ее частях. Например, вблизи нагревателя воздух расширяется, его плотность по сравнению с другими уменьшаются, что приводит к его подъему, а холодный воздух, как более плотный и тяжелый, опускается вниз. Примером вынужденной конвекции является нагреватель с вентилятором, с помощью которого нагретый воздух вдувается в помещение, то есть в этом случае имеется внешняя сила, приводящая среду в движение. Перенос тепла при конвекции описывается формулой

Qк kSt Тн Тх

37

где:

k – коэффициент пропорциональности при конвекции. Он не является постоянным, а зависит от конкретных условий, в которых находится организм (от особенностей действия внешней среды).

Излучение

Перенос тепла излучением осуществляется путем испускания инфракрасных лучей. Существенное отличие излучения от теплопроводности и конвекции заключается в том, что оно может протекать при отсутствии материальной среды, разделяющей поверхности теплообмена, так как электромагнитное излучение распространяется и в вакууме.

Для абсолютно черного тела потеря тепла на излучение находится по формуле:

QR S t Tн Тх ,

Вт

м2 К

Как показали эксперименты, количество теплоты, излучаемое нагретым телом (кожей человека), также приближенно можно найти по указанной формуле. Так как кожа человека практически полностью поглощает инфракрасное излучение, и ее можно считать абсолютно черным телом.

Испарение. Уравнение теплового баланса

Испарение – переход вещества из жидкого состояния в газообразное (пар). Тепло, отдаваемое организмом посредством испарения, вычисляется по формуле:

Qи L m

где:

L - удельная теплота испарения (для воды L 2,26 106 Джкг ); m – масса жидкости, испарившейся с поверхности тела.

Испарение является наиболее эффективным видом теплообмена организма при высокой температуре и низкой влажности внешней среды. При повышении температуры окружающейся среды испарение увеличивается.

Все остальные виды теплообмена функционирует лишь при температуре внешней среды более низкой по сравнения с температурой кожи человека. При температуре внешней среды более высокой, чем темпера-

38

Ответы на экзаменационные вопросы

тура кожи человека, они способствуют дополнительному нагреву организма.

Сказанное представлено в уравнении теплового баланса орга-

низма человека

M Qи Qк Qт QR 0 , где:

M – теплопродукция, определяемая интенсивностью обмена веществ. Знак «+» при температуре среды более высокой, чем температу-

ра кожи Тсреды Т кожи , знаки « - » при Тсреды Т кожи .

Виды работ, совершаемых организмом

1.Синтез белка (40% всей работы организма)

2.Поддержание физико-химических градиентов на клеточных мембранах (20% работы организма) – активный транспорт требует энергозатрат

3.Механическая (мышечная) работа

Энерготраты организма. Калориметрия.

Энерготраты организма – это полное количество тепла, отдаваемое живым организмом окружающей среде. Зная энерготраты, можно определить потребность организма в энергии.

Энерготраты существенно зависят от условий, в которых находится организм, и от характера его деятельности, так как это влияет на обмен веществ. Чем интенсивнее работа, тем выше темп энерготрат.

Относительно постоянный уровень энергетических затрат в условиях физического и эмоционального покоя называется основным обменом. По существу, о с но вно й о бме н – это м инима льные энер г о - тра ты ор га низм а .

Для определения энерготрат организма необходимо найти количество тепла, которое выделяет организм во внешнюю среду за определенное время. Существуют два метода определения эенрготрат: прямая и непрямая калориметрия.

Метод непрямой калориметрии основан на оценке энергетиче-

ского обмена по количеству потребляемого кислорода и выделяемого углекислого газа в контролируемых условиях. (Этот метод рассматривается в курсе нормальной физиологии).

Метод прямой калориметрии позволяет непосредственно измерять количество тепла, выделяемое живым организмом при помощи специальных калориметров. В 1788 г. Лавуазье и Лапласом по скорости таянья льда, окружавшего калориметр, была найдена теплота, выделенная животным, которое находилось в этом калориметре. В некоторых современных системах прямой калориметрии в калориметре циркулирует жидкость. Тепло, выделяемое находящимся в калориметре живот-

39

ным, нагревает эту жидкость. Для вычисления количества выделенного организмом тепла используется данные о количестве протекающей жидкости и изменению ее температуры.

12. Второе начало термодинамики для изолированных систем. Энтропия и термодинамическая вероятность. Второе начало термодинамики для живых организмов. Стационарное состояние и термодинамическое равновесие.

Первый закон термодинамики позволяет определить количественные соотношения между различными формами энергии, которые участвуют в данном процессе. Однако, он ничего не говорит о возможности протекания данного процесса и о направлении, в котором он будет протекать. Ответ на этот вопрос дает второе начало термодинамики. Оно говорит о том, что все процессы превращения энергии протекают с рассеиванием некоторой части энергии в виде тепла.

Термодинамический процесс – это изменение состояния системы при изменениях каких-либо параметров системы. Термодинамические процессы бывают обратимыми и необратимыми.

Обратимым считается такой процесс, который можно осуществлять в обратном направлении без каких-либо изменений в окружающей среде, при этом система проходит через одни и те же промежуточные состояния, только в обратной последовательности. Такой переход в первоначальное состояние не требует дополнительной затраты энергии, например, чисто механические процессы, которые протекают без трения (математический маятник). Обратимыми являются и термодинамические равновесные процессы.

Необратимым является такой термодинамический процесс, в котором обратный переход системы в первоначальное состояние связан с необходимостью затрат энергии извне. Все реальные процессы протекают с превращением части энергии в тепло. Чем бо льше энергии пе рехо дит в те пло , тем бо лее нео бра тимым являе тс я пр о - це сс . Примерами необратимых процессов являются расширение газа в пустоту, процесс диффузии, процесс теплоотдачи от более нагретого тела к холодному.

Энтропия (S) – внутренний, аддитивный параметр, функция состояния. Энтропия – мера беспорядка.

Физический смысл: чем больше энтропия, тем больше беспоря-

док.

Изменение энтропии при изотермической передаче:

dS Q [S] Дж T К

При бесконечно малых изменениях состояния закрытой системы изменение энтропии имеет вид

40