к модулям / Модуль Метаболизм / Модуль Метаболизм физика 05

1 Метаболизм - это обмен в-в, предмтавляющий собой совокупности хим и физ превращений, происходящих в живом о-ме и обеспечивающих его жизнедеятельности во взаимосвязи с внешней средой. Термодинамика - раздел физики, кот изучает превращение Е из дного вида в др или работу по этому превращению. Выжнейшим св-вом биологических систем является их способность получать и преобразовывать Е в различных формах. Существует 2 вида Е: кинетическая: Ек = mv² / 2, и потенциальная: Еп = mgh, Е = qq₂ / r² (q - заряд, r - расстояние). (1). V - является функцией состояния системы [Дж] и для данного состояния имеет определенное значение. _/\V - разность 2х значений внутренней Е, соответствующихначальному и конечному состоянию системы: _/\V = V₂ - V₁. Q - физ величина, хар-ая изменение внутренней энергии тела при теплообмене. 1К = 4,2 Дж. 1е начало термодинамики: Q = _/\V + A. Кол-во теплоты, переданное системе расходуется на изменение внутренней Е системы и совершение системой работы. В зависимости от того какие рассматриваются процессы изменение V и A будут различны: T = const, тогда Q = А (изотермический); Р = const, тогда Q = _/\V + р_/\V (изобарический); V = const, тогда Q = _/\V (изохорический).

2 Свободная Е живого о-ма. Потребность о-ма к Е хар-ся ткаим уровнем ее потребления с пищей при кот на фоне неизменной m тела, физической активности, скоростях роста и обновления о-ма, достигается энергетический баланс поступления и расхода Е. Живые о-мы получают Е в виде потенциалной энергии пит в-в. Эта Е аккумулируется в хим связях молекул БЖУ, которые преобразуются в конечные продукты обмена с более низким содержанием энергии. Высвобождающаяся в процессе биологического окисления энергия использутся прежде всего для синтеза АТФ, кот как универсальный источник энергии необходим для последовательного осуществления механической работы, хим синтеза и обновления структур, транспорта в-в. Одна часть аккумулированной Е в процессе биологического окисления используется для синтеза АТФ, другая - превращается в первичную теплоту. Вторичная теплота образуется в процессе затраты энергии на производство различных видов работы. Таким образом ели измерить все кол-во тепла, образовавшегося в о-ме за какой-то промежуток времени, то это тепло станет мерой суммарной энергии хим связей пит в-в, подвергшихся за время измерения биол окислению. На биол окисление расходуется О₂ > измерив кол-во потребленного О₂ за опр промежуток времени, можно судить о величине энергозатрат. Калорийный эквивалент О₂ - отражает связ между кол-вом потребленного О₂ и кол-вом образовавшегося тепла.

3 Теплообмен. Теплопроводность. Высвобождающаяся при биологическом окислении пит в-в Е, превращается в тепло, кот при его накоплении в тканях ведет к / t тела. Скорость биологичкого окисления / при / t. Чем интенсивнее протекают обменные процессы, тем больше в о-ме образуется тепла. Но не смотря на такую зависимость, ускорения обмена и роста t тела не происходит. Это объясняется тем, что / t тела по отношению к t окр среды сопровождается увеличением теплоотдачи. Теплопроводность - процесс теплообмена между телами, находящимися в непосредственном контакте. При наличии разности t, между ними устанавливается тепловой поток. Кол-во тепла, отдаваемого таким способом, пропорционально разности средних температур контактирующих тел, площади контактирующих поверхностей, времени теплового контакта и теплопроводности контактирующего тела. (1). Мех-м теплопроводности: изменение внутренней энергии системы осущ-ся в результате теплового хаотического движения молекул. более нагретые молекулы движутся быстрее и имеют большую кинетич Е. при соударении происходит передача кинетич Е от одних молекул к другим. Теплопроводность и конвекция становятся неэффективными способами теплоотдачи при выравнивании t поверхности тела и t окр среды.

4 Теплообмен. Конвекция. Испарение. Высвобождающаяся при биологическом окислении пит в-в Е, превращается в тепло, кот при его накоплении в тканях ведет к / t тела. Скорость биологичкого окисления / при / t. Чем интенсивнее протекают обменные процессы, тем больше в о-ме образуется тепла. Но не смотря на такую зависимость, ускорения обмена и роста t тела не происходит. Это объясняется тем, что / t тела по отношению к t окр среды сопровождается увеличением теплоотдачи. Конвекция - способ теплоотдачи о-ма, осуществляетмый путем переноса тепла движущимися частицами воздуха или воды. Для теплоотдачи путем конвекции требуется обтекание поверхности тела потоком воздуха с более низкой t, чем t тела. При этом контактирующий с кожей слой воздуха нагревается, снижается его плотность, он поднимается и замещается более холодным, кот имеет большую плотность. Количество отдаваемого конвекцией тепла возрастает при увеличении скорости движения воздушных потоков. Теплопроводность и конвекция становятся неэффективными способами теплоотдачи при выравнивании t поверхности тела и t окр среды. тогда - Испарение - способ теплоотдачи за счет затраты его Е на испарение влаги с поверхности кожи и со слизистых дых путей. Испарение возможно если влажность воздуха меньше 100%.

5 Тепловое излучение - электромагнитное излучение, испускаемое в-вом и возникающее за счет его внутренней энергии. ТИ обуславливается возбуждением частиц в-ва при соударениях в процессе тепловог движения или ускоренным движением харядов (колебания ионов кристаллической решетки, тепловое движение свободных электронов). ТИ возникает при t выше 0 по Кельвину, поэтому присуще любым телам. Характеристики ТИ: 1 - поток излучения (Ф) - энергия, кот излучает все тело за единицу времени [Вт]. 2 - энергетическая светимость (Re) - энергия ТИ, испускаемая с единичной поверхности нагретого тела за единицу времени. Re = Ф/S [Вт/м²]. Спектральная плоскость энергетической светимости (испускательная способность) - отношение энергетической светимости в узком участке спектра к ширине этого участка: (1). Зная спектральную плотность энергетической светимости тела можно рассчитать энергетическую светимость в любом диапазоне.

6 Коэффициент поглощения. Типы поглощения. Способность тела поглощать Е хар-ся Кп. Кп = отношению потока излучения, поглощенного данным телом, к потоку излучения, упавшего на него. Если на тело падает поток монохроматического излучения, то в общем случае тело поглощает только часть этого потока. Величина, показывающая какая часть излучения поглощается телом называется монохроматическим Кп. (1). Кп (альфа) изменяется от 0 до 1 и зависит не только от длины волы, но и от t тела. Типы поглощения: 1 - абсолютно черное тело - тело, Кп которого = 1, т.е поглощает все падающие на него лучи. 2 - абсолютно белое тело - толо, Кп которого = 0, т.е тело абсолютно не поглощает излучение. 3 - серое тело - Кп меньше 1. (кожа человека - Кп = 0,9).

7 Законы Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина. Закон Кирхгофа устанавливает количественную связь между излучением и поглощением: При одинаковой t отношение спектральной плоскости энергетической светимости к монохроматичекому коэффициенту поглощения одинаково для всех тел и = спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела. (1). Следствия: 1 - если тело не поглощает какое либо излучение, то оно его и не испускает. 2 - при одинаковой t черное тело излучает больше, чем любое другое. 3 - если эксперементально определить спектр черного тела, зависимость монохроматического коэффициента поглощенияот длины волны, то можно рассчитать спектр излучения этого ткла. (2). Эпсилон - спектральная плотность энергетической светимости. З-н Стефана-Больцмана: Энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной t. (3). Вин определил длину волны, соответствующую максимаоьной испускающей способности. З-н смещения Вина: Длина волны, на которую приходится максимум спектра излучения черного тела, обратно пропорциональна абсолютной t. (4). З-н Вина показывает как смещается длина волны на которую приходится максимум энергии излучения черного тела при / t.

8 Теория Планка. Излучение солнца. Многочисленные попытки определить вид ф-ии эпсилон(лямбда,Т), опираясь на законы классической физики не привели к успеху. В 1900г. Макс Планк получил для испускательной способности абсолютно черного тела формулу, которая полностью совпадает с эксперементальными данными для всех длинн волн. По теории Планка излучающее тело - совокупность объектов, совершающих колебания, энергия которых может изменяться порциями или квантами. Постоянная Планка очень мала, каждый квант несет очень малую энергию, поэтому при больших потоках излучения его дискретная природа незаметна. (1). К - постоянная Планка, С - скорость света в вакууме. Излучение солнца. Спектры солнечного излучения на границе земной атмосферы и на поверхности земли различны. Спектр на границе атмосферы близок к спектру черного тела. При этом максимум спектра излучения приходится на длину волны = 470 нм. Спектр на поверхности земли имеет несколько линий поглощения. Его максиум расположен около 555 нм, что соответствует наилучшей чувствительности глаза. Солнечная постоянная (I) характеризует мощность солнечного излучения, приходящегося на 1 м² площади. На границе земной атмосферы I = 1350 Вт/м². На экваторе 1120 Вт/м², в Москве 930 Вт/м².

9 Термография. У человека тепловое излучение составляет около 50% от общей теплопотери. Максимум излучения приходится на длину волны = 9,5 мкм. Мощность, теряемая телом человека при взаимодействии с окр средой посредством излучения = (1). ТИ человека может быть использовано как диагностический параметр. Термография - диагностический метод, основанный на измерении регистрации теплового излучения поверхности тела человека или его отдельных участков. Определение различий температур осущ-ся 2мя способами: 1 - использование жидких кристаллов, физический св-ва которых чувствительны к небольшому изменению t. По изменению цвета жидких кристаллов можно определить местное изменение t. 2 - использование приборов ночного видения (тепловизоров). В системе тепловизора используются оптические преобразователи изображения из одной области спектра в другую. На вход такой системы подается сигнал в области инфракрасного излучения, а на выходе воспроизводится в области видимого света. Части тела с разной t различаются на экране либо цветом, либо интенсивностью - тепловой портрет.

1 Метаболизм 2 Свободная Е живого о-ма. 3 Теплообмен. Теплопроводность 4 Теплообмен. Конвекция. Испарение 5 Тепловое излучение 6 Коэффициент поглощения. Типы поглощения 7 Законы Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина. Закон Кирхгофа 8 Теория Планка. Излучение солнца 9 Термография