15

.

A

Q

h=

27. Термометрия и калориметрия

Точные измерения температур являются неотъеƒ

млемой частью научноƒисследовательских и техничеƒ

ских работ, а также медицинской диагностики.

Методы получения и измерения температур в широƒ

ком диапазоне весьма различны. Область физики, в коƒ

торой изучаются методы измерения температуры исвяƒ

занные с этим вопросы, называют термометрией. Так

как температура определяется по значению какойƒлиƒ

бо характеристики термометрического вещества, то

ее определение состоит в измерении таких физичеƒ

ских параметров и свойств, как объем, давление,

электрические, механические, оптические, магнитные

эффекты и т. п. Разнообразие методов измерения темƒ

пературы связано с большим количеством термомеƒ

трических веществ и свойств, используемых при этом.

Термометр— устройство для измерения темпераƒ

туры — состоит из чувствительного элемента, в котоƒ

ром реализуется термометрическое свойство, и изƒ

мерительного прибора (дилатометра, манометра,

гальванометра, потенциометра и т. д.). Необходимое

условие измерения температуры — тепловое равноƒ

весие чувствительного элемента и тела, температура

которого определяется. В зависимости от измеряемых

интервалов температур наиболее распространены

жидкостный, газовый термометры, термометр сопроƒ

тивления, термопара как термометры и пирометры.

В жидкостном термометре термометрической хаƒ

рактеристикой является объем, чувствительным элƒ

ементом — резервуар с жидкостью (обычно ртутью

или спиртом). В пирометрах в качестве термометриƒ

ческого свойства используется интенсивность излуƒ

чения.

28. Физические свойства нагретых

и холодных сред,

используемых для лечения

В медицине с целью местного нагревания или охƒ

лаждения применяют нагретые или холодные тела.

Обычно для этого выбирают сравнительно доступные

среды, некоторые из них могут оказывать при этом и поƒ

лезное механическое или химическое действие.

Физические свойства таких сред обусловливаются

их назначением. Воƒпервых, необходимо, чтобы в теƒ

чение сравнительно длительного времени был произƒ

веден нужный эффект. Поэтому используемые среды

должны иметь большую удельную теплоемкость (воƒ

да, грязи) или удельную теплоту фазового превращеƒ

ния (парафин, лед). Воƒвторых, среды, накладываƒ

емые непосредственно на кожу, не должны вызывать

болезненных ощущений. Это с одной стороны ограниƒ

чивает температуру таких сред, а с другой — побуждаƒ

ет выбирать среды с небольшой теплоемкостью. Так,

например, вода, применяемая для лечения, имеет

температуру до 45 °С, а торф и грязи — до 50 °С, так

как теплообмен (конвекция) в этих средах меньше,

чем в воде. Парафин нагревают до 60—70 °С, так как

он обладает небольшой теплопроводностью, а части

парафина, непосредственно прилегающего к коже,

быстро остывают, кристаллизуются и задерживают

приток теплоты от остальных его частей.

В качестве охлаждающей среды, используемой для

лечения, употребляется лед.В последние годы достаƒ

точно широкое применение в медицине нашли низкие

температуры.При низкой температуре осуществляют

такую консервацию отдельных органов и тканей в свяƒ

зи с трансплантацией, когда достаточно долго сохраƒ

26. Стационарное состояние.

Принцип производства энтропии.

Организмкак открытая система

Выше была описана направленность термодинамиƒ

ческих процессов в изолированной системе. Однако

реальные процессы и состояния в природе и технике

являются неравновесными, а многие системы — отƒ

крытыми.

Эти процессы и системы рассматриваются в неравƒ

новесной термодинамике. Аналогично тому как в равƒ

новесной термодинамике особым состоянием являƒ

ется состояние равновесия, так в неравновесной

термодинамике особую роль играют стационарные соƒ

стояния. Несмотря на то что в стационарном состоянии

необходимые процессы, протекающие в системе

(диффузия, теплопроводность и др.), увеличивают энƒ

тропию, энтропия системы не изменяет.

Представим изменением энтропии DS системыв виƒ

де суммы двух слагаемых:

DS =DSi + DSl,

гдеDSi — изменение энтропии, обусловленное

необратимыми процессами в системе;

DSl — изменение энтропии, вызванное взаимоƒ

действием системы с внешними телами (потоки,

проходящие через систему).

Необратимость процессов приводит к DSi > 0, стаƒ

ционарность состояния — к DSi = 0; следовательно:

DSl = DS – DSi < 0.

Это означает, что энтропия в продуктах (вещество

и энергия), поступающих в систему, меньше энтропии

в продуктах, выходящих из системы.

25а26а

27а

28а

12

1

.

QQ

Q

h

+

=

25. Второе начало термодинамики.

Энтропия

Существует несколько формулировок второго закона

термодинамики: теплота сама собой не может перехоƒ

дить от тела с меньшей температурой к телу с большей

температурой (формулировка Клаузиуса), или невозƒ

можен вечный двигатель второго рода (формулировка

Томсона).

Процесс называют обратимым, если можно соверƒ

шить обратный процесс через все промежуточные соƒ

стояния так, чтобы после возвращения системы в исƒ

ходное состояние в окружающих телах не произошло

какихƒлибо изменений.

Коэффициентом полезного действия тепловой маƒ

шины, или прямого цикла, называют отношение соƒ

вершенной работы к количеству теплоты, полученноƒ

му рабочим веществом от нагревателя:

Так как работа тепловой машины совершается за

счет количества теплоты, а внутренняя энергия рабоƒ

чего вещества за цикл не изменяется (DU = 0), то из

первого закона термодинамики следует, что работа в

круговых процессах равна алгебраической сумме коƒ

личеств теплоты:

A = Q

1

+ Q

2

.

Следовательно:

Количество теплоты Q

1

, полученное рабочим вещеƒ

ством, положительно, количество теплоты Q

2

, отданƒ

16

2

21

1

.

dQ

SSS

T

=−=

ò

+

25б

26б

27б

28б

0

.

dQ

SS

T

=+

ò

+

22

21

11

1

,

dQQ

SSdQ

TTT

−===

òò

,

e

i

dS

dS

dS

dtdt

=+

няется способность к жизнедеятельности и норƒ

мальному функционированию.

Криогенный метод разрушения ткани при замораƒ

живании и размораживании используется медикаƒ

ми для удаления миндалин, бородавок и т. п. Для

этой цели создают специальные криогенные аппараƒ

ты и криозонды.

С помощью холода, обладающего анестезирующим

свойством, можно уничтожить в головном мозге клетƒ

ки ядер, ответственные за некоторые нервные забоƒ

левания, например паркинсонизм.

В микрохирургии используют примерзание влажных

тканей к холодному металлическому инструменту для

захвата и переноса этих тканей.

В связи с медицинским применением низкой темпеƒ

ратуры появились новые термины: «криогенная медиƒ

цина», «криотерапия», «криохирургия» и т. д.

При измерении сверхнизких температур терƒ

мометрическим веществом служат парамагнеƒ

тики, а измеряемым свойством — зависимость их наƒ

магниченности от температуры.

Используемый в медицине ртутный термометр укаƒ

зывает максимальную температуру и называется макƒ

симальным термометром. Эта особенность обуслоƒ

влена его устройством: резервуар с ртутью отделен от

градуированного капилляра сужением, которое не поƒ

зволяет ртути при охлаждении термометра возвраƒ

титься врезервуар. Существуют и минимальные терƒ

мометры, показывающие наименьшую температуру,

наблюдаемую за длительный промежуток времени.

Для этой цели служат термостаты — приборы, в котоƒ

рых температура поддерживается постоянной, что

осуществляют либо автоматическими регуляторами,

либо используют для этого свойство разовых перехоƒ

дов протекать при неизменной температуре.

Для измерения количества теплоты, выделяющегоƒ

ся или поглощаемого в различных физических, химиƒ

ческих и биологических процессах, применяют ряд меƒ

тодов, совокупность которых составляет калориметрию.

Калориметрическими методами измеряют теплоемƒ

кость тел, теплоты фазовых переходов, растворения,

смачивания, адсорбции, теплоты, сопровождающие

химические реакции, энергию излучения, радиоакƒ

тивного распада и т. п.

Подобные измерения производят с помощью калоƒ

риметров.

ное рабочим веществом холодильнику, отрицаƒ

тельно.

Сумму приведенных количеств теплоты для обратиƒ

мого процесса можно представить как разность двух

значений некоторой функции состояния системы, коƒ

торую называют энтропией:

гдеS

2

и S

1

— энтропия соответственно в конечном

втором и начальном первом состояниях.

Энтропия есть функция состояния системы, разƒ

ность значений которой для двух состояний равна

сумме приведенных количеств теплоты при обратиƒ

мом переходе системы из одного состояния в другое.

Физический смысл энтропии:

Если система перешла от одного состояния к другоƒ

му, то независимо от характера процесса изменение

энтропии вычисляется по формуле для любого обраƒ

тимого процесса, происходящего между этими соƒ

стояниями:

гдеQ — полное количество теплоты, полученное сиƒ

стемой в процессе перехода из первого состояƒ

ния в состояние второе при постоянной темпераƒ

туреТ. Эту формулу используют при вычислении

изменения энтропии в таких процессах, как

плавление, парообразование и т. п.

const,0

dS

S

dt



==





.

e

i

dS

dS

dtdt

=

Начальное развитие термодинамики стимулиƒ

ровалось потребностями промышленного произƒ

водства. На этом этапе (XIX в.) основные достижения

заключались в формулировке законов, разработке

методов циклов и термодинамических потенциалов

применительно к идеализированным процессам.

Биологические объекты являются открытыми термоƒ

динамическими системами. Они обмениваются с окруƒ

жающей средой энергией и веществом. Для организма —

стационарной системы — можно записать dS = 0, S =

= const, dS i> 0, dSe < 0. Это означает, что большая энƒ

тропия должна бытьв продуктах выделения, а не в проƒ

дуктах питания.

При некоторых патологических состояниях энтропия

биологической системы может возрастать (dS > 0), это

связано с отсутствием стационарности, увеличением

неупорядоченности. Формула может быть предстаƒ

влена:

или для стационарного состояния

Из этого видно, что при обычном состоянии оргаƒ

низма скорость изменения энтропии за счет внутренƒ

них процессов равна скорости изменения отрицаƒ

тельной энтропии за счет обмена веществ и энергией

с окружающей средой.