Разное / Всякое / Физика темы 1-52 расширенный курс / 6.Уравнение теплового баланса. Основные механизмы теплоотдачи; их

6.Уравнение теплового баланса. Основные механизмы теплоотдачи; их относительная роль в различных условиях. Физическая и химическая терморегуляция и поддержание температурного гомеостаза.

Основная часть тепла выделяется в мышцах и внутренних органах, теплоотдача же идёт с поверхности тела (с кожи). Ткани организма плохо проводят тепло, поэтому почти всё тепло переносится изнутри к поверхности с током крови. В коже и подкожной клетчатке находится большое количество кровеносных сосудов. Проходя по ним кровь отдает тепло через кожу в окружающую среду. Сосуды кожи под воздействием нервных импульсов могут сужаться и расширяться при изменении температуры, ветра и других условий. В результате объём крови, протекающей по сосудам, может очень сильно измениться (например, в пальцах до 600 раз; в других местах меньше, но тоже весьма значительно). Соответственно, меняется и количество отдаваемого тепла. Основная часть кровеносных сосудов лежит довольно глубоко в подкожной жировой клетчатке, поэтому передача тепла через клетчатку идёт, в основном, за счет теплопроводности. Также за счет теплопроводности идёт перенос тепла через одежду. Теплопроводность – это передача тепла за счет усиления молекулярного движения в веществе. Нетрудно получить формулу для переноса тепла путём теплопроводности. Пусть поток тепла идёт слева направо через слой вещества (ткань, стену и т. д.). Толщину слоя обозначим Х, а площадь S (см. рисунок). Слева температура Т1, а справа Т2, ясно, что Т1 >Т2

Очевидно, что количества тепла Q, прошедшее за время t прямо пропорционально разности температур Т1 - Т2, площади S и времени t и обратно пропорционально толщине слоя Х. Кроме того, надо учесть свойства вещества: для этого вводят коэффициент теплопроводности. К (этот коэффициент часто называют «теплопроводностью»). Отсюда следует, что количество тепла переносимого путём теплопроводности равно: Q=k*(T1-T2)/X*S

Величину (Т1 – Т2)/Х называют градиентом температуры и обозначают grad T. Поэтому формулу можно переписать так: Qm = K*gradT*t*S сегда немного теплее окружающего воздуха. С поверхности одежды и с открытых частей тела (лицо, руки) тепло уходит двумя способами: а) путём конвекции и б) путём излучения. А) Конвекцией называется перенос тепла, связанный с движением газа или жидкости. Например, от каждого человека кверху поднимается поток теплого воздуха, на место которого притекает со стороны холодный. То же происходит вокруг любого нагретого тела, например – батареи отопления. Такой тип теплопередачи называется естественной конвекцией: для человека он очень эффективен. Значительно больше тепла уносится при принудительной конвекции, когда движение воздуха создаётся внешней причиной (вентилятор, ветер). При большей скорости движения воздуха, например при постоянном ветре, конвекция может стать основным путем потери тепла. Б) Излучение тоже играет существенную роль в теплоотдаче, особенно, когда конвекция не сильно выражена. В обычных комнатных условиях человек путём излучения теряет до 60% тепла. Излучение человека лежит в области инфракрасных лучей (длины волн в диапазоне 3 – 20 мкм) Количество тепла, теряемое телом за счет излучения, вычисляется по формуле: Q=сигма*(T1-T2)*S. Здесь сигма = 5,6 * 10-8 (в системе СИ), Т – температура поверхности тела (по шкале Кельвина), Т2 - температура окружающих тел. Тепловое (инфракрасное излучение человека используется в современном методе диагностики, называемом термографией или тепловидением. Оно выносится из организма за счет испарения воды. Это тепло можно подсчитать по формуле: Q=Lm

Где m – масса испарившейся воды, L – удельная теплота испарения воды (L = 2,25, 106 Дж*кг-1). У человека испарение, в основном связано с потоотделением; кроме того, заметную роль играет испарение воды в легких. Надо подчеркнуть, что следует учитывать именно количество испарившейся воды, а не выделяющегося пота. При умеренных и низких температурах испарение тоже уносит часть тепла (в основном за счет испарения в легких), но большее значение имеют конвекция и излучение. Температура тела человека и многих животных поддерживается постоянной с достаточно высокой точностью. Это свойство организма называют температурным гомеостазом. Постоянство температуры тела обеспечивается выработавшейся в ходе эволюции системой терморегуляции. Различают химическую и физическую терморегуляцию. Химической терморегуляций основана на изменении скорости и характера биологического окисления. Например, при переохлаждении организма выделяются гормоны, ускоряющие окисление. Кроме того, происходит разобщение окисления и синтеза АТФ: на синтез АТФ идёт не 50% энергии, выделяющейся при окислении. Соответственно, больший процент энергии превращается в тепло; организм согревается. Однако, изменение характера биологического окисления неблагоприятно сказывается на состоянии организма, поэтому, как правило, химическая терморегуляция включается лишь в экстремальных ситуациях. Физическая терморегуляция (играющая в большинстве случаев основную роль) осуществляется за счёт изменения характера кровообращения. При понижении температуры тела сужаются артериолы и мелкие артерии в коже и подкожной клетчатке. Приток крови к поверхности тела уменьшается (это проявляется в том, что кожа белеет). Как следствие, уменьшается передача тепла от внутренних органов и мышц к поверхности тела и отдача тепла в окружающую среду. При повышении температуры тела сосуды расширяются (кожа краснеет), с усилением кровотока увеличивается теплоотдача. Например, в пальцах количество протекающей крови в зависимости от температуры может меняться в сотни раз! При повышении температуры существенное значение имеет также усиленное потоотделение.