Тепловой баланс организма.

Теплопроводность тканей живых организмов

Теплопроводностью называется процесс уравнивания интенсивности

теплового движения в местах с более высокой и с более низкой его

интенсивностью путем непосредственного взаимодействия частиц.

Постепенно в процессе взаимодействия теплота распространяется по всему

рассматриваемому телу или системе тел. При нагревании тел часто

используется процесс теплопроводности. Большей частью при этом на тело

воздействуют нагретой средой — раскаленными продуктами сгорания. При

постепенном распространении тепла в теле устанавливается некоторая

разность температур.

Количество теплоты q, передаваемое путем теплопроводности в еди-

ницу времени между двумя равными и параллельными сечениями (или

поверхностями) тела, зависит от его природы, прямо пропорционально

площади Sи разности температур и этих сечений и обратно пропор-

ционально расстоянию lмежду ними:

где - коэффициент теплопроводности, характеристика вещества, из

которого состоит тело. Коэффициентом теплопроводности называют количество теплоты, которое проходит в течение единицы времени через единичную площадку, выделенную в слое вещества единичной толщины при разности температур в1°С. Коэффициент теплопроводности измеряется в ,внесистемная единица измерения -

Теплопроводность различных веществ отличается в весьма широких

пределах. Высокой теплопроводностью обладают металлы, что обусловлено

наличием в них свободных электронов. Последние, благодаря возможности

свободного движения между ионами, значительно ускоряют процесс

распространения теплового движения по всему металлу. Коэффициенты

теплопроводности некоторых веществ приведены в таблице 20

Коэффициент теплопроводности влажных материалов значительно

повышается, приближаясь к соответствующему значению для воды.

Теплопроводность тканей организма различна. Это имеет значение как

для распределения между ними тепла, так и для теплообмена организма с окружающей средой. Основное различие имеется между жидкими тканями(тканевая жидкость, плазма крови и т. п.) и плотными (соединительная ,жировая ткань и т. п.). Теплопроводность жидких тканей близка к теплопроводности воды, теплопроводность плотных — к теплопроводности воздуха. Отношение теплопроводности некоторых тканей организма к теплопроводности воздуха указано в Табл. 20. Благодаря относительно высокой теплопроводности тканевой жидкости и непрерывной циркуляции крови и лимфы по всему организму температура отдельных тканей и органов уравнивается, остается только известная разность температуры между поверхностью кожи и глубоко лежащими тканями. Кожа и под кожножировая

клетчатка служат хорошим теплоизолирующим слоем. Этим

предупреждается значительная потеря тепла в окружающую среду.

Температура поверхности кожи (29—30°) несколько ниже температуры вглубине организма. Большое значение для сохранения тепла и

теплорегуляции организма имеет слой внешней среды, примыкающий

непосредственно к коже, в котором и происходит главный теплообмен с

окружающей средой. У большинства животных этим слоем является

волосяной покров (мех или перья), у человека — одежда.

Теплоизолирующие свойства волосяного покрова или одежды связаны

с воздушной прослойкой, которая содержится в них. Из таблицы 5.2 видно, что по сравнению с другими веществами, воздух имеет наименьшую теплопроводность, чем и обусловливаются его теплоизолирующие свойства. Необходимым условием при этом является также неподвижность и сухость воздуха. Как циркуляция (конвекция), так и влажность воздуха значительно нарушают его теплоизолирующие свойства.

Тепловой баланс организма.

В технических энергетических системах, как, например, тепловых машинах, энергия получается за счет сгорания, т. е. окисления различных содержащих углерод веществ (древесина, каменный уголь, нефть). При горении освобождается часть потенциальной энергии связей между атомами, образующими сложную молекулу горючего вещества. Окисляясь, это вещество превращается в ряд более простых соединений, для которых потенциальная энергия связи между атомами в молекуле значительно меньше, чем в сложном исходном веществе. Освобождающаяся энергия вызывает повышение интенсивности молекулярного движения частиц конечных продуктов реакции (при полном сгорании — углекислый газ и водяной пар). Эту энергию можно затем превратить в механическую энергию, в энергию электрического тока и т. д. Таким образом, в конечном итоге все эти энергетические системы работают за счет внутренней энергии сжигаемого топлива. Способность вещества выделять при сгорании теплоту называется его теплотворной способностью топлива или теплотворностью. Теплотворность характеризуется количеством теплоты, выделяющимся при полном сгорании единицы массы вещества. Теплотворность некоторых видовтоплива приведена в Табл. 22

Организм животных и человека является также энергетической си-стемой, в которой вырабатываются различные виды энергии за счет окисления пищевых продуктов. В организме также происходит преобразование внутренней энергии принятых в виде пищи веществ в другие виды энергии,например в механическую, во внутреннюю энергию теплового движения частиц организма. Механическая энергия расходуется на всевозможные виды движения организма и совершаемую им работу, теплота необходима для поддержания нормальной жизнедеятельности организма и на покрытие непрерывной теплоотдачи в окружающую среду. Энергетический баланс живого организма составляется на основании первого начала

термодинамики. Для составления баланса надо измерить энергию, которую организм получает при усвоении пищи, теплоту, которую он теряет в окружающую среду, и механическую работу, которую он совершает. Все это учитывается за какой-то определенный период времени, обычно за сутки. Пища, которая вводится в организм, покрывает его различные нужды. Часть веществ идет на замену износившихся тканей, часть веществ, особенно у молодых организмов, затрачивается на рост, часть может откладываться ввиде известных запасов (например, гликоген в печени, жир в под кожной клетчатке) и т. п. Накопление жира является уже изменением (в рассматриваемом случае — приращением) внутренней энергии организма, которую при неблагоприятных условиях он может затем израсходовать. Однако в зрелом возрасте и при нормальной жизнедеятельности организ маможно считать, что усваиваемая пища идет только на покрытие текущих энергетических расходов, т. е. расходов на теплоотдачу и на совершаемую организмом работу. В этих условиях изменения внутренней энергии организма не происходит. Живые организмы потребляют пищу с известной периодичностью. Поэтому в определенные периоды времени энергетический баланс организма несколько колеблется. Энергетическое равновесие организма представляет собой динамическое равновесие. В периоды, когда количество энергии, выделяющееся из пищи, превышает энергетические расходы, в организме может образовываться временный избыток энергии, вызывающий некоторое повышение температуры организма. Это можно сравнить с приращением внутренней энергии термодинамической системы. Затем, однако, равновесие постепенно восстанавливается. В целом можно считать, что за достаточно длительный период изменения внутренней энергии в организме не происходит (ΔЕ = 0). Поэтому применительно к установившемуся энергетическому (тепловому) равновесию организма первое начало термодинамики может быть сформулировано следующим образом: количество энергии, освобождающееся в организме при усвоении пищи, расходуется во внешнюю среду путем теплоотдачи, а также затрачивается на совершаемую организмом механическую работу. Если обозначить через Е энергию, освобожденную в организме при усвоении пищи за определенный промежуток времени, через (Q—количество тепла, отданное организмом за это же время во внешнюю среду, и через А —

работу, совершенную организмом в течение рассматриваемого периода, то Е = Q + A. Экспериментальная проверка уравнения теплового баланса организма или, иначе говоря, доказательство применимости к живому организму первого начала термодинамики, требует точного измерения как энергии, поступающей в организм при усвоении пищи, так и энергии, отдаваемой во внешнюю среду путем теплоотдачи или затрачиваемой при совершении механической работы. По результатам эксперимента теплотворность составных частей пищи, определенная каллориметрически, в среднем составила: для углеводов 4000 ккал/кг; для жиров 9000 ккал/кг и для белков4100 ккал/кг (белки при полном сгорании дают 5400 ккал/кг, но в организме они окисляются не полностью). Непосредственное измерение теплоотдачи организма в окружающую среду также определяли с помощью калориметра. Однако создание калориметров для живых организмов является непростой задачей. Сначала были созданы калориметры для животных, а затем и для человека.

Терморегуляция

Совокупность процессов, обеспечивающих постоянную температуру тела у теплокровных животных и человека, называется терморегуляцией. Терморегуляцию принято разделять на химическую и физическую .Терморегуляция обеспечивается целым рядом физиологических механизмов, регулирующих, с одной стороны, производство тепла(теплопродукцию) внутри организма, с другой — теплоотдачу в окружающую среду. Химическая терморегуляция осуществляется путем изменения уровня теплопродукции, т. е. усиления или ослабления интенсивности обмена веществ в клетках организма. В настоящем разделе подробнее остановимся на физической терморегуляции.В нормальных условиях в организме не должно происходить ни накопления теплоты, ни ее избыточного расходования, которое может вызвать чрезмерное охлаждение организма. Терморегуляция может осуществляться путем изменения, как теплопродукции, так и теплоотдачи. Регуляция теплопродукции в организме происходит в относительно небольших пределах, главным образом в сторону ее повышения при низких окружающих температурах за счет усиления окислительных процессов, преимущественно в мышцах. Основная терморегуляция происходит за счет изменения теплоотдачи, которое является более тонким и действующим в более широких пределах терморегуляционным механизмом. Физическая терморегуляция состоит в основном в изменении температуры поверхности кожи (путем изменения ее кровоснабжения), а также в изменении интенсивности потоотделения. При этом соответственно изменяется и теплоотдача в окружающую среду. Изменение температуры поверхности кожи и интенсивности потоотделения достигается в организме с помощью физиологического механизма терморегуляции через посредство нервной системы: при понижении внешней температуры сосуды кожи суживаются и потоотделение уменьшается, соответственно снижается и теплоотдача. При повышении внешней температуры сосуды кожи расширяются и потоотделение усиливается, соответственно увеличивается теплоотдача

Список литературы

1. Савельев И. В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3 т. –

М.: Наука, 1988. – 496 с., ил.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: