shkolakz.ru 1
58. РЕАКЦИЯ НА ОХЛАЖДЕНИЕ


Поток тепла между двумя поверхностями тем больше, чем а) больше площадь, через которую идет поток, б) больше разность температур, в) выше теплопровод­ность материала. Как известно, поток тепла пропорцио­нален площади сечения потока и градиенту температура; поэтому теплопроводность, т. е, способность вещества проводить тепло, естественно определить как отношение потока тепла к произведению градиента температуры на площадь сечения потока. Поток тепла измеряется в ка­лориях за секунду или в килокалориях за сутки. (Обра­тите внимание на то, что в задачах, связанных с тепло­той, появляется величина с новой размерностью θ - тем­пература. Градиент температуры при этом измеряется в единицах с размерностью θL-1; поскольку теплота — это одна из форм энергии, поток тепла должен иметь размер­ность ML2T-3 и, следовательно, теплопроводность — размерность MLθ-1T-3.) Градиент температуры — это, как правило, просто разность температур между поверхностя­ми, деленная на расстояние между ними.

Поток тепла аналогичен потоку вещества из раствора с более высокой концентрацией в раствор с более низкой, температурный градиент аналогичен градиенту концент­рации, а теплопроводность — коэффициенту диффузии. Аналогичные величины можно найти и в явлениях, свя­занных с электричеством: скорость переноса заряда, т. о. сила тока, аналогична потоку тепла, напряжение — тем­пературному градиенту.

При изучении животных интерес представляют часто не столько теплоизолирующие свойства материала, сколь­ко свойства защитного покрова как такового. При этом вводится понятие теплопроводности слоя, под которой понимают поток тепла через единицу поверхности, когда разность температур на противоположных сторонах слоя (а не градиент температур в слое) равна 1° С. Теплопро­водность слоя зависит, таким образом, не только от мате­риала, из которого состоит слой, но и от толщины слоя, и поэтому теплопроводности любых слоев не могут содер­жаться в справочных таблицах, хотя некоторые из них, например теплопроводности некоторых шерстяных тканей или кирпичных стен определенной толщины, можно най­ти в соответствующих справочниках. Теплопроводность слоя аналогична коэффициенту проницаемости, определя­ющему скорость диффузии через мембрану.


Механизмы терморегуляции у теплокровных животных еще не вполне понятны и с трудом поддаются изучению. Схематически механизм терморегуляции выглядит сле­дующим образом: в некотором интервале температур сре­ды — так называемой зоне комфорта — теплопродукция животного, находящегося в состоянии покоя, мала и не зависит от температуры окружающей среды. Чем холод­нее снаружи, тем больше разность температур на наружной и внутренней поверхностях теплоизолирующего слоя (кожи, шкуры, одежды и т. п.) и тем совершеннее должна становиться теплоизоляция. Достигается это у теплокров­ных животных автоматически: сужаются кровеносные капилляры в коже, встает дыбом шерсть и т. д. Это так называемая физическая терморегуляция-, при изменении



Фиг. 6. Зоны физической и химической терморегуляции


температуры внешней среды теплопродукция животного остается постоянной, а меняются теплозащитные свойст­ва внешнего покрова. За пределами «зоны комфорта» жи­вотное вынуждено затрачивать на терморегуляцию больше энергии и, следовательно, его теплопродукция увели­чивается. Такое увеличение может достигаться, напри­мер, за счет мышечной дрожи. Теплоизоляция при этом остается максимальной, а по мере понижения температу­ры среды увеличивается теплопродукция. Эта область температур называется зоной химической регуляции. Если построить график зависимости теплопродукции организ­ма от температуры внешней среды (фиг. 6), то зона хими­ческой регуляции изобразится прямой линией, продолже­ние которой пересекает ось абсцисс примерно в точке Т=37°С (температура окружающей среды равна темпе­ратуре тела, и теплопродукция равна нулю).

ЗАДАЧИ

Эскимосскую лавку помещали в специальную камеру-калориметр, где измерялась ее теплопродукция при раз­личных температурах среды. Полученные результаты при­ведены в табл. 15.


Таблица 15


Температура среды, °С

Теплопродукция в кал/сут

8

1050

-2

1040

-12

1070

-22

1040

-32

1050

-42

1120

-52

1260

Собственная температура тела собаки на протяжении всего эксперимента оставались равной 38°С. Площадь поверхности тела составляла 1,31 м2.

о) Какова суммарная теплопроводность слоя (т. е. кожа + мех и т. д. при температуре воздуха ниже —37° С?

б) Предположив, что теплоизолирующий слой состоит из однородного материала и имеет толщину 0,05 м, определите теплопроводность этого материала.

в) Теплоизолирующие свойства меха в основном обусловлены воздухом, содержащимся между волосками. На­ сколько собачий мех как теплоизолирующий материал хуже воздуха как такового, если теплопроводность последнего равна 5,2 ·10-6 ккал ·м-1·с-1·°С-1?

г) Какой слой обладает лучшими теплоизолирующими свойствами: собачий мех или кирпичная стена толщиной 25 см, для которой параметр U, по свидетельству инженеров-строителей, равен 0,43? (Этот параметр характеризует теплопроводность стены, выраженную в БТЕ = фут-2·°F-1·ч-1; Британская тепловая единица БТЕ = 0,252 ккал 1°C=l,8°F; 1 кв. фут = 0,0929 м2.)


д) Уступает ли по своим теплоизолирующим свойст­вам собачий мох слою подкожного жира и меху тюленя, удельная теплопродукция которого на 1 м2 поверхности тела в морской воде с температурой 0° С равна 2310 ккал/сут при собственной температуре тела 37° С?

Ответы 58. Реакция па охлаждение а) 1,23-10-4 ккал·м-2с-1 ·°С-1. При температурах между -52 и -37° С поток тепла про­порционален разности температур между телом собаки и окружающим воздухом. Постоянство температуры тела поддерживается химическим механизмом терморегуляции, и термоизолирующие свойства покрова остаются постоян­ными и максимальными. Рассмотрим, например, тепло­продукцию при температуре -37° С; поток тепла от всей собаки в этом случае составляет 1050 ккал/сут, или 800 ккал/сут на 1 м2 поверхности тела. Теплопроводность термоизолирующего покрова, следовательно, равна 800/(24·3600·75) ккал·м-2с-1 ·°С-1. Рассматривая тепло­продукцию собаки в случае, когда разность между тем­пературой ее тела и температурой окружающего воздуха составляет 90° С (поток тепла 1260 ккал/сут), мы полу­чим, конечно, то же значение теплопроводности.
б) Теплопроводность меха составляет (800 ·0,05)/(24 ·3600·75), т.е. 6,17·10-6 ккал·м-2с-1 ·°С-1.
в) Теплопроводность меха составляет 119% теплопроводности воздуха как такового, т. е. мех почти столь же хороший теплоизолятор, как и воздух.
г) Теплопроводность стены равна (0,43 ·1,8 ·0,252)//(0,0929·3600), т. е. 5,85·10-4 ккал·м-2с-1 ·°С-1. Таким образом, кирпичная стена, несмотря на несравненно боль­шую толщину, как термоизолятор примерно в 5 раз хуже собачьего меха.

д) Собачий мех лучше защищает от холода, чем слой подкожного жира тюленя, поскольку удельная теплопро­дукция собаки на единицу поверхности тела при разности температур между окружающей средой и телом 75°С со­ставляет 800 ккал/сут на 1 м2, тогда как у тюленя при разности температур 37° С (т. е. меньшей) удельная теп­лопродукция составляет 2310 ккал/сут на 1 м2 (т. е. много больше).



1 калория равна количеству тепла, которое надо затратить, чтобы нагреть 1 г воды на 1°С. 1 кал = 4,19Дж
Система единиц СГС
(сантиметр, грамм, секунда).
1 дин равен силе, сообщающей телу, массой 1 г ускорение 1 см/с2 1 дин = 1 г·см/с
2
1 эрг равен работе силы в 1 дин при перемещении точки приложения силы на расстояние 1 см в направлении действия силы. 1 эрг = 1 г·см22 = 10−7 Дж

1мкм=10-6м

1см=10-2м

760 мм рт.ст. = 10,3 м вод.ст.= 1 атм = 101375Па ≈ 105
 Па


М. Джермен Количественная биология в задачах и примерах