Теплообменом (теплопередачей) называется передача внутренней энергии от одного тела к другому без совершения работы. Рассмотрим виды теплообмена:
1. Теплообмен посредством теплопроводности происходит между любыми телами – твердыми, жидкими или газообразными, одинаковой или различной природы, при непосредственном соприкосновении. Передача теплоты путем теплопроводности подчиняется закону Фурье:
где kТ – коэффициент теплопроводности, зависящий от природы тела. Единица измерения в СИ – Дж/(м с К); если количество теплоты выражается в калориях, то кал /(см с °С).
При неравномерном процессе
,
где 
Теплопроводность различных веществ отличается. Наиболее высокую теплопроводность имеют металлы, диэлектрики – невысокую. Наименьшую имеют газы (воздух); влажность значительно повышает теплопроводность. Вещества с низкой теплопроводностью называют теплоизолирующими (пробка, шерсть, войлок и др.) [1].
Теплопроводность тканей организма различна. У жидких частей организма (тканевая жидкость, плазма крови и др.) она близка к теплопроводности воды. Теплопроводность плотных тканей значительно ниже, особенно у жировой ткани и наружного рогового слоя кожи. Кожа и подкожная жировая клетчатка являются для организма теплоизолирующим слоем. Поэтому температура поверхности кожи ниже температуры глубоких тканей.
Большое значение для сохранения теплоты тела имеет также слой среды, непосредственно примыкающий к коже, в котором происходит основной теплообмен тела с окружающей средой. У человека это – слой воздуха, который находится между поверхностью кожи и одеждой и вместе с воздухом, находящимся в порах самой одежды, является основной тепловой изоляцией для организма.
Передача теплоты путем теплопроводности ускоряется при взаимном перемещении (перемешивании) нагретых и холодных масс среды. Это явление называется теплопередачей при конвекции. Тепловой поток Фк, передаваемый от нагретой поверхности к омывающей ее среде:
где kk – коэффициент теплоотдачи при конвекции; единицы измерения Дж/(м2•с•К) и кал/(см2•с•°С).
2. Теплообмен посредством излучения. Атомы или молекулы нагретого тела, находись в интенсивном тепловом движении, излучают электромагнитные волны, которые уносят энергию, в результате чего тело охлаждается. Если тело поглощает падающие на него электромагнитные волны, то за счет их энергии интенсивность теплового движения атомов или молекул тела повышается и тело нагревается. Каждое тело излучает и одновременно поглощает волны, падающие на него со стороны других тел [1].
Тепловое излучение свойственно всем телам без исключения и происходит при любых температурах, отличных от абсолютного нуля. В частности, тепловое излучение происходит и с поверхности тела человека (при длине волны в пределах 5–50 мкм, максимум при 9,5 мкм).Согласно закону Стефана-Больцмана тепловой поток:
где kИ – приведенный коэффициент излучения, единицы измерения Дж/(м2•с•К4) и кал/(м2 •с•К4).
Прибор, в котором поддерживается постоянная температура, называется термостатом. Термостаты имеют большое распространение в клинической лабораторнойпрактике.Термостат, не имеющий подогрева, но долго сохраняющий температуру помещенного в него тела, обычно жидкости, называют термосом. Основу термоса составляет сосуд Дьюара.
3. Энергетический баланс организма. Энергия, необходимая для жизнедеятельности организма, доставляется с пищей в виде энергии химических связей высокомолекулярных пищевых веществ. В организме эти вещества окисляются до более простых, и освобождающаяся при этом энергия превращается в другие виды энергии. Вместе с тем в организме происходит также и образование новых сложных соединений с частичным поглощением освободившейся энергии. Например, в мышцах, где в период восстановления после сокращения происходит ресинтез АТФ (адезинтрифосфат) с образованием макроэргических связей. В этих связях запасается значительная энергия, которая затем в процессе сокращения путем распада АТФ на АДФ (адезиндифосфат) и фосфат с освобождением энергии (8÷10) ккал/моль затрачивается на работу, совершаемую мышцей, а также в значительной мере переходит в теплоту (мышцы являются основным источником теплопродукции в организме).
Таким образом, в организме происходят колебания количества внутренней энергии, содержащейся в различных его частях, обусловленные, например, периодичностью процессов приема и усвоения пищи или различием в деятельности организма (сон, покой, работа).
В применении к живому организму закон сохранения энергии (первое начало термодинамики): количество теплоты Q, освобождающееся в организме при усвоении пищи, затрачивается на компенсацию потери теплоты Sв окружающую среду и на совершаемую организмом работу А, то есть
.
Это есть уравнение энергетического баланса для организма человека, на основании которого определяется необходимая калорийность пищевого рациона.
Потеря теплоты организмом в окружающую среду представляет собой физический процесс и может происходить путем:
• теплопроводности и конвекции;
• излучения;
• при испарении.
Потеря теплоты путем теплопроводности и конвекции в обычных условиях происходит через воздух. Воздух обладает очень низкой теплопроводностью, однако конвекция в нем может значительно усиливать отдачу теплоты. Кроме того, конвекция воздуха усиливает испарение влаги с поверхности кожи. Для уменьшения конвекции стараются ограничить возможность движения окружающего тело воздуха. Для этого тело покрывают одеждой, а стены жилища изолируют пористыми материалами.
Потеря теплоты путем излучения происходит главным образом с наружной поверхности одежды и некоторых открытых поверхностей тела. Излучаемая теплота поглощается окружающими телами, которые имеют более низкую температуру.
Испарение происходит с поверхности кожи и легочных альвеол. В среднем за сутки человек выделяет с выдыхаемым воздухом около 350 г. водяного пара. С поверхности кожи при нормальном потоотделении (при температуре окружающей среды (16–18)°С в сутки испаряется 500 г. пота. Так как удельная теплота испарения λ = 2,42•106 Дж/кг = 580 кал/г, то потеря теплоты составляет в целом R = 2•106 Дж = =433 ккал.
Считается, что теплопотеря организмом человека в условиях умеренного климата составляет 1700 ккал в сутки, которые распределяются примерно следующим образом:
а) теплопроводностью и конвекцией 20 % (540 ккал);
б) излучением 50 % (850 ккал);
в) испарением 30 % (500 ккал).
Если к этому прибавить 600–800 ккал, эквивалентных совершаемой организмом механической работе, то получится суточный расход энергии порядка 2300–2500 ккал.
Теплота, теряемая организмом в окружающую среду, может быть непосредственно измерена с помощью калориметрической камеры, называемой биокалориметра [2].
Интенсивность потока теплоты зависит не только от разности температур поверхности кожи и соприкасающихся с ней тел, но и от других физических свойств этих тел: теплопроводимости, теплоемкости, массы, площади поверхности соприкосновения, а также от возможности конвекции, скорости испарения влаги и др.
Большое значение для температурной чувствительности имеют такжефизиологические свойства организма – адаптация, т.е. понижение чувствительности нервных окончаний при длительном тепловом раздражении, а также терморегуляция, которая в зависимости от внешних условий изменяет температуру поверхности кожи (и ее теплоотдачу). Что дает возможность различных «температурных обманов».
Например, если подержать одну руку в сосуде с горячей водой, а другую – в сосуде с холодной, а затем обе руки перенести в один и тот же сосуд со средней температурой, то первая рука будет ощущать холод, а вторая – тепло.
Теплолечение с помощью нагретых сред могут быть разделены на три группы:
• контактное приложение нагретых сред;
• светотепловое облучение;
• использование теплоты, образующейся в тканях при прохождении высокочастотного электрического тока.
Для теплолечения в основном применяют воду, торф, лечебные грязи, парафин и др.
Вода при тепловых процедурах применяется в виде общих и местных ванн с температурой до 400С. Вода может содержать значительный запас теплоты, но сравнительно быстро его отдает вследствие относительно высоких теплопроводности и конвекционной способности.
Торф и лечебные грязи обладают не только тепловым, но и биохимическим действием вследствие всасывания из них некоторых веществ через кожу [3].
Весьма распространенной местной тепловой процедурой является аппликация парафина. Расплавленный и нагретый до (60–65)°С парафин с помощью кисти наносят слоями на поверхность подлежащей воздействию области тела, которую затем укутывают сверху одеялом. Парафин обладает благоприятными тепловыми свойствами: достаточно высокой теплоемкостью, низкой температурой плавления (50°С), низкой теплопроводностью, отсутствием конвекции, значительной удельной теплотой отвердевания (39 кал/г). Прилежащий к коже слой парафина, охлаждаясь, отвердевает и защищает кожу от действия массы расплавленного парафина с более высокой температурой. При постепенном отвердевании остальной массы парафина выделяется теплота отвердевания, а она дольше сохраняет относительно высокую температуру.
Для тепловых процедур применяют также песок и глину, свойства и способ применения которых близки к торфу или грязи.
Библиографическая ссылка
Адибаев Б.М., Алмабаева Н.М., Абдрасилова В.О. ТЕПЛООБМЕН // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2017. – № 1-2. – С. 215-217;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=11170 (дата обращения: 23.11.2024).