Научный проект по физике
На тему: «Температура. Способы измерения температур. Значение теплоизоляции в жизни человека и животного»
Москва, 2010
Содержание
1. История изобретения термометра
2. Современные термометры
3. Теплоизоляции в жизни человека и животного
1. История изобретения термометра
История термодинамики началась, когда в 1592 году Галилео Галилей создал первый прибор для наблюдений за изменениями температуры, назвав его термоскопом. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной стеклянной трубкой. Шарик нагревали, а конец трубки опускали в воду. Когда шарик охлаждался, давление в нем уменьшалось, и вода в трубке под действием атмосферного давления поднималась на определенную высоту вверх. При потеплении уровень воды в трубки опускался вниз. Недостатком прибора было то, что по нему можно было судить только об относительной степени нагрева или охлаждения тела, так как шкалы у него еще не было.
Позднее флорентийские ученые усовершенствовали термоскоп Галилея, добавив к нему шкалу из бусин и откачав из шарика воздух.
В 17 веке воздушный термоскоп был преобразован в спиртовой флорентийским ученым Торричелли. Прибор был перевернут шариком вниз, сосуд с водой удалили, а в трубку налили спирт. Действие прибора основывалось на расширении спирта при нагревании, — теперь показания не зависели от атмосферного давления. Это был один из первых жидкостных термометров.
На тот момент показания приборов еще не согласовывались друг с другом, поскольку никакой конкретной системы при градуировке шкал не учитывалось. В 1694 году Карло Ренальдини предложил принять в качестве двух крайних точек температуру таяния льда и температуру кипения воды.
В 1714 году Д.Г. Фаренгейт изготовил ртутный термометр. На шкале он обозначил три фиксированные точки: нижняя, 32 °F — температура замерзания солевого раствора, 96 ° — температура тела человека, верхняя 212 ° F — температура кипения воды. Термометром Фаренгейта пользовались в англоязычных странах вплоть до 70-х годов 20 века, а в США пользуются и до сих пор.
Еще одна шкала была предложена французским ученым Реомюром в 1730 году. Он делал опыты со спиртовым термометром и пришел к выводу, что шкала может быть построена в соответствии с тепловым расширением спирта. Установив, что применяемый им спирт, смешанный с водой в пропорции 5: 1, расширяется в отношении 1000: 1080 при изменении температуры от точки замерзания до точки кипения воды, ученый предложил использовать шкалу от 0 до 80 градусов. Приняв за 0 ° температуру таяния льда, а за 80 ° температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении.
В 1742 году шведский ученый Андрес Цельсий предложил шкалу для ртутного термометра, в которой промежуток между крайними точками был разделен на 100 градусов. При этом сначала температура кипения воды была обозначена как 0 °, а температура таяния льда как 100 °. Однако в таком виде шкала оказалась не очень удобной, и позднее астрономом М. Штремером и ботаником К. Линнеем было принято решение поменять крайние точки местами.
М.В. Ломоносовым был предложен жидкостный термометр, имеющий шкалу со 150 делениями от точки плавления льда до точки кипения воды. И.Г. Ламберту принадлежит создание воздушного термометра со шкалой 375 °, где за один градус принималась одна тысячная часть расширения объема воздуха. Были также попытки создать термометр на основе расширения твердых тел. Так в 1747 голландец П. Мушенбруг использовал расширение железного бруска для измерения температуры плавления ряда металлов.
К концу 18 века количество различных температурных шкал значительно увеличилось. По данным «Пилометрии» Ламберта на тот момент их насчитывалось 19.
Температурные шкалы, о которых шла речь выше, отличает то, что точка отсчета для них была выбрана произвольно. В начале 19 века английским ученым лордом Кельвином была предложена абсолютная термодинамическая шкала. Одновременно Кельвин обосновал понятие абсолютного нуля, обозначив им температуру, при которой прекращается тепловое движение молекул. По Цельсию это — 273,15 °С.
2. Современные термометры
На сегодняшний день существует много видов термометров: цифровые, электронные, инфракрасные, биметаллические, дистанционные, термометры сопротивления, электроконтактные, жидкостные, термоэлектрические, газовые, пирометры и т.д. Из всего этого многообразия наиболее популярными являются ртутные и спиртовые.
Исходя из потребностей, на сегодняшний день можно купить любой необходимый бытовой термометр. На товарном рынке представлено большое разнообразие термометров различного назначения: медицинские, уличные, оконные для любого вида окон (пластиковых или деревянных), комнатные термометры для офиса и дома, для саун и бань, для чая и воды, для аквариумов, для почвы, для автомобилей и т.д. И даже термометры для инкубаторов, морозильных камер, винных погребов. Термометры на любой вкус! Цена во многом зависит от вида термометра. Наибольшей популярностью пользуются самые простые измерительные приборы, поскольку их стоимость отличается особенной демократичностью.
3. Теплоизоляция в жизни человека и животного
а) Увеличение и уменьшение потерь тепла у человека.
Температура оказывает существенное влияние на протекание жизненных процессов в организме и на его физиологическую активность. Физико-химической основой этого влияния является изменение скорости протекания химических реакций, благодаря которым происходит энтропическое превращение всех видов энергии в тепловую.
Зависимость скорости химических реакций количественно выражается законом Вант-Гоффа — Аррениуса, согласно которому при изменении температуры окружающей среды на 10°с происходит, соответственно, повышение или понижение скорости химических процессов в 2-3 раза. Разница в 10°с стала стандартным диапазоном, по которому определяют температурную чувствительность биологических систем.
В соответствии с одним из следствий второго закона термодинамики, теплота как конечное превращение энергии способна переходить только из области более высокой температуры в область более низкой. Поэтому поток тепловой энергии от живого организма в окружающую среду не прекращается до тех пор, пока температура тела особи выше, чем температура среды. Температура тела определяется соотношением скорости метаболической теплопродукции клеточных структур и скорости рассеивания образующейся тепловой энергии в окружающую среду. Следовательно, теплообмен между организмом и средой является неотъемлемым условием существования теплокровных организмов. Нарушение соотношения этих процессов приводит к изменению температуры тела.
Человек издревле обитает в различных условиях нашей планеты, температурные различия между которыми превышают 100°с. Ежегодные и ежесуточные колебания могут быть очень велики. Следовательно, проблема защиты от внешних температурных воздействий и физиологической адаптации к ним всегда стояла перед человеком, а при выполнении мышечной работы в некоторых условиях внешней среды терморегуляция является одним из важных лимитирующих факторов.
При анализе температурного режима человеческого организма на протяжении долгого времени понятие о температуре тела как одной из важнейших физиологических констант при нормальном состоянии организма распространялось не только на состояние покоя, но и на активную мышечную деятельность. С этой позиции различная степень гипертермии при мышечной работе не могла расцениваться иначе, как показатель срыва или функциональной недостаточности терморегуляционной системы, в частности, аппарата физической терморегуляции.
Современный взгляд на терморегуляцию человека в процессе работы существенно изменился. Допускается и доказана прямая, хотя и не линейная зависимость, взаимосвязь между температурой ядра и уровнем метаболизма. Важно подчеркнуть, что степень повышения температуры ядра при работе в большей степени коррелирует с общим уровнем энергозатрат, чем с величиной теплопродукции. Поэтому знание физиологических основ терморегуляции человека в различных условиях деятельности, особенно при физических нагрузках, является необходимым.
Температура тела человека. Тепловой баланс.
Возможность процессов жизнедеятельности ограничена узким диапазоном температуры внутренней среды, в котором могут происходить основные ферментативные реакции. Для человека снижение температуры тела ниже 25°с и её увеличение выше 43°с, как правило, смертельно. Особенно чувствительны к изменениям температуры нервные клетки. С точки зрения терморегуляции, тело человека можно представить состоящим из двух компонентов: внешнего, оболочки, и внутреннего, ядра. Ядро — это часть тела, которая имеет постоянную температуру, а оболочка — часть тела, в которой имеется температурный градиент. Через оболочку идёт теплообмен между ядром и окружающей средой. Температура разных участков ядра различна. Например, в печени — 37.8-38.0°с, в мозге — 36.9-37.8°. в целом же, температура ядра тела человека составляет 37.0°с.
Температура кожи человека на различных участках колеблется от 24.4 до 34.4°с. Самая низкая температура наблюдается на пальцах ног, самая низкая — в подмышечной впадине. Именно на основании измерения температуры в подмышечной впадине обычно судят о температуре тела в данный момент времени. По усреднённым данным, средняя температура кожи обнажённого человека в условиях комфортной температуры воздуха составляет 33-34°с.
Существуют циркадные — околосуточные — колебания температуры тела. Амплитуда колебаний может достигать 1°. Температура тела минимальна в предутренние часы (3-4 часа) и максимальна в дневное время (16-18 часов). Эти сдвиги вызваны колебаниями уровня регулирования, т.е. связаны с изменениями в деятельности ЦНС. В условиях перемещения, связанного с пересечением часовых меридианов, требуется 1-2 недели для того, чтобы температурный ритм пришёл в соответствие с новым местным временем. На суточный ритм могут накладываться ритмы с более длительными периодами. Наиболее отчётливо проявляется температурный ритм, синхронизированный с менструальным циклом.
Известно также явление асимметрии аксилярной температуры. Она наблюдается примерно в 54% случаев, причем температура в левой подмышечной впадине несколько выше, чем в правой. Возможна асимметрия и на других участках кожи, а выраженность асимметрии более чем в 0,5° свидетельствует о патологии. Постоянство температуры тела у человека может сохраняться лишь при равенстве процессов теплообразования и теплоотдачи всего организма. В термонейтральной (комфортной) зоне существует баланс между теплопродукцией и теплоотдачей. Ведущим фактором, определяющим уровень теплового баланса, является температура окружающей среды. При её отклонении от комфортной зоны в организме устанавливается новый уровень теплового баланса, обеспечивающий изотермию в новых условиях среды. Оптимальное соотношение теплопродукции и теплоотдачи обеспечивается совокупностью физиологических процессов, называемых терморегуляцией. Различают физическую (теплоотдача) и химическую (теплообразование) терморегуляцию.
Б) Как зимуют животные.
Жизнь животных зимой или кто как зимует? Есть тритоны, лягушки, черепахи и змеи, которые могут безболезненно замерзать и затвердевать так, что их внутренние органы пронизываются кристаллами льда. Это необычно, потому что образующийся в кровеносных сосудах животного лед должен либо их разрывать, либо безнадежно растягивать. И главное — замерзшая вода становится недоступной для клеток, и они могут погибнуть от обезвоживания. Но вот, например, американская лесная лягушка. Когда при охлаждении лед образуется в пальцах ее лап и коже, она наполняет свои ткани глюкозой. Это предохраняет их от повреждения. Даже если бы человек мог накачать столько глюкозы в свои ткани, ее высокий уровень вызвал бы диабетическую кому и смерть. У лягушки избыток сахара тоже вызывает кому: обмен веществ в клетках почти останавливается. Но это не вредит амфибиям. Весной они оттаивают и при движении сжигают глюкозу, как горючее. С замороженным сибирским углозубом произошел поразительный случай: его нашли в вечной мерзлоте на глубине одиннадцати метров. А находка оттаяла и ожила. Радиоуглеродный анализ показал, что углозуб пролежал в мерзлоте около девяноста лет. Есть и животные, тело которых может сильно охлаждаться, а льда при этом не образуется. Некоторые арктические насекомые бодро переносят пятидесятиградусный мороз: они удаляют из своего тела пыль или бактерии, вокруг которых могут нарастать кристаллы льда. Из млекопитающих безболезненно охлаждается длиннохвостый суслик, у которого в зимнюю спячку температура тела может упасть ниже точки замерзания. И никаких кристаллов. Но как это у него получается — пока неизвестно. Ужеобразная подвязочная змея последней из американских змей уходит на зиму в укрытие и первой при потеплении из него выходит. Она зимует в каменистых расщелинах при 4-5 градусах тепла. Биение ее сердца замедляется до 6 ударов в минуту (в десять раз реже, чем в летний солнечный день). В мороз подвязочные змеи тоже могут превращаться в лед. Но даже после одного или двух дней в «морозилке» теплое солнце оживляет рептилию. Подвязочные змеи зимуют и в воде: описан случай, когда сотни змей заползали осенью в цистерну и ждали, пока она наполнится водой. Вероятно, кожа змеи, наподобие легкого, извлекает кислород из воды. Конечно, это очень мало: сердце животного бьется лишь раз в минуту, а обмен веществ сильно замедляется. Как долго зимуют под землей роющие млекопитающие, зависит от того, насколько холодно снаружи. Но и зимой время от времени температура их тела поднимается почти с нуля до нормальной, и они просыпаются на несколько часов или даже на целый день. Как часто просыпается грызун перогнат, зимующий вместе с запасом пищи? Американский исследователь оставлял перогнату 800 граммов семян, и он просыпался каждый день. Когда же семян давали всего 100 граммов — тот дремал по пять дней. Но зачем вообще просыпаться? Ведь спячка должна сохранять энергию, а 80 — 90 ее процентов животные зимой расходуют, именно когда просыпаются. Возможно, они просто боятся проспать весну. Например, когда просыпается земляная белка Белдинга, она сразу спешит потрогать земляную пробку, закрывающую вход в нору. Теплая земля означает приход весны. Когда в экспериментах пробку нагревали, белки сразу же рыли ход наружу. Причем с приближением весны белки просыпаются все чаще и чаще. Возможно, их будят не только биологические часы, но и накопившиеся в организме ядовитые вещества, которые надо время от времени удалять. Перья с пухом, шерсть, слой подкожного жира — почти все животные холодных краев имеют какую-нибудь защиту от мороза. Некоторые грызуны, землеройки и кролики вырабатывают при похолодании особое вещество, именуемое коричневым салом. Оно дает много энергии, потому что насыщено митохондриями — микроскопическими устройствами в клетках, чья единственная задача — превращать пищу в тепло.