Научный проект по физике
На тему: «Температура. Способы измерения температур. Значениетеплоизоляции 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 ГалилеоГалилей создал первый прибор для наблюдений за изменениями температуры, назвавего термоскопом. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик сприпаянной стеклянной трубкой. Шарик нагревали, а конец трубки опускали в воду.Когда шарик охлаждался, давление в нем уменьшалось, и вода в трубке поддействием атмосферного давления поднималась на определенную высоту вверх. Припотеплении уровень воды в трубки опускался вниз. Недостатком прибора было то,что по нему можно было судить только об относительной степени нагрева илиохлаждения тела, так как шкалы у него еще не было.
Позднее флорентийские ученые усовершенствовали термоскопГалилея, добавив к нему шкалу из бусин и откачав из шарика воздух.
В 17 веке воздушный термоскоп был преобразован в спиртовойфлорентийским ученым Торричелли. Прибор был перевернут шариком вниз, сосуд сводой удалили, а в трубку налили спирт. Действие прибора основывалось нарасширении спирта при нагревании, — теперь показания не зависели отатмосферного давления. Это был один из первых жидкостных термометров.
На тот момент показания приборов еще не согласовывались другс другом, поскольку никакой конкретной системы при градуировке шкал неучитывалось. В 1694 году Карло Ренальдини предложил принять в качестве двухкрайних точек температуру таяния льда и температуру кипения воды.
В 1714 году Д.Г. Фаренгейт изготовил ртутный термометр. Нашкале он обозначил три фиксированные точки: нижняя, 32 °F — температуразамерзания солевого раствора, 96 ° — температура тела человека, верхняя 212 ° F- температура кипения воды. Термометром Фаренгейта пользовались в англоязычныхстранах вплоть до 70-х годов 20 века, а в США пользуются и до сих пор.
Еще одна шкала была предложена французским ученым Реомюром в1730 году. Он делал опыты со спиртовым термометром и пришел к выводу, что шкаламожет быть построена в соответствии с тепловым расширением спирта. Установив,что применяемый им спирт, смешанный с водой в пропорции 5: 1, расширяется вотношении 1000: 1080 при изменении температуры от точки замерзания до точки кипенияводы, ученый предложил использовать шкалу от 0 до 80 градусов. Приняв за 0 °температуру таяния льда, а за 80 ° температуру кипения воды при нормальноматмосферном давлении.
В 1742 году шведский ученый Андрес Цельсий предложил шкалудля ртутного термометра, в которой промежуток между крайними точками былразделен на 100 градусов. При этом сначала температура кипения воды былаобозначена как 0 °, а температура таяния льда как 100 °. Однако в таком видешкала оказалась не очень удобной, и позднее астрономом М. Штремером и ботаникомК. Линнеем было принято решение поменять крайние точки местами.
М.В. Ломоносовым был предложен жидкостный термометр, имеющийшкалу со 150 делениями от точки плавления льда до точки кипения воды. И.Г. Ламбертупринадлежит создание воздушного термометра со шкалой 375 °, где за один градуспринималась одна тысячная часть расширения объема воздуха. Были также попыткисоздать термометр на основе расширения твердых тел. Так в 1747 голландец П.Мушенбруг использовал расширение железного бруска для измерения температурыплавления ряда металлов.
К концу 18 века количество различных температурных шкалзначительно увеличилось. По данным «Пилометрии» Ламберта на тотмомент их насчитывалось 19.
Температурные шкалы, о которых шла речь выше, отличает то,что точка отсчета для них была выбрана произвольно. В начале 19 века английскимученым лордом Кельвином была предложена абсолютная термодинамическая шкала.Одновременно Кельвин обосновал понятие абсолютного нуля, обозначив имтемпературу, 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, термометрысопротивления, электроконтактные, жидкостные, термоэлектрические, газовые,пирометры и т.д. Из всего этого многообразия наиболее популярными являютсяртутные и спиртовые.
Исходя из потребностей, на сегодняшний день можно купитьлюбой необходимый бытовой термометр. На товарном рынке представлено большоеразнообразие термометров различного назначения: медицинские, уличные, оконныедля любого вида окон (пластиковых или деревянных), комнатные термометры дляофиса и дома, для саун и бань, для чая и воды, для аквариумов, для почвы, дляавтомобилей и т.д. И даже термометры для инкубаторов, морозильных камер, винныхпогребов. 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 протеканиежизненных процессов в организме и на его физиологическую активность.Физико-химической основой этого влияния является изменение скорости протеканияхимических реакций, благодаря которым происходит энтропическое превращение всехвидов энергии в тепловую.
Зависимость скорости химических реакций количественновыражается законом Вант-Гоффа — Аррениуса, согласно которому при изменениитемпературы окружающей среды на 10°с происходит, соответственно, повышение илипонижение скорости химических процессов в 2-3 раза. Разница в 10°с сталастандартным диапазоном, по которому определяют температурную чувствительностьбиологических систем.
В соответствии с одним из следствий второго законатермодинамики, теплота как конечное превращение энергии способна переходитьтолько из области более высокой температуры в область более низкой. Поэтомупоток тепловой энергии от живого организма в окружающую среду не прекращаетсядо тех пор, пока температура тела особи выше, чем температура среды.Температура тела определяется соотношением скорости метаболическойтеплопродукции клеточных структур и скорости рассеивания образующейся тепловойэнергии в окружающую среду. Следовательно, теплообмен между организмом и средойявляется неотъемлемым условием существования теплокровных организмов. Нарушениесоотношения этих процессов приводит к изменению температуры тела.
Человек издревле обитает в различных условиях нашей планеты,температурные различия между которыми превышают 100°с. Ежегодные и ежесуточныеколебания могут быть очень велики. Следовательно, проблема защиты от внешнихтемпературных воздействий и физиологической адаптации к ним всегда стояла передчеловеком, а при выполнении мышечной работы в некоторых условиях внешней средытерморегуляция является одним из важных лимитирующих факторов.
При анализе температурного режима человеческого организма напротяжении долгого времени понятие о температуре тела как одной из важнейшихфизиологических констант при нормальном состоянии организма распространялось нетолько на состояние покоя, но и на активную мышечную деятельность. С этойпозиции различная степень гипертермии при мышечной работе не могларасцениваться иначе, как показатель срыва или функциональной недостаточноститерморегуляционной системы, в частности, аппарата физической терморегуляции.
Современный взгляд на терморегуляцию человека в процессеработы существенно изменился. Допускается и доказана прямая, хотя и не линейнаязависимость, взаимосвязь между температурой ядра и уровнем метаболизма. Важноподчеркнуть, что степень повышения температуры ядра при работе в большейстепени коррелирует с общим уровнем энергозатрат, чем с величинойтеплопродукции. Поэтому знание физиологических основ терморегуляции человека вразличных условиях деятельности, особенно при физических нагрузках, является необходимым.
Температура тела человека. Тепловой баланс.
Возможность процессов жизнедеятельности ограничена узкимдиапазоном температуры внутренней среды, в котором могут происходить основныеферментативные реакции. Для человека снижение температуры тела ниже 25°с и еёувеличение выше 43°с, как правило, смертельно. Особенно чувствительны кизменениям температуры нервные клетки. С точки зрения терморегуляции, телочеловека можно представить состоящим из двух компонентов: внешнего, оболочки, ивнутреннего, ядра. Ядро — это часть тела, которая имеет постоянную температуру,а оболочка — часть тела, в которой имеется температурный градиент. Черезоболочку идёт теплообмен между ядром и окружающей средой. Температура разныхучастков 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 колеблетсяот 24.4 до 34.4°с. Самая низкая температура наблюдается на пальцах ног, самаянизкая — в подмышечной впадине. Именно на основании измерения температуры вподмышечной впадине обычно судят о температуре тела в данный момент времени. Поусреднённым данным, средняя температура кожи обнажённого человека в условияхкомфортной температуры воздуха составляет 33-34°с.
Существуют циркадные — околосуточные — колебания температурытела. Амплитуда колебаний может достигать 1°. Температура тела минимальна впредутренние часы (3-4 часа) и максимальна в дневное время (16-18 часов). Этисдвиги вызваны колебаниями уровня регулирования, т.е. связаны с изменениями вдеятельности ЦНС. В условиях перемещения, связанного с пересечением часовыхмеридианов, требуется 1-2 недели для того, чтобы температурный ритм пришёл всоответствие с новым местным временем. На суточный ритм могут накладыватьсяритмы с более длительными периодами. Наиболее отчётливо проявляетсятемпературный ритм, синхронизированный с менструальным циклом.
Известно также явление асимметрии аксилярной температуры.Она наблюдается примерно в 54% случаев, причем температура в левой подмышечнойвпадине несколько выше, чем в правой. Возможна асимметрия и на других участкахкожи, а выраженность асимметрии более чем в 0,5° свидетельствует о патологии.Постоянство температуры тела у человека может сохраняться лишь при равенствепроцессов 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 уровеньтеплового баланса, обеспечивающий изотермию в новых условиях среды. Оптимальноесоотношение теплопродукции и теплоотдачи обеспечивается совокупностьюфизиологических 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 затвердеватьтак, что их внутренние органы пронизываются кристаллами льда. Это необычно,потому что образующийся в кровеносных сосудах животного лед должен либо ихразрывать, либо безнадежно растягивать. И главное — замерзшая вода становитсянедоступной для клеток, и они могут погибнуть от обезвоживания. Но вот,например, американская лесная лягушка. Когда при охлаждении лед образуется впальцах ее лап и коже, она наполняет свои ткани глюкозой. Это предохраняет ихот повреждения. Даже если бы человек мог накачать столько глюкозы в свои ткани,ее высокий уровень вызвал бы диабетическую кому и смерть. У лягушки избытоксахара тоже вызывает кому: обмен веществ в клетках почти останавливается. Ноэто 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 иожила. Радиоуглеродный анализ показал, что углозуб пролежал в мерзлоте околодевяноста лет. Есть и животные, тело которых может сильно охлаждаться, а льдапри этом не образуется. Некоторые арктические насекомые бодро переносятпятидесятиградусный мороз: они удаляют из своего тела пыль или бактерии, вокругкоторых могут нарастать кристаллы льда. Из млекопитающих безболезненноохлаждается длиннохвостый суслик, у которого в зимнюю спячку температура теламожет упасть ниже точки замерзания. И никаких кристаллов. Но как это у негополучается — пока неизвестно. Ужеобразная подвязочная змея последней изамериканских змей уходит на зиму в укрытие и первой при потеплении из неговыходит. Она зимует в каменистых расщелинах при 4-5 градусах тепла. Биение еесердца замедляется до 6 ударов в минуту (в десять раз реже, чем в летнийсолнечный день). В мороз подвязочные змеи тоже могут превращаться в лед. Нодаже после одного или двух дней в «морозилке» теплое солнце оживляетрептилию. Подвязочные змеи зимуют и в воде: описан случай, когда сотни змейзаползали осенью в цистерну и ждали, пока она наполнится водой. Вероятно, кожазмеи, 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 холодноснаружи. Но и зимой время от времени температура их тела поднимается почти снуля до нормальной, и они просыпаются на несколько часов или даже на целыйдень. Как часто просыпается грызун перогнат, зимующий вместе с запасом пищи?Американский исследователь оставлял перогнату 800 граммов семян, и онпросыпался каждый день. Когда же семян давали всего 100 граммов — тот дремал попять дней. Но зачем вообще просыпаться? Ведь спячка должна сохранять энергию, а80 — 90 ее процентов животные зимой расходуют, именно когда просыпаются.Возможно, они просто боятся проспать весну. Например, когда просыпаетсяземляная белка Белдинга, она сразу спешит потрогать земляную пробку,закрывающую вход в нору. Теплая земля означает приход весны. Когда вэкспериментах пробку нагревали, белки сразу же рыли ход наружу. Причем сприближением весны белки просыпаются все чаще и чаще. Возможно, их будят нетолько биологические часы, но и накопившиеся в организме ядовитые вещества,которые надо время от времени удалять. Перья с пухом, шерсть, слой подкожногожира — почти все животные холодных краев имеют какую-нибудь защиту от мороза.Некоторые грызуны, землеройки и кролики вырабатывают при похолодании особоевещество, именуемое коричневым салом. Оно дает много энергии, потому что насыщеномитохондриями — микроскопическими устройствами в клетках, чья единственнаязадача — превращать пищу в тепло.