Физиология животных. Приспособление и среда - Шмидт-Ниельсен К.
Скачать (прямая ссылка):
1 Абсолютный нуль соответствует —273,15 °С. Температура по Цельсию (Гс) и абсолютная температура (Гк) связаны соотношением: ТК = ТС+273,15.
2 Рекомендуется термин «удельный» перед названием физических величин применять только в значении «деленный на массу» (Council of the Royal Society, 1975).
Температура, тепло и перенос тепла 343
Для того чтобы повысить температуру тела животного, требуется несколько меньше тепла, чем для нагрева такого же по весу количества воды. Средняя удельная темплоемкость тканей млекопитающего составляет примерно 0,8. Таким образом, для нагрева тела млекопитающего весом 1000 г на 1° требуется около 800 кал. Точное значение удельной теплоемкости животного организма не вполне постоянно. Например, удельная темплоемкость тела мыши варьирует в пределах 0,78—0,85, в среднем составляя 0,824 (Hart, 1951). Главный в количественном отношении компонент тела—вода с удельной теплоемкостью 1,0; другие компоненты — белки, кости, жиры — несколько снижают эту величину. Жир играет особенно большую роль, так как его количество может в широких пределах изменяться, а удельная теплоемкость жира всего лишь около 0,5. Во многих случаях можно приближенно считать удельную теплоемкость организма животного равной 0,8, тем более что для расчета изменений в количестве тепла необходимо знать среднюю температуру тела, а точное определение этой величины, как мы уже видели, крайне затруднительно.
ФИЗИКА ПЕРЕНОСА ТЕПЛА
Для того чтобы температура тела оставалась постоянной, абсолютно необходимо, чтобы отдача тепла была равна его притоку. Для поддержания постоянства температуры тела животного скорость отдачи тепла должна равняться скорости его выработки в процессе метаболизма. Как мы уже видели, выработка метаболического тепла при физической работе легко может возрасти более чем в 10 раз, и если потеря тепла не увеличится в такой же пропорции, температура тела животного будет быстро повышаться. Кроме того, условия теплоотдачи в огромной степени зависят от внешних факторов, таких, как, например, температура воздуха и ветер. Чтобы разобраться в физиологических механизмах, регулирующих теплопродукцию и теплоотдачу, необходимо вспомнить элементарную физику теплообмена.
Если физические тела имеют разную температуру, то тепло передается от более нагретого тела к более холодному. Этот перенос тепла осуществляется путем теплопроводности или путем излучения. Тело может отдать часть тепла этими способами только в том случае, если температура окружающей среды или какой-то ее части ниже температуры поверхности тела. Есть, однако, и третий путь отдачи тепла, а именно испарение воды. Эти три способа переноса тепла — теплопроводность1, излучение и испаре-
1 Передача тепла от твердой поверхности к соприкасающемуся с ней потоку жидкости (или газа) происходит путем теплопроводности. Движение масс в жидкости (газе), называемое конвекцией, обеспечивает обновление жидкости (газа) в пограничном слое, вследствие чего описание передачи тепла путем теплопроводности усложняется (см. далее в этой главе).
344 Глава 8. Терморегуляция
ниє — являются единственными средствами удаления избыточного тепла, выработанного в процессе метаболизма.
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ
Передача тепла путем теплопроводности осуществляется между физическими телами, находящимися в контакте друг с другом, независимо от того, твердые они, жидкие или газообразные. Теплопроводность связана с прямой передачей кинетической энергии молекул, а эта энергия всегда передается от более нагретого тела к менее нагретому.
Предположим, что у нас есть проводящий тепло стержень, у которого один конец холодной, а другой — теплый (рис. 8.3).
Тогда скорость переноса тепла (Q) можно выразить уравнением
Q=kA T"--Tl ,
где k — коэффициент теплопроводности материала; А — площадь, через которую передается тепло (нормальная к направлению по-
Рис. 8.3. Проведение тепла однородным стержнем зависит от его поперечного1 сечения, материала, из которого он изготовлен, и градиента температуры.
тока тепла); T2 и Т\—температуры двух участков, разделенных расстоянием /. Дробь (T2—Ti)Jl характеризует градиент температуры, т. е. разность температур на единицу расстояния по длине стержня.
і _Температура, тепло и перенос тепла 345
k,
Материал кал/(с-см.°с)
*•
Материал кал/(с-см.°с)
Серебро 0,97 Медь 0,92 Алюминий 0,50 Сталь 0,11 Стекло 0,0025 Почва (сухая) 0,0008
Каучук 0,0004 Дерево 0,0003 Вода 0,0014 Ткани человека 0,0011 Воздух 0,000057 Мех животных 0,000091
К сожалению, приведенное выше простое уравнение теплопроводности применимо только в тех случаях, когда перенос тепла происходит через плоский объект, например через стену. Но поверхность тела у большинства животных искривлена, и поэтому теплообмен через нее описывается значительно более сложным образом. Для практических целей достаточно принять, что поток тепла зависит от градиента температуры и площади поверхности, однако в случаях, когда требуется более точная количественная оценка теплообмена у животного, необходимо более строго учитывать физику переноса тепла.
