То в жар, то в холод
Теплообмен как двигатель торговли
Почему человеку бывает холодно, а лягушке даже на Монблане не нужен пуховик? Согреет ли нас гусиная кожа, и за что производители одежды должны благодарить гомеостаз?
Кто из нас, взбираясь на гору с тяжеленным рюкзаком, не ворчал по поводу излишне теплой одежды? А потом, вечером, не пытался в ней же согреться у костра? Почему в одной и той же куртке может быть и холодно, и жарко, и как на ощущение климатического комфорта влияет температура окружающего воздуха или интенсивность физической активности? О том, почему греет одежда, мы рассказывали в статье «Кто согревает теплую одежду». В этой статье мы поговорим о том, почему человек вообще нуждается в одежде, и зачем она должна его греть.
Голландец Вим Хоф (Wim Hof) по прозвищу «Ледяной человек» (The Iceman) прославился своей слабой чувствительностью к холоду. Он установил несколько рекордов, связанных с продолжительностью пребывания человека в экстремально холодных условиях. Айсмен провел 72 минуты в емкости с холодной водой и льдом, взошел на французский Монблан босиком и совершил еще множество «хладнокровных» поступков, недоступных большинству простых людей.
В отличие от Вима Хофа, другое живое существо — обычная лягушка — на Монблан не забирается, но прочие низкотемпературные подвиги совершает постоянно, что, однако, не делает ее знаменитой. Можно, конечно, предположить, что Iceman, в отличие от лягушки, преуспел в вопросах PR, однако истина в другом. Лягушка, как и многие другие представители животного мира и рыб, является существом холоднокровным. Человек, наоборот, принадлежит к довольно большой теплокровной группе. Холодно- и теплокровные организмы приспосабливаются к среде и реагируют на изменение температурных условий по-разному.
Гомеостаз
В XIX веке французский медик Клод Бернар (Claude Bernard) вывел принципы, которые затем легли в основу теории гомеостаза. Согласно этой теории живой организм образует единую энергетическую систему с окружающей средой и стремится сохранить постоянство своей внутренней среды.
Эволюция предложила разные варианты обеспечения гармонии между организмом и окружающей средой. Например, уже знакомая нам лягушка хладнокровно решила, что температура ее тела будет практически такой же, как у воды и воздуха вокруг нее. В результате лягушка нормально живет при температуре ее собственного лягушачьего тела от 0 до 25 градусов по Цельсию. Животные подобные лягушке при сильном понижении температуры способны впадать в анабиоз — состояние, когда жизнедеятельность организма замедляется почти до полной остановки. Некоторые из таких животных, например сибирский углозуб, даже зимуют в глыбе льда, замерзая до весны вместе с водой, в которой они плавали. Такой способ приспособления к условиям окружающей среды называется конформационным.
Сибирский углозуб может зимовать в глыбе льда, замерзая вместе с водой, в которой плавал
Человек, в отличие от лягушки, нормально функционирует только если температура его собственного тела постоянна и не изменяется вслед за температурой окружающей среды. Этот способ адаптации называется регуляторным и достигается с помощью развитой физиологической системы терморегуляции, управляющей теплообменом. Эта система следит за внутренней температурой организма человека, и если она отклоняется от нормальных 37 ºС в ту или другую сторону, то запускаются механизмы коррекции. Дрожание на холоде или потение в жару — внешние проявления работы таких механизмов.
У обоих вариантов гомеостаза есть свои преимущества и недостатки. Холоднокровные животные меняют «стиль жизни» в зависимости от внешних условий и могут переносить низкие температуры в течение длительного времени, снижая свою активность практически до нуля. Теплокровные, наоборот, тратят значительные силы на поддержание стабильной внутренней температуры тела, но это дает им возможность сохранять обычную активность при довольно широком диапазоне внешних температур.
Теплообмен
Что же такое теплообмен? К чему все эти мучения с потением или, наоборот, что приятного в мурашках на коже?
Теплообмен — это перенос тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Такой процесс всегда имеет одно направление и необратим. То есть перенос тепла от нагретого утюга к брюкам возможен, а вот брюки нагретому утюгу передать тепло не смогут. Процесс теплообмена по своему принципу похож на поведение жидкости в сообщающихся сосудах: жидкость будет перетекать из одного сосуда в другой до тех пор, пока уровень жидкостей в двух сообщающихся сосудах не станет одинаковым. Так и тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому до тех пор, пока их температура не станет одинаковой.
Три вида теплообмена
Теплообмен принято делить на три вида: теплопроводность, лучистый теплообмен и конвекция.
1. Теплопроводность — это непосредственный перенос тепла от более нагретого к менее нагретому. Горячий кофе передает тепло чашке, а чашка — рукам. Это будет происходить до тех пор, пока температура напитка, чашки и рук не сравняется. И наоборот, если емкость с напитком холодна (например, фужер с коньяком), то тепло передается в обратном направлении — от рук к напитку. Именно благодаря теплопроводности хороший коньяк, нагреваясь, становится очень хорошим.
Холодные уши — вовсе не признак дурака. Так устроен любой человек
Человеческое тело отдает свое тепло не только коньяку, но и окружающей среде — воздуху или другим холодным предметам, с которыми человек соприкасается. Различные зоны человеческого тела делают это по-разному. Например, верхняя часть, особенно голова и шея, отдают много тепла, а ноги и участки тела с большим количеством подкожного жира — мало. Кстати, именно поэтому упитанные люди мерзнут меньше худых.
2. Лучистый теплообмен — это вариант теплообмена без непосредственного контакта тел. Так нас греет солнце или любой другой нагретый предмет, даже не прикасаясь к которому, мы можем сказать, что от него исходит жар.
Солнце греет нас на расстоянии благодаря лучистому теплообмену
3. Конвекция — вид теплообмена, осуществляемого движущимися потоками одного и того же вещества. Благодаря конвекции перемешивается вода в стоящем на огне чайнике. То же самое происходит с теплым воздухом под одеждой. Поднимаясь вдоль тела и выходя наружу, он уступает место воздуху с улицы, и мы начинаем мерзнуть.
Виды конвекции в чайнике и туристе
Роль механизмов регуляции теплообмена
Внутренняя температура тела человека поддерживается за счет теплопродукции — производства тепла в ходе обмена веществ и мышечной деятельности. Здоровый организм не замечает эту температуру, но даже небольшое — в половину градуса — ее изменение является поводом для того, чтобы забраться в постель, потребовать тишины, глинтвейна и оплаченного больничного листа.
Но не менее важна для человека и температура среды его обитания.
Голый человек способен продолжительно и эффективно функционировать лишь в довольно узком диапазоне температур окружающей среды — в районе 27 ºС. Если температура окружающей среды поднимается выше 27 градусов, возникает риск гипертермии (перегрева). В таких случаях система терморегуляции человека увеличивает теплоотдачу за счет испарения влаги, вырабатываемой потовыми железами. Кроме этого осуществляется перераспределение кровотока от внутренних органов к внешней поверхности тела.
И наоборот, когда температура окружающей среды заметно и продолжительно опускается ниже 27 градусов, организм включает механизмы терморегуляции, которые уменьшают потери тепла и увеличивают теплопродукцию.
К таким механизмам относятся:
Дрожание — быстрое непроизвольное сокращение мышц, в процессе которого выделяется тепло для согрева внутренних органов.
Отток крови от внешней, охлажденной поверхности тела. Такой отток не позволяет крови отдавать тепло, необходимое для работы внутренних органов. Этот эффект проявляется, в частности, как замерзание пальцев рук и ног.
Гусиная кожа — мурашки, которые вызываются напряжением микромыщц, отвечающих за положение волосков на коже. У человека это наследие предков является классическим атавизмом, но у наших прародителей эти мышцы поднимали шерсть, увеличивая высоту волосяного покрова. Это удерживало воздух у кожи, который как теплоизолятор уменьшал тепловые потери.
Однако возможности терморегуляции не безграничны, и при дальнейшем устойчивом понижении температуры среды возникает риск различных нарушений в функционировании организма, развиваются симптомы гипотермии (переохлаждения), появляется дискомфорт, чувство «замерзания». Поэтому когда температурные условия выходят за определенные границы, собственных возможностей организма становится недостаточно, и человеку требуется посторонняя помощь. Одним из главных помощников человека в обеспечении температурного комфорта является одежда. Как именно она помогает, читайте в материале «Кто согревает теплую одежду».
Резюме:
Способность человека поддерживать стабильное состояние организма при изменениях окружающей среды называется гомеостазом.
Человек — существо теплокровное и нормально функционирует лишь при внутренней температуре 37 ºС и внешней 27 ºС.
При изменении этих температур в ту или иную сторону включаются механизмы естественной терморегуляции человеческого организма, усиливающие или, наоборот, ослабляющие теплообмен.
Возможности естественной терморегуляции ограниченны, и при значительном изменении температуры окружающей среды человек может столкнуться с проблемами переохлаждения или перегрева.
Источник
Теплообмен между организмом и внешней средой и его регуляция
Многообразие метеорологических факторов и их непрерывная изменчивость во времени и пространстве требуют совершенной приспособляемости организма животных. Для соответствующих ответных реакций на изменения во внешней среде в организме животных имеются специальные приспособления (механизмы), ведущая роль в которых принадлежит центральной нервной системе.
По температуре тела животных делят на холоднокровных, или пойкилотермных, и теплокровных, или гомойотермных. К холоднокровным относятся животные с переменной температурой тела, а к теплокровным — с постоянной температурой тела от 36 до 42° домашние и дикие млекопитающие, птицы, а также человек. У гомойотермных сельскохозяйственных животных (птиц) температура тела колеблется в весьма узких пределах, что необходимо для поддержания нормальных физиологических процессов. Наибольшее постоянство температуры присуще крови, мозгу, сердцу и печени, тогда как температура других органов и кожи может колебаться более значительно под влиянием метеорологических факторов внешней среды и физиологических функций организма.
Постоянство температуры тела объясняется наличием относительного теплового равновесия организма, то есть полным соответствием между образованием тепла и его отдачей во внешнюю среду, или следствием сбалансированного прихода и расхода тепла. В организме животных постоянно совершаются процессы теплообразования и теплоотдачи благодаря свойственной им способности теплорегуляции. Под теплорегуляцией следует понимать способность животных поддерживать температуру тела па относительно постоянной высоте. Регуляции тепла заключаются в повышении или ослаблении обмена веществ и, как следствие этого, в повышении или уменьшении образования тепла в организме, с. одной стороны, в усилении или уменьшении отдачи тепла в окружающую среду — с другой.
Теплорегуляция осуществляется центральной нервной системой главным образом через кожу, органы дыхания, а также через многочисленные регуляторные приспособления. В гипотальмической области промежуточного мозга находится центр теплорегуляции, который получает импульсы со стороны кожи и крови (нагретой или охлажденной) вследствие раздражения экстеро- и интерорецепторов, воспринимающих тепло и холод. Эта регуляция происходит через вегетативную нервную систему в результате рефлекторного изменения интенсивности окислительных процессов и гуморально благодаря деятельности желез внутренней секреции (главным образом мозговой части надпочечников, гипофиза, паращитовидной, поджелудочной и щитовидной желез). Наступает также рефлекторное изменение мышечной и сердечной деятельности, дыхания, расширение или сужение периферических сосудов, секреции потовых желез, изменение поверхности тела (перемена его положения) и т. д. В поддержании постоянной температуры тела огромная роль принадлежит коре больших полушарий головного мозга. Теплорегуляция может иметь условно-рефлекторный характер под влиянием условных рефлексов, которые легко вырабатываются на температурные факторы (К. М. Быков, Д. М. Слон им, Р. П. Ольнянская и др.). Теплорегуляция выявляется у животных и в сезонных приспособлениях, или физиологических явлениях, например в виде повышения основного обмена, накопления подкожного жирового слоя, появления подшерстка, более густого и длинного волоса (зимой), выпадение волоса и замены его более редким и коротким (весной).
Тепло является результатом аэробного и анаэробного распада белков, жиров и углеводов. Так, в процессе расщепления 1 г белков выделяется 4,1 ккал, I г жиров — 9,3 ккал и 1 г углеводов — 4,1 г ккал тепла. Теплообразование происходит постоянно во всех клетках организма в результате окислительных процессов. Больше всего образуется тепла в мышцах, а также в печени, почках, железах, легких, нервной и гистоцитарной системах. Значительно повышают теплопродукцию низкие температуры воздуха, мышечная работа, беременность, лактация и другие факторы. Высокая окружающая температура, состояние покоя, кастрация животных, подкожный жировой слой и густой волосяной покров понижают образование тепла.
В настоящее время изучены величины теплопродукции различных животных, различного возраста, веса, при различных условиях кормления, продуктивности работы и пр. Среднее количество образуемого тепла в ккал за один час на 1 кг веса составляет: у лошади в покое — 1,13, при умеренной работе — 10,46, а при тяжелой работе — 19,5; у коров в состоянии покоя при разных условиях кормления и молочной продуктивности — от 1 до 3 ккал; у овец — 1,6—2,10; у свиней — 2,15— 2,90; у кроликов — до 5,6; у птиц в состоянии покоя до 7,5 ккал. Эти данные показывают, что чем меньше животное, тем больше у него теплопродукция на 1 кг веса. Значительная часть тепла выделяется из организма в окружающую среду. Так, например, корова весом 400 кг при суточном удое в 10 л выделяет В один час 765 ккал, весом 600 кг при том же удое — 906 ккал, при удое 30 л — 1342 ккал, а при удое 50 л — 2013 ккал тепла.
Большая часть всего тепла из организма выделяется через кожу. Теплоотдача с поверхности кожи происходит путем теплоизлучения (радиации), теплопроведения и конвекции, испарения.
Теплоизлучение (радиация) выражается в излучении с поверхности кожи (имеющей температуру 30—36°) и из глубоких частей тела организма длинноволновых невидимых инфракрасных лучей. Излучаемое тепло поглощается окружающими предметами (стены, пол, потолок и перегородки), если температура их меньше температуры кожи, а также влажным воздухом при низких температурах. При одинаковой температуре кожи и окружающих предметов излучение с кожи прекращается; если температура окружающих поверхностей выше температуры кожи, происходит обратное явление — нагревание кожи. Чтобы уменьшить потери тепла излучением, необходимо утеплять стены, потолки, полы, двери и окна и принимать меры к уменьшению влажности воздуха в зимний стойловый период.
Теплопроведение и конвекция осуществляются путем потери тепла тканями как хорошими его проводниками. Конвекция представляет путь передачи тепла окружающему слою воздуха, который образует вокруг тела животного постоянно сменяющуюся нагретую воздушную оболочку. Чем значительнее разница между температурами кожи и воздуха, а также чем больше скорость движения и влажность его, тем больше тепла теряется конвекцией. Воздушная передача тепла проведением наблюдается в неподвижном воздухе, температура которого ниже температуры кожи животного. Ввиду того, что воздух в помещениях для животных находится в движении, основное значение в теплоотдаче через воздух имеет конвекция. Теплопроведение происходит в больших размерах при соприкосновении тела животных с холодным полом, землей, снегом, а также при купании и обмывании животных. Теплопередача проведением и конвекцией (нагревание токов воздуха) может прекратиться, если кожа и окружающий ее воздух имеют одинаковую температуру, а при температуре воздуха, превышающей температуру кожи, конвекция способствует нагреванию кожи.
У животных, в том числе и птиц, поверхность тела которых покрыта шерстью или перьями, теплоотдача имеет некоторые особенности. Шерсть и перья защищают их от температурных воздействий воздуха благодаря кератину, содержащемуся в шерсти и пере, и воздушной оболочке вокруг них, являющихся плохими проводниками тепла. Воздух, находящийся между шерстью и перьями, представляет собой как бы свой микроклимат животного. Это позволяет им в известной мере сохранять температуру тела и при низких, и при высоких температурах окружающего воздуха. Роль шерстного покрова в теплоотдаче выявляется, например, при стрижке животных, которая приводит в первые дни к увеличению потери тепла на 30% и более (И. А. Троицкий).
Испарение влаги с поверхности кожи животных, имеющих потовые железы, происходит в результате потоотделения; на испарение одного грамма влаги затрачивается около 0,6 ккал тепла. Такая теплоотдача с поверхности кожи тем значительнее, чем больше потоотделение, чем выше температура и скорость движения воздуха. Тормозит испарение с кожи высокая влажность воздуха при высокой температуре его. При температурах окружающей среды, равных температуре кожи или превышающих ее, испарение является главным способом теплоотдачи (до 95% всей теплоотдачи). Однако длительное пребывание животных во внешней среде с высокой температурой возможно лишь при низкой влажности воздуха, способствующей потере тепла испарением.
Отдача тепла дыхательными путями происходит преимущественно путем испарения влаги и частично в результате нагревания вдыхаемого воздуха. Размеры теплоотдачи в этом случае зависят от температуры и влажности вдыхаемого воздуха и объема вентиляции легких. У животных с потоотделением на ограниченных участках тела (свинья, собака, кошка (Moi-Kotenok.ru)) такой вид теплоотдачи выступает на первый план. Например, у собаки и птиц, лишенных потовых желез, влага испаряется в результате учащенного дыхания с поверхности высунутого языка. У птиц активное участие в процессе теплоотдачи принимают также гребень и сережки.
В зависимости от условий содержания, размещения животных и микроклимата пути теплоотдачи изменяются, и соотношение их между собой бывает весьма непостоянно, динамично.
Некоторые особенности теплорегуляции наблюдаются у новорожденных животных. У них максимально развита регуляция теплообразования и недостаточно совершенна регуляция теплоотдачи, то есть новорожденные не имеют установившихся условных связей или внутренних механизмов, поддерживающих постоянство температуры тела. В первые дни после рождения животные имеют изменчивую температуру тела, которая в большой степени зависит от температуры внешней среды; постоянство температуры тела достигается усилением или ослаблением обмена веществ, что бывает связано с глубокими сдвигами в организме. В этот период жизни температура воздуха, особенно с повышенной влажностью, резко сказывается на организме животных.
Физиологические исследования показали, что жеребята, телята, ягнята и поросята рождаются с врожденными рефлексами защиты от охлаждения и что процессы физической и особенно химической теплорегуляции выражены с первых дней жизни. Однако более совершенная регуляция теплоотдачи (физическая теплорегуляция) у новорожденных телят разных пород и помесен вступает а действие с 9-го по 27-й день жизни (К. С. Ермолаева, О. Л. Бедрата, Л. В. Совенко), у ягнят с 6-го по 15-й день (И. А. Троицкий), у поросят с 15-го по 25-й день (А. П. Онегов).
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Источник
