Значение теплоизоляции в жизни человека и животных

ВОСТОЧНОЕ ОКРУЖНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

ДЕПАРТАМЕНТА ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ

ГБОУ ГИМНАЗИЯ № 1516

 

 

 

 

 

Научный проект

по курсу «Физика»

 

 

 

 

ЗНАЧЕНИЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ В ЖИЗНИ

ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Работу выполнила:

  Ученица 8 класса «А»

  ГБОУ Гимназия № 1516

ВОУО ДО г. Москвы

  Суслова Юлия

 

 

 

 

 

 

Москва 2013 год.

ОГЛАВЛЕНИЕ:

 

Теплоизоляция в жизни животного мира и человека:

1. Увеличение и уменьшение потерь тепла у человека...................2
2. Увеличение и уменьшение потерь тепла у животных.................5
3. Как зимуют животные.....................................................................6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Увеличение и уменьшение потерь тепла у человека:

 

Теплообразование, или теплопродукция, определяется интенсивностью обмена веществ. Регуляция теплообразования путем увеличения или уменьшения обмена веществ обозначается как химическая терморегуляция.

Выработанное организмом тепло постоянно отдается в окружающую его внешнюю среду. Если бы не существовала отдача тепла, организм погиб от перегревания. Теплоотдача может увеличиваться и уменьшаться. Регуляция теплоотдачи путем изменения осуществляющих ее физиологических функций обозначается как физическая терморегуляция.

Количество образующегося в организме тепла зависит от уровня обмена веществ в органах. Наибольшее количество тепла образуется в органах с интенсивным обменом веществ — в скелетной мускулатуре и в железах, главным образом в печени и в почках. Наименьшее количество тепла освобождается в костях, хрящах и соединительной ткани.

При повышении температуры окружающей среды теплообразование уменьшается, а при ее понижении — увеличивается. Следовательно, между температурой внешней среды и теплообразованием существуют обратно пропорциональные отношения. Летом теплообразование понижается, а зимой увеличивается.

Соотношение между теплообразованием и теплоотдачей зависит от температуры окружающей среды. При температуре среды 15 - 25°С теплообразование в покое в одежде находится на одном уровне и уравновешивается. Если температура среды 25-35°С, обмен веществ несколько снижается (зона пониженного обмена) и сохраняется терморегуляция. При повышении температуры среды больше 35°С происходит нарушение терморегуляции, обмен веществ и температура тела повышаются. Следовательно, повышение температуры внешней среды или согревание организма уменьшает теплопроизводство только до известного уровня при определенной температуре внешней среды. Эта температура называется критической, так как дальнейшее её повышение ведет уже не к уменьшению, а к увеличению теплообразования и повышению температуры тела. Точно так же при охлаждении существуют критическая температура внешней среды, ниже которой теплопроизводство начинает понижаться.

При мышечном покое увеличение теплообразования при охлаждении тела незначительно.

Особенно значительное увеличение теплообразования при низкой температуре внешней среды наблюдается при дрожи и работе мышц. Неправильные, небольшие сокращения мышц – дрожание и усиленные движения, которые человек делает на холоде с целью согреться и избавиться от озноба или дрожи, значительно увеличивают обмен веществ и производство тепла. Несколько повышается выработка тепла и при «гусиной коже» — сокращение мышц волосяных мешочков.

Необходимо учесть, что ходьба увеличивает теплопроизводство почти в 2 раза, а быстрый бег — в 4 - 5 раз. Однако при продолжительной интенсивной работе при температуре внешней среды выше 25°С температура тела может возрасти на 1 - 1,5°С, что уже вызывает изменения и нарушения жизнедеятельности. Когда во время мышечной работы при высокой температуре внешней среды температура тела повышается более чем до 39°С, может наступить тепловой удар. На долю мышц приходится 65 - 75% теплообразования, а при интенсивной работе даже 90%.

Остальная доля тепла образуется в железистых органах, главным образом в печени.

Организм в покое непрерывно теряет тепло:

1) теплоизлучением, или отдачей  тепла кожей окружающему воздуху;

2) теплопроведением, или непосредственной отдачей тепла тем предметам, которые соприкасаются с кожей;

3) испарением воды с  поверхности кожи и легких.

В условиях покоя 70-80% тепла отдается в окружающую среду кожей теплоизлучением и теплопроведением, а испарением воды в коже (потоотделением) и в легких — около 20%.

При мышечной работе резко возрастает отдача тепла испарением (у человека главным образом потоотделением), доходя до 90% всего суточного теплообразования.

Теплоотдача теплоизлучением и теплопроведением зависит от разности температур кожи и окружающей среды. Чем выше температура кожи, тем больше теплоотдача указанными путями. Температура кожи зависит от притока к ней крови.

Когда температура кожи сравнивается с температурой окружающей среды, теплоотдача прекращается. При дальнейшем повышении температуры окружающей среды кожа не только не теряет тепло, но сама нагревается. В этом случае теплоотдача теплоизлучением и теплопровидением отсутствует и сохраняется только теплоотдача испарением.

Наоборот, на холоде кожа становится бледной, количество протекающей через артерии крови уменьшается, температура кожи понижается, разница температур кожи и окружающей среды сглаживается, и теплоотдача уменьшается.

Человек уменьшает теплоотдачу искусственными покровами (бельем, одеждой и т.д.). Чем больше воздуха в этих покровах, тем легче сохраняется тепло.

Регуляция теплоотдачи испарением воды играет большую роль, особенно при мышечной работе и значительном повышении температуры окружающей среды. При испарении 1 дм3 воды с поверхности кожи или слизистых оболочек теряется телом 2428400 Дж.

Потеря воды кожей происходит за счет проникновения воды из глубоких тканей на поверхность кожи и главным образом за счет функционирования потовых желез. При средней температуре окружающей среды взрослый человек ежесуточно теряет испарением с кожи 1674800 - 2093500 Дж.

В связи с резким увеличением потоотделения при повышении температуры окружающей среды и при мышечной работе значительно возрастает и теплоотдача, хотя и не весь пот испаряется.

Испарение воды постоянно происходит и с поверхности легких. Выдыхаемый воздух насыщен водяными парами на 95 - 98% и поэтому чем суше вдыхаемый воздух, тем больше тепла отдается испарением с легких. В обычных условиях легкими ежесуточно испаряется 300 - 400 см3 воды, что соответствует 732700 - 962900 Дж. При высокой температуре дыхание учащается, а на холоде становится редким. Испарение воды с поверхности кожи и легких становится единственным путем теплоотдачи, когда температура воздуха достигает температуры тела. В этих условиях в покое испаряется более 100 см3 пота в час, что позволяет отдавать около 251200 Дж в час.

Испарение воды с поверхности кожи и легких зависит от относительной влажности воздуха. Оно прекращается в воздухе, насыщенном водяными парами. Поэтому пребывание во влажном горячем воздухе, как, например, бане, тяжело переносится. В сыром воздухе человек плохо чувствует себя, даже при сравнительно невысокой температуре окружающей среды — при 30°С. Плохо переносится кожаная и резиновая одежда, так как она непроницаема для воздуха и делает невозможным испарение пота, поэтому под такой одеждой пот накапливается. При высокой температуре воздуха и мышечной работе в кожаной и резиновой одежде у человека повышается температура тела.

Перегревание человека в атмосфере, насыщенной водяными парами, особенно опасно, так как лишает возможности освобождаться от избытка тепла наиболее действенным способом — испарением.

Наоборот, в сухом воздухе человек сравнительно легко переносит значительно более высокую температуру, чем во влажном.

Большое значение для увеличения теплоотдачи теплоизлучением, теплопроведением и испарением имеет движение воздуха. Увеличение скорости движения воздуха увеличивает теплоотдачу. На сквозняке и на ветру резко увеличивается потеря тепла. Но если окружающий воздух имеет высокую температуру и насыщен водяными парами, то движение воздуха не охлаждает. Следовательно, физическая терморегуляция обеспечивается:

1) сердечнососудистой системой, которая определяет приток и  отток крови в кровеносных  сосудах кожи, а следовательно, количество тепла, отдаваемого кожей в окружающую среду;

2) системой органов дыхания, т.е. изменениями вентиляции легких;

3) изменением функции  потовых желез.

 

 

 

 

Увеличение и уменьшение потерь тепла у животных:

 

Существование в различных температурных диапазонах в связи с климатическими условиями, образом жизни и типом питания играет большую роль в образе жизни животных.

Наиболее яркая зависимость между климатическими (температурными) условиями и состоянием организмов была отмечена еще в середине прошлого столетия.

Увеличение поверхности тела обеспечивает более интенсивную отдачу тепла в окружающее организм пространство даже в условиях небольшой разницы между температурой кожи и температурой окружающей среды.

Увеличение теплоотдачи, наряду с уменьшением веса тела, обеспечивается и изменением его формы. Как правило, поверхность тела у южных видов млекопитающих увеличена за счет более длинных ушей, длинного хвоста, длинных конечностей. Это правило полностью подтверждается при сопоставлении формы тела близких видов лисиц, некоторых грызунов.

Яркий пример - африканский слон — весьма крупное животное, уши которого содержат большое количество кровеносных сосудов, а количество протекающей крови составляет до 30% от всей циркулирующей крови. Увеличенная теплопродукция в связи с интенсивной мышечной работой приводит также к выявлению правила у зайцев.

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что животные одного вида, выращиваемые в условиях высоких температур, изменяют на протяжении многих поколений свой рост, т. е. увеличивают поверхность тела. Так было при переселении лисиц из Англии в Австралию. Серые крысы, обитающие в холодильниках при постоянной температуре —15° С, оказались более крупными, чем обитающие на элеваторах. Вес тела серых крыс на элеваторе на 70 г меньше, чем в холодильнике. У тропических животных наблюдается менее густой шерстный покров и отсутствует подшерсток.

Немаловажную роль играет цвет шерстного покрова. Светлая окраска многих тропических животных, особенно обитающих в условиях открытых пространств, предохраняет их от прямого нагревания солнечными лучами. У лесных форм — обитателей тропического леса, эта защитная окраска отсутствует и наблюдается увеличение содержания пигмента.

Огромные различия теплопроводности шерстного покрова были обнаружены при сопоставлении арктических и тропических млекопитающих. У мелких млекопитающих относительная разница в теплопроводности кожного и шерстного покрова невелика; у крупных она очень значительна.

 

 

 

Как зимуют животные:

 

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 растягивать. Также замерзшая вода становится недоступной для клеток, и они могут погибнуть от обезвоживания. Но, 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 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. 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. 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.