Теплообмен за счет теплопроводности
Теплопроводность — процесс передачи теплоты от более нагретых частей системы к менее нагретым, происходящий без переноса массы вещества и без излучения электромагнитных волн. Теплопроводность обусловлена тем, что частицы вещества, обладающие большей кинетической энергией, передают ее менее быстрым частицам. Передача теплоты путем теплопроводности может происходить между любыми телами при непосредственном контакте или через промежуточную среду (кроме вакуума).
Передачу теплоты путем теплопроводности в однородной среде описывают законом Фурье.
Тепловой поток (Р), переносимый через поверхность S , перпендикулярно направлению оси X , вдоль которой убывает температура, пропорционален площади этой поверхности и градиенту температуры
При расчете теплообмена между телом и окружающей средой, осуществляемого путем теплопроводности через одежду, величины, входящие в это уравнение, имеют следующий смысл:
S, м2 — площадь поверхности одежды;
ΔT, К — разность температур между внутренней и внешней сторонами одежды;
ΔХ, м — толщина одежды;
— коэффициент теплопроводности материала одежды.
Значения коэффициента теплопроводности для некоторых веществ приведены в табл. 12.4.
Отметим, что коэффициент теплопроводности воздуха сравнительно мал, поэтому потери тепла тела за счет теплопроводности воздуха невелики. Коэффициент теплопроводности воды превышает коэффициент теплопроводности воздуха более чем в 20 раз, поэтому в холодной воде человек начинает мерзнуть довольно быстро.
|
|
|
Таблица 12.4
Коэффициент теплопроводности
| Вещество | Коэффициент теплопроводности αk, Вт м 2·k |
| Сухой воздух | 0,024 |
| Ткань шерстяная сухая | 0,025 |
| Вода | 0,585 |
| Жировая клетчатка | 0,17—0,21 |
| Эпидермис человека | 0,25 |
| Мышечная ткань | 0,58 |
| Кости черепа | 0,38 |
| Серое вещество мозга | 0,56 |
| Ангиома (сосудистая опухоль) | 0,56 |
| Кровь | 0,70 |
| Кожа при слабом кровотоке | 0,314 |
| Кожа при сильном кровотоке | 1,456 |
| Снег свежевыпавший | 0,105 |
| уплотненный | 0,35 |
| тающий | 0,640 |
| Глицирин | 0,286 |
| Парафин | 0,127 |
| Спирт метиловый | 0,223 |
| этиловый | 0,189 |
| Бумага | 0,006 |
| Вата хлопковая | 0,003 |
| Лед (-5°С) | 0,22 |
В живом организме ткани имеют различную теплопроводность, и это различие весьма существенно для поддержания теплового режима организма. Значительная теплопроводность мышечной ткани, в которой находится много кровеносных сосудов, позволяет быстро переносить тепло от внутренних органов к внешним, предохраняя внутренние органы от перегрева. Напротив, при низких температурах внешней среды слой жировой ткани препятствует быстрой утечке тепла. Аналогичную роль играет волосяной покров и слой воздуха между волосами.
|
|
|
Теплообмен за счет конвекции
В тех случаях, когда в теплообмене участвуют жидкости или газы, обычно возникают явления конвекции: одновременно с потоком тепла возникают потоки вещества — более нагретые слои всплывают кверху, а менее нагретые опускаются. Такое перемешивание в громадной степени ускоряет процесс теплообмена. В случае, когда твердое тело находится в обтекающем его потоке жидкости или газа, теплообмен также носит конвекционный характер и происходит значительно быстрее, чем в покоящейся среде. Поэтому даже небольшой ветер (сквозняк) приводит к увеличению потерь тепла с поверхности тела.
Теплообмен посредством конвекции описывается законом Ньютона 
Здесь:
• Рс — тепловой поток от организма к среде, Вт;
• S — площадь поверхности тела, м2;
• Т n , Тв — соответственно температуры поверхности тела (внешней стороны одежды) и воздуха;
• αс — коэффициент теплопередачи конвекцией, 
Для открытых участков конвекционные процессы значительно интенсивнее теплопередачи путем теплопроводности и в воздухе играют основную роль. Напротив, для участков тела, укрытых одеждой, конвекционные процессы могут быть сведены к нулю. Например, температура поверхности зимней одежды обычно равна температуре окружающего воздуха: Т n = Тв и в соответствие с(12.13)Рс=0.
|
|
|
Тепловой удар. Теплопередача путем теплопроводности и конвекции происходит в направлении уменьшения температуры. Если температура окружающей среды выше температуры тела, то теплопроводность и конвекция создают тепловой поток, направленный внутрь тела, что при определенной длительности приводит к перегреву (тепловой удар). Живой организм не в состоянии функционировать без отдачи тепла наружу.
Теплообмен за счет испарения
Еще один механизм, посредством которого организм отдает теплоту в окружающую среду, связан с испарением жидкости. Количество теплоты, расходуемой на парообразование, определяется формулой:
где т — масса испарившейся жидкости, г — удельная теплота парообразования.
При комнатной температуре и нормальной влажности человек выводит из организма около 0,35 кг влаги в сутки вместе с выдыхаемым воздухом и примерно 0,5 кг влаги в виде пота. Удельная теплота парообразования воды равна 2,52·106Дж/кг. Поэтому тепловые потери организма на испарение могут достигать 0,85·2,52-106 
2·106 Дж в сутки, что составляет 25—30% всей теплопродукции организма.
|
|
|
Потоотделение зависит как от температуры внешней среды, так и от ее относительной влажности, так как она в значительной мере обусловливает скорость испарения влаги с поверхности организма. Нормальная относительная влажность среды составляет около 40—60%. При высокой влажности процесс испарения с поверхности тела замедляется, а при 100% прекращается полностью. При высокой температуре окружающей среды это ведет к перегреву организма. По этой причине человеку трудно выполнять физическую работу при повышенной влажности. Влажность менее 40% приводит к усилению потери влаги организмом, к его обезвоживанию. Это также затрудняет выполнение работы.
Для протекания некоторых процессов важна не относительная, а абсолютная влажность. Так, испарение воды с поверхности альвеол в легких зависит от абсолютной влажности воздуха, так как из легких выдыхается воздух почти полностью насыщенный паром при температуре примерно 30°С. Количество пара, которым воздух насыщается в легких, очевидно, зависит от абсолютной влажности вдыхаемого воздуха.
Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 366; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!