МБОУ СОШ с. Аянгаты.
Научно – практическая конференция
«Шаг в будущее»
Понятие температуры и ее измерение.
Выполнила Шожут Сайзана ученица 11класса МБОУ СОШ с. Аянгаты.
Руководитель: Шокар А. Б. – учитель физики МБОУ СОШ с. Аянгаты.
2011– 2012 уч. год.
1. Понятие температуры. Тепловое равновесие.
2. Термометры и температурные шкалы.
3. Температура и ее измерение.
4. Примеры тепловых явлений из повседневной жизни.
(Влияние температуры на живые организмы и растения).
Вокруг нас происходят постоянные температурные изменения; изменяется температура воздуха, отапливаем помещения, приготовим пищу и. т. д. Явления расширения тел при нагревании приходится учитывать в технике и быту. Например, если Вы предполагаете хранить керосин в теплом помещении, то Вам не нужно наполнять бидон до краев, т. к. при нагревании в теплом помещении керосин расширится, и часть его выльется. Или, для нормального развития растений необходима определенная температура. Температура почвы и воздуха не бывает постоянной, поэтому под влиянием температурных колебаний происходит изменение объема воздуха в промежутках между почвенными частицами. Агроному или садоводу важно знать температуры почвы, особенно в весенний период, когда начинаются посевные работы. Готова ли почва для посева, достаточно ли прогрета? Заморозки (понижение температуры воздуха) вызывают гибель растений или отмирание их частей. Повреждение растений от заморозков зависит от вида и температуры заморозка.
Или, другой пример: Как лучше отапливать дом? Чтобы дом был теплый, недостаточно сделать добротные стены, потолки и полы, хорошие окна и двери. Нужно подумать и о его отоплении. Выбор системы отопления определяется прежде всего наличием того или иного вида топлива, т. е. какое топливо дает больше тепла. Также большое влияние оказывает изменение температуры на живые организмы. Повышение или понижение температуры от нормальных норм – это признак заболевания.
Поэтому каждому необходимо внимательно следить за изменением тепловых явлений, связанных с температурой.
Понятие температуры. Тепловое равновесие.
Все мы хорошо знаем различие между холодными и горячими телами. На ощупь мы определяем, какое тело нагретое, какое тело нагрето сильнее, и говорим, что это тело имеет более высокую температуру. Таким образом температура характеризует степень нагретости тела (холодное, теплое, горячее). Для ее измерения был создан прибор, называемый
Термометрами пользуются все. А что они измеряют? Что означает слова: «Я измерил температуру тела». Что именно характеризует температура? Это не так просто, как может показаться на первый взгляд. Как измерить температуру?
Для измерения температуру тела человека нужно подержать медицинский термометр под мышкой 5 – 8 мин. За это время ртуть в термометре нагревается и уровень ее повышается. По длине столбика ртути можно определить температуру. Т. е в его устройстве использовано свойство тел изменять объем при нагревании или охлаждении. То же самое происходить при измерении температуры любого тела любым термометром. Термометр никогда не покажет температуру тела сразу же после того, как он соприкоснулся с ним. Необходимо некоторое время для того, чтобы температуры тела и термометра выровнялись и между телами установилась тепловое равновесие, при этом температура перестает изменяться. Тепловое равновесие с течением времени устанавливается между любыми телами, имеющими различную температуру. Из повседневной жизни, из простых наблюдений можно сделать вывод о существовании очень важного общего свойства тепловых явлений.
При неизменных внешних условиях самопроизвольно происходить тепловоеравновесие. (к внешним условиям может относится объем, давление, положения молекул, их скорости при столкновениях).
Температура характеризует состояние теплового равновесия тел: все тела находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.
латинского происхождения, означает А прибор для измерения степень нагретости тел называют – («термо» – тепло, «метрео-мерить»). Единица измерения – по выбранной шкале. (
Чаще всего на практике для измерения используют зависимость объема жидкости (ртути или спирта) от температуры.
Измерения температуры тел начали развиваться в 17 веке. Первый прообраз термометра демонстрировал итальянский ученый Галилео Галилей в 1592 г.
Термометр Галилея (термоскоп) состоял из трубки, частично заполненной водой, и стеклянного шарика. Конец трубки был опущен в открытый сосуд с водой. (см. рис.) При нагревании шарика давление воздуха в нем увеличивалось и уровень воды в трубке опускался. При охлаждении, наоборот, уровень воды поднимался вверх. Таким образом, о температуре можно судить по уровню воды в трубке. Первое применение такого термоскопа нашел в медицине. Термоскоп Галилея имел тот недостаток, что его показания зависели от атмосферного давления. Т. е. при повышении давления уровень жидкости в трубке будет повышаться без увеличения температуры.
Чтобы термометр показал более точные измерения, необходимо ввести температурную шкалу. Для этого надо прежде всего установить постоянные точки с фиксированной температурой. После Г. Галилея при градуировке термометра в качестве опорных точек использовались такие ненадежные и неопределенные точки.
Например: известный физик, основоположник механики И. Ньютон за начало отсчета температуры (0) принимал температуры здорового человека. (?)
Известный ученый г. Магдебурга Отто Герике (17 век) за начальную температуру принял температуру воздуха при первых заморозках.
Самой употребительной температурной шкалой в англоязычных странах до сих пор является . За 0 в этой шкале принято температура смеси снега и нашатыря, а за 100 – нормальная температура человеческого тела. В этой шкале температура замерзания воды соответствует 32F, а температура кипения 212
При градуировке термометра обычно за начало отсчета (0) принимают температуру тающего льда; второй постоянной точкой (100) считают температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении (101325 Па). Шкалу между точками 0 и 100 делят на 100 равных частей, называемых градусами (1С) (см. рис.). Перемещение столбика жидкости на одно деление соответствует изменению температуры на 1С и получается определенная температурная шкала – шкала по Цельсию. И она признана как Международная практическая шкала температур.
– очень «умный» прибор. Жидкости при нагревании незначительно увеличивают свой объем, и ее расширение было бы почти незаметным, если бы жидкость расширялась только по узкой трубке. Но различные жидкости расширяются при нагревании по -разному, то в данной шкале с различными жидкостями совпадения не будет. Поэтому на практике используют ртутные и спиртовые термометры, показания которых почти совпадают при 0
В конце 18 века французский физик Ж. Шарль установил, что одинаковое нагревание любого газа приводит к одинаковому повышению давления, если при этом объем остается постоянным. При измерении температуры по шкале Цельсия зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме выражается линейным законом т. е. температура прямо пропорциональна давлению. Поэтому давление газа можно принять в качестве меры температуры. Соединив закрытый сосуд, в котором находится газ с проградуированным манометром, получим В 1848 году английский физик Кельвин Уильям предложил абсолютную шкалу, исходя из законов термодинамики, которая в настоящее время называется шкала Кельвина (К
термометр устанавливается в специальной метеорологической будке, стенки которой двойные. Через такие стенки свободно проходят воздух, но не проходят солнечные лучи и дождь. Т. е. внутри будки свободно циркулирует воздух.
температуры воды водоемов, колодцев пользуются обыкновенными термометрами. Их резервуар и трубку обматывают на 4-5 см тонкими нитками. Для чего это делается? Нитки впитывают воду и через 4-5 мин. принимают температуры воды т.е. устанавливается тепловое равновесие. При извлечении термометра из воды нитки защищают его от действия наружной температуры, в течение 0,5-1 мин. они не дают ему остыть или нагреться За это время достаточно, для того чтобы отсчитать показания термометра. Если опустить в колодец незащищенный термометр, то его показания будет неверным т. к. пока термометр поднимают из колодца или водоема показания его могут измениться под действием температуры окружающего воздуха.
Агроному или полеводу важно знать температуры почвы, особенно в весенний период, когда начинаются посевные работы. В почве, имеющей низкую температуру, зерно не прорастет. Температуру почвы измеряют при помощи термометра Это обычный термометр с трубкой, изогнутой под углом 135для удобства установки в почве (см. рис.) Для установки термометра в почве лопатой делают разрез определенной глубины, осторожно опускают термометр и закапывают, почву осторожно уплотняют. Результаты измерений показывают, что днем на Солнце наиболее высокую температуру имеет поверхность почвы, не покрытая растительностью. Наиболее высокая температура наблюдается около полудня, а наиболее низкая – ночью, перед восходом Солнца. Глубокие слои почвы (10 – 50 см.) днем меньше нагреваются, а ночью меньше остывают; на глубине 70 – 100 см температура почвы в течение суток не меняется.
В сельскохозяйственных справочниках приводятся данные о температурах прорастания семян. Например: пшеница озимая от +4 до +32С и. т. д.
Температура и живой организм
Врачи еще в древности заметили, что здоровье человека связано с теплотой его тела. Знаменитый античный врач Гален (ок. 130 – ок. 200 до н. э) считал основным свойством лекарств их согревающее и охлаждающее действие. Согласно Галену все лекарства следует различать по «градусам» теплоты, холода, влажности и сухости.
Как у человека, так и у животных первым признаком нездоровья считается повышенная температура тела. Проверяя температуры животных можно судить об их здоровье. Независимо от климатических условий и места обитания температура тела здоровых животных и птиц должна быть следующей:
Здоровый человек +36,6С, лошади +38С; коровы +38,5 – 39,5С; осла +37,5С; теленка +39 – 40С; овцы +38 – 40С; свиньи +38,5 – 40С; кролика +38,5 – 39С; собаки +38 – 39С; курицы и индейки +41С; утки и гуся +41,5С; голубя +42
Повышение или понижение температуры против этих норм – признак заболевания.
С. +38,5 -39
С 38,5С – 39,5
Какова будет погода?
Определение предстоящей погоды имеет большое значение для повседневной жизни. Особенно для сельского хозяйства, где заморозки наносят огромный вред. Предсказать заморозок – значит предупредить растения от гибели, спасти урожай. Этим занимаются метеорологические станции.
Садоводу или агроному важно знать, какова будет погода, особенно в весенние и осенние периоды, когда начинают посевные работы или уборки урожая.
В настоящее время созданы автоматические и электронные сигнализаторы заморозков со счетно – решающими устройствами. Они измеряют температуры воздуха, производят сложные вычисления и выдают предстоящий прогноз погоды. И эти прогнозы погоды передаются по телевидению для целой области или региона. Садоводам, овощеводам важно знать состояние погоды на территории своего района. И они для определения возможности наступления заморозков пользуются простым способом – психрометром и таблицей. Простейший психрометр состоит из двух термометров. Шарик одного из них обернуто тканью или ватой и конец обмотки смочена водой. Сухой термометр измеряет температуру воздуха, а второй – температуру ткани с водой. С помощью специальной таблицы, называемой психрометрической, по разности показаний сухого и влажного термометров (психрометрической разности) определяют результат.
Таблица для определения возможности наступления заморозков
Заморозка не будет. Заморозок возможен заморозок будет.
Например: Смоченный термометр вечером показал +5С, а сухой +9С, точка пересечения указывает на черный квадрат, следовательно, заморозок будет.
Показания термометров сухого и смоченного зависят от влажности воздуха. Если водяной пар в воздухе меньше (ненасыщенный), то вследствие испарения воды смоченный термометр показывает меньшую температуру, чем сухой. Разница между показаниями термометров больше, чем меньше относительная влажность воздуха.
Термометрами измеряют температуру! Однако это еще не ответ. Что именно характеризует температура? Это не так просто. В теории тепловых явлений единственная основная величина, которую мы ввели, – это температура. В коже нашего тела, кроме чувствительных приемников, реагирующих на соприкосновение мы ощущаем тепла и холода. Руководствуясь этим, можно все тела расположить в ряд по их способности вызывать с различной степенью нагретости тел – температурой. В отличие от измерения других величин (длина, время, массы и. т. д.) прошло долгое время, прежде чем измерить температуру. Развитие методов измерения температуры стало возможным лишь тогда, когда была установлена зависимость от температуры таких величин, как объем, давление и. т. д., которые можно измерять непосредственно. Долгое время большой спор шел по установлению постоянных точек с фиксированной температурой. После многих попыток в качестве опорных точек были выбраны температура таяния льда и кипения воды. Впервые такое предложение сделал нидерландский ученый Христиан Гюйгенс (1629 -1695) в 1655 г. Еще в 18 веке М. В. Ломоносов высказал предположение о том, что изменение скорости хаотического движения молекул связано с изменением температуры. Понятие температуры тела представляет на первый взгляд простым и понятным. Из собственного повседневного опыта каждый знает, что бывают тела горячие и холодные. Еще с детства нам знакомы выражения «температура на улице» и «температура при заболевании» и т. п.
Температура – основная физическая величина, которая определяет возможность теплопередачи от одного тела к другому и направление теплопередачи (тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому).
1. Учебники физики под редакцией А. А. Пинского, просвещение 2002 г.
2. Краткий справочник садовода. Изд. Колос. М 1996 г.
3. М. Я. Куприн. Физика в сельском хозяйстве, Просвещение, 1995 г.
4. И. В. Ревут. Физика в земледелии, М. Физматгиз, 1986 г.
5. Учебники биологии (ботаника) 2002 -2009 гг.
КГКОУ «Вечерняя (сменная) общеобразовательная школа №1
пОДГОТОВИЛ УЧАЩИЙСЯ 9 «А» класса
Древние ученые о температуре тела судили по непосредственному ощущению. Мысль о возможности использование для измерения температуры явления теплового расширение тел возникла только в конце 17 в. Наиболее ранние попытки в этом направлении принадлежат Галилею (термоскоп Галилея).
Современники Галилея усовершенствовали термоскоп, снабдив его шкалой. Каждый конструктор создавал для своего прибора свою шкалу. Начальные или критические точки по ней выбирались произвольные, например Отто Герике (бургомистр города Магдебурга), за нуль выбрал температуру «осеннего дня 1660г., когда был первый заморозок в Магдебурге». Расстояния между делениями шкалы также выбирались произвольно, поэтому сравнить показания различных термометров было нельзя. Кроме того, термоскоп Галилея можно считать одновременно и бароскопом (от греческих слов «барос» – давление, «скопео» – наблюдать) т. к. на показание прибора влияло не только изменение температуры, но и атмосферное давление.
В 1641г. был изготовлен термометр для герцога Тосканы Фердинанда II в котором впервые было устранено влияние атмосферного давления на показатели прибора (прибор заполнили спиртом, а не водой, воздух из стеклянной трубочки, герметически закрытой сургучом, удалили).
Первые практически пригодны термометры, изготовил в 1714г. голландский стеклодув Д. Фаренгейт. Он сконструировал ртутный термометр, в котором принял температуру смеси льда, воды и соли за 0, а нормальную температуру человеческого тела за 100. Разделив этот температурный интервал на 100 равных частей, Фаренгейт получил значение 1 по своей шкале. Градус шкалы Фаренгейта обозначается
Примерно 1740г. французский физик Р. Реомюр предложил спиртовой термометр с постоянными точками таяние льда (0) и кипение воды (80). Разделив этот температурный интервал на 80 частей, Р. Реомюр получил значение 1 по своей шкале. Градус шкалы Р. Реомюра обозначается R. В нашем городе градусник со шкалой Р. Реомюра (18.в) можно наблюдать в доме – музее имени Столетова.
Приблизительно в то же время шведский физик А. Цельсий пользовался ртутным термометром, у которого промежуток между точками таяние льда (0 и кипение воды (100) был разделен не 100 частей. Градус шкалы А. Цельсия обозначается С. Именно таким термометром в быту мы сейчас пользуемся.
Интересно отметить, что термометр причисляли к метеорологическому прибору и лишь позднее его стали употреблять при измерении температуры воздуха, воды, в медицинских целях. Изучение этого вопроса долгое время занимался итальянский врач Санториго.
Итак, термометр – прибор для измерения температуры воздуха, почвы, воды и т. д. при тепловом контакте между объектом измерений и чувствительным элементом термометра. Термометры применяются в метеорологии, гидрологии и других науках и отраслях хозяйства.
На метеостанциях, где измерения температур проводятся в определенные сроки, для фиксации максимальных температур между сроками наблюдения служит максимальный термометр (ртутный); наименьшую температуру между сроками фиксирует минимальный термометр (спиртовой).
Как показали исследования, у большинства людей нормальная температура тела колеблется между 36.0-37.0 С. Под нормальной температурой специалисты подразумевают температуру “сердцевины” тела, измеряемую в подмышечной впадине, прямой кишке, полости рта или слуховом проходе. Температура же “оболочки” тела, кожных покровов, осуществляющих реакцию физической терморегуляции, не остается постоянной. Другими словами, если температура “ядра” (внутренних областей тела) поддерживается в относительно узких пределах колебаний, то температура “оболочки” (кожных покровов) достаточно непостоянна.
Термометрическими признаками могут быть изменения: объёма газа или жидкости, электрического сопротивления тел, разности электрического потенциала на границе раздела двух проводящих тел и т.д.
Другой метод измерения температуры реализован в пирометрах – приборах для измерения яркостной температуры тел по интенсивности их теплового излучения. При этом достигается равновесное состояние термодинамической системы, состоящей из самого пирометра и теплового излучения, принимаемого им (излучение абсолютно черного тела – модель процесса). Сейчас мы только отметим, что оптическая пирометрия (бесконтактные методы измерения температур) используется в металлургии для измерения температуры расплава и проката, в лабораторных и производственных процессах, где необходимо измерение температуры нагретых газов, а также при исследованиях плазмы.
Ядерный квадрупольный термометр
Время измерения: 7-10 минут.
Простота дезинфекции и приемлемая цена.
Требует к себе крайне бережного отношения: внутри термометра находится около 2 грамм очень токсичной и опасной для здоровья ртути.
Жидкостный термометр – это обычный стеклянный термометр, с которым Вы вероятно встречались. Термометр содержит жидкость, обычно ртуть.
Жидкостные термометры работают по простому принципу – объем жидкости изменяется при изменении ее температуры. Жидкость занимает меньший объем при низкой температуре и больший объем при высокой.
Вы сталкиваетесь с жидкостями каждый день, но можете не замечать, что жидкости, такие как вода, молоко и готовящееся масло, увеличиваются в объеме при увеличении температуры. Это связано с тем, что изменение в объеме, в таких случаях, довольно маленькое. Все жидкостные термометры используют большой сосуд и узкую трубку, для того, чтобы лучше было видно изменение объема жидкости. Мы можете увидеть это собственными глазами, сделав собственный жидкостный термометр.
Техника хранения и безопасности:
1) термометр хранится в футляре;
2) оберегайте прибор, особенно его резервуар со спиртом или ртутью, от ударов;
помните: пары ртути ядовиты!
Правила обращения при измерениях:
1) следите за тем, чтобы не нарушался контакт термометра со средой, температуру которой измеряют, не касайтесь прибором стенок и дна сосуда;
2) погрузив термометр в среду, выждите некоторое время, пока уровень спирта или ртути не перестанет перемещаться; только после этого проводите отсчет;
3) снимая показания, расположите глаз на линии, перпендикулярной шкале прибора и проведенной через точку отсчета (см. Рис. 1.)
– термометр, в котором в качестве термометрического тела используется газ. При этом используется наличие прямо пропорциональной зависимость между давлением (идеального) газа и его абсолютной температурой при постоянном объеме.
Это прибор для измерения температура , действие которого основано на зависимости давления идеального газа от температуры: – газовая постоянная, – масса газа, – молярная масса). На измерении температуры газовыми термометрами построены современные температурные шкалы. Обычно применяются газовые термометры , в которых изменение температуры газа пропорционально изменению давления. Процесс измерения заключается в приведении баллона с газом в состояние теплового равновесия с теплом, температуру которого измеряют, и в восстановлении первоначального объема газа. Затем по формулам рассчитывается температура тела.
Газовым термометром измеряют температуры от 2 до 1300К с предельно достижимой точностью 2*10К в зависимости от зависимости от измеряемой температуры. Газовый термометр такой точности – сложное устройство. Необходимо учитывать не идеальность газа, тепловое расширение баллона и соединительной трубки, изменение состава газа внутри баллона (сорбцию и диффузию газов), изменение температуры вдоль соединительной трубки.
идкокристаллические термометры создали в новосибирском Академгородке.
НОВОСИБИРСК, 30 апреля 1993года. Их не нужно ставить подмышку. Они представляют собой тонкую пленку толщиной всего в 20 микрон, изготовленную из особых материалов на основе жидких кристаллов. Чтобы измерить температуру, достаточно приклеить эту пленку на тело – жидкие кристаллы изменяют свой цвет от красного до синего и воспроизводят изображение температурного поля в виде яркой цветной картинки. Такая наглядная картина очень удобна при проведении диагностики внутренних воспалительных очагов, особенно у тяжелобольных, а также у животных. Создали такие термометры ученые Института теоретической и прикладной механики СО РАН. Термоиндикаторы обладают достаточно высокой чувствительностью, могут быть использованы многократно (пленка абсолютно безопасна и нетоксична) и позволяют продемонстрировать температурную картину не только в определенной точке, а по всей поверхности. Кроме медицины и ветеринарии жидкокристаллические термометры можно использовать для измерения температуры на поверхности изделий различной формы, для определения зон перегрева в радио- и электрооборудовании, при исследовании аэродинамического нагрева в самолетостроении, а также для визуализации невидимых инфракрасных и СВЧ-излучений. Об этом сообщает Новосибирский биографический центр.
Металлический термометр основан на разности расширения металлов при повышении температуры. Существуют термометры на биметаллических пластинках (из-за разного коэффициента расширения при изменении температуры пластинка изгибается). Очень неточны, но удобны в системах автоматики для тепловых реле.
– термометр, принцип действия которого основан на использовании зависимости между температурой и разностью коэффициентов расширения двух разнородных материалов, образующих биметалл. Различные металлы при нагревании расширяются по-разному. Спаяв два различных металла вместе, Вы можете сделать простой электрический контроллер, который может использоваться при довольно высоких температурах. Этот контроллер можно найти в духовках. Примерная схема устройства Рис. 4.
Два металла составляют биметаллическую пластину (отсюда и название). На этом рисунке пластина с черным металлом подобрана так, чтобы расширялась сильнее, чем пластина с синим металлом, такое устройство используется в духовке. В холодильнике используется другое устройство, такое, чтобы при повышении температуры синий металл расширился быстрее, чем черный. Это расширение заставляет пластину сгибаться вверх, соприкасаться с контактом, для того, чтобы потек ток по пластине. Регулируя размер промежутка между пластиной и контактом, можно управлять температурой, при которой пойдет ток по пластинам.
Часто можно увидеть длинные биметаллические пластины, намотанные в спирали. Это типичное устройство сигнализирующего термометра. С помощью наматывания очень длинной пластины термометр можно сделать гораздо более чувствительным к маленьким изменениям температуры. В термостате печи, используется та же технология, там переключатель подключен к термометру. Переключатель включает и отключает печь.
– термометр, принцип действия которого основан на использовании теплового расширения твердых тел.
Устройство дилатометрического термометра: все его детали выполнены из графита, причем чувствительный элемент из анизотропного пиролитического графита. Благодаря разности расширений термометр запоминает максимальную температуру. Установка нескольких малогабаритных термометров в рабочей зоне позволяет судить об однородности температуры в объеме печи.
Сегодня можно измерять температуру с помощью электроники. В качестве датчика используется терморезистор (или термистор).
В этом устройстве изменяется сопротивление терморезистора при изменении температуры. Компьютер или другой прибор измеряет сопротивление и преобразовывает в показания температуры, для отображения информации на дисплее или для принятия решения о включении или отключении какого-либо устройства (в зависимости от сферы применения).
Время измерения: 1-3 минуты.
По массе и габаритам схожи с ртутными.
Показания термодатчика передаются на ЖК-дисплей с точностью до десятой доли градуса.
Автоматическое отключение питания.
Срок службы обычной батарейки два-три года.
Пластиковый корпус устойчив к ударам и даже к водным процедурам.
Способы измерения:- стандартный аксиллярный (в подмышечной впадине);- оральный (в ротовой полости);- ректальный (в анальном отверстии).
Подходит и для детей любого возраста, и для взрослых – идеальный вариант для всей семьи.
– термометр, принцип действия которого основан на использовании зависимости между температурой какой-либо среды и скоростью распространения в ней звука.
– термометр, принцип действия которого основан на зависимости объемной магнитной восприимчивости вещества от температуры.
– термометр, принцип действия которого основан на использовании зависимости между температурой и давлением термометрического вещества в замкнутом объеме.
– термометр, принцип действия которого основан на использовании зависимости уровня тепловых шумов резистора от температуры.
Ядерный квадрупольный термометр – термометр, принцип действия которого основан на использовании зависимости частоты ядерного квадрупольного резонанса термометрического вещества от температуры.
Температура. Способы измерения температур. Значение теплоизоляции в жизни человека и животного
Научный проект по физике
На тему: «Температура. Способы измерения температур. Значение теплоизоляции в жизни человека и животного»
1. История изобретения термометра
2. Современные термометры
3. Теплоизоляции в жизни человека и животного
История изобретения термометра
История термодинамики началась, когда в 1592 году Галилео Галилей создал первый прибор для наблюдений за изменениями температуры, назвав его термоскопом. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной стеклянной трубкой. Шарик нагревали, а конец трубки опускали в воду. Когда шарик охлаждался, давление в нем уменьшалось, и вода в трубке под действием атмосферного давления поднималась на определенную высоту вверх. При потеплении уровень воды в трубки опускался вниз. Недостатком прибора было то, что по нему можно было судить только об относительной степени нагрева или охлаждения тела, так как шкалы у него еще не было.
Позднее флорентийские ученые усовершенствовали термоскоп Галилея, добавив к нему шкалу из бусин и откачав из шарика воздух.
В 17 веке воздушный термоскоп был преобразован в спиртовой флорентийским ученым Торричелли. Прибор был перевернут шариком вниз, сосуд с водой удалили, а в трубку налили спирт. Действие прибора основывалось на расширении спирта при нагревании, — теперь показания не зависели от атмосферного давления. Это был один из первых жидкостных термометров.
На тот момент показания приборов еще не согласовывались друг с другом, поскольку никакой конкретной системы при градуировке шкал не учитывалось. В 1694 году Карло Ренальдини предложил принять в качестве двух крайних точек температуру таяния льда и температуру кипения воды.
В 1714 году Д.Г. Фаренгейт изготовил ртутный термометр. На шкале он обозначил три фиксированные точки: нижняя, 32 °F — температура замерзания солевого раствора, 96 ° — температура тела человека, верхняя 212 ° F — температура кипения воды. Термометром Фаренгейта пользовались в англоязычных странах вплоть до 70-х годов 20 века, а в США пользуются и до сих пор.
Еще одна шкала была предложена французским ученым Реомюром в 1730 году. Он делал опыты со спиртовым термометром и пришел к выводу, что шкала может быть построена в соответствии с тепловым расширением спирта. Установив, что применяемый им спирт, смешанный с водой в пропорции 5: 1, расширяется в отношении 1000: 1080 при изменении температуры от точки замерзания до точки кипения воды, ученый предложил использовать шкалу от 0 до 80 градусов. Приняв за 0 ° температуру таяния льда, а за 80 ° температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении.
В 1742 году шведский ученый Андрес Цельсий предложил шкалу для ртутного термометра, в которой промежуток между крайними точками был разделен на 100 градусов. При этом сначала температура кипения воды была обозначена как 0 °, а температура таяния льда как 100 °. Однако в таком виде шкала оказалась не очень удобной, и позднее астрономом М. Штремером и ботаником К. Линнеем было принято решение поменять крайние точки местами.
М.В. Ломоносовым был предложен жидкостный термометр, имеющий шкалу со 150 делениями от точки плавления льда до точки кипения воды. И.Г. Ламберту принадлежит создание воздушного термометра со шкалой 375 °, где за один градус принималась одна тысячная часть расширения объема воздуха. Были также попытки создать термометр на основе расширения твердых тел. Так в 1747 голландец П. Мушенбруг использовал расширение железного бруска для измерения температуры плавления ряда металлов.
К концу 18 века количество различных температурных шкал значительно увеличилось. По данным «Пилометрии» Ламберта на тот момент их насчитывалось 19.
Температурные шкалы, о которых шла речь выше, отличает то, что точка отсчета для них была выбрана произвольно. В начале 19 века английским ученым лордом Кельвином была предложена абсолютная термодинамическая шкала. Одновременно Кельвин обосновал понятие абсолютного нуля, обозначив им температуру, при которой прекращается тепловое движение молекул. По Цельсию это — 273,15 °С.
Современные термометры
На сегодняшний день существует много видов термометров: цифровые, электронные, инфракрасные, биметаллические, дистанционные, термометры сопротивления, электроконтактные, жидкостные, термоэлектрические, газовые, пирометры и т.д. Из всего этого многообразия наиболее популярными являются ртутные и спиртовые.
Исходя из потребностей, на сегодняшний день можно купить любой необходимый бытовой термометр. На товарном рынке представлено большое разнообразие термометров различного назначения: медицинские, уличные, оконные для любого вида окон (пластиковых или деревянных), комнатные термометры для офиса и дома, для саун и бань, для чая и воды, для аквариумов, для почвы, для автомобилей и т.д. И даже термометры для инкубаторов, морозильных камер, винных погребов. Термометры на любой вкус! Цена во многом зависит от вида термометра. Наибольшей популярностью пользуются самые простые измерительные приборы, поскольку их стоимость отличается особенной демократичностью.
Теплоизоляция в жизни человека и животного
а) Увеличение и уменьшение потерь тепла у человека.
Температура оказывает существенное влияние на протекание жизненных процессов в организме и на его физиологическую активность. Физико-химической основой этого влияния является изменение скорости протекания химических реакций, благодаря которым происходит энтропическое превращение всех видов энергии в тепловую.
Зависимость скорости химических реакций количественно выражается законом Вант-Гоффа — Аррениуса, согласно которому при изменении температуры окружающей среды на 10°с происходит, соответственно, повышение или понижение скорости химических процессов в 2-3 раза. Разница в 10°с стала стандартным диапазоном, по которому определяют температурную чувствительность биологических систем.
В соответствии с одним из следствий второго закона термодинамики, теплота как конечное превращение энергии способна переходить только из области более высокой температуры в область более низкой. Поэтому поток тепловой энергии от живого организма в окружающую среду не прекращается до тех пор, пока температура тела особи выше, чем температура среды. Температура тела определяется соотношением скорости метаболической теплопродукции клеточных структур и скорости рассеивания образующейся тепловой энергии в окружающую среду. Следовательно, теплообмен между организмом и средой является неотъемлемым условием существования теплокровных организмов. Нарушение соотношения этих процессов приводит к изменению температуры тела.
Человек издревле обитает в различных условиях нашей планеты, температурные различия между которыми превышают 100°с. Ежегодные и ежесуточные колебания могут быть очень велики. Следовательно, проблема защиты от внешних температурных воздействий и физиологической адаптации к ним всегда стояла перед человеком, а при выполнении мышечной работы в некоторых условиях внешней среды терморегуляция является одним из важных лимитирующих факторов.
При анализе температурного режима человеческого организма на протяжении долгого времени понятие о температуре тела как одной из важнейших физиологических констант при нормальном состоянии организма распространялось не только на состояние покоя, но и на активную мышечную деятельность. С этой позиции различная степень гипертермии при мышечной работе не могла расцениваться иначе, как показатель срыва или функциональной недостаточности терморегуляционной системы, в частности, аппарата физической терморегуляции.
Современный взгляд на терморегуляцию человека в процессе работы существенно изменился. Допускается и доказана прямая, хотя и не линейная зависимость, взаимосвязь между температурой ядра и уровнем метаболизма. Важно подчеркнуть, что степень повышения температуры ядра при работе в большей степени коррелирует с общим уровнем энергозатрат, чем с величиной теплопродукции. Поэтому знание физиологических основ терморегуляции человека в различных условиях деятельности, особенно при физических нагрузках, является необходимым.
Температура тела человека. Тепловой баланс.
Возможность процессов жизнедеятельности ограничена узким диапазоном температуры внутренней среды, в котором могут происходить основные ферментативные реакции. Для человека снижение температуры тела ниже 25°с и её увеличение выше 43°с, как правило, смертельно. Особенно чувствительны к изменениям температуры нервные клетки. С точки зрения терморегуляции, тело человека можно представить состоящим из двух компонентов: внешнего, оболочки, и внутреннего, ядра. Ядро — это часть тела, которая имеет постоянную температуру, а оболочка — часть тела, в которой имеется температурный градиент. Через оболочку идёт теплообмен между ядром и окружающей средой. Температура разных участков 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 колеблется от 24.4 до 34.4°с. Самая низкая температура наблюдается на пальцах ног, самая низкая — в подмышечной впадине. Именно на основании измерения температуры в подмышечной впадине обычно судят о температуре тела в данный момент времени. По усреднённым данным, средняя температура кожи обнажённого человека в условиях комфортной температуры воздуха составляет 33-34°с.
Существуют циркадные — околосуточные — колебания температуры тела. Амплитуда колебаний может достигать 1°. Температура тела минимальна в предутренние часы (3-4 часа) и максимальна в дневное время (16-18 часов). Эти сдвиги вызваны колебаниями уровня регулирования, т.е. связаны с изменениями в деятельности ЦНС. В условиях перемещения, связанного с пересечением часовых меридианов, требуется 1-2 недели для того, чтобы температурный ритм пришёл в соответствие с новым местным временем. На суточный ритм могут накладываться ритмы с более длительными периодами. Наиболее отчётливо проявляется температурный ритм, синхронизированный с менструальным циклом.
Известно также явление асимметрии аксилярной температуры. Она наблюдается примерно в 54% случаев, причем температура в левой подмышечной впадине несколько выше, чем в правой. Возможна асимметрия и на других участках кожи, а выраженность асимметрии более чем в 0,5° свидетельствует о патологии. Постоянство температуры тела у человека может сохраняться лишь при равенстве процессов 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 уровень теплового баланса, обеспечивающий изотермию в новых условиях среды. Оптимальное соотношение теплопродукции и теплоотдачи обеспечивается совокупностью физиологических 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 затвердевать так, что их внутренние органы пронизываются кристаллами льда. Это необычно, потому что образующийся в кровеносных сосудах животного лед должен либо их разрывать, либо безнадежно растягивать. И главное — замерзшая вода становится недоступной для клеток, и они могут погибнуть от обезвоживания. Но вот, 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 бодро 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. И никаких кристаллов. Но как это у него получается — пока неизвестно. 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. Как часто просыпается грызун перогнат, зимующий вместе с запасом пищи? Американский исследователь оставлял перогнату 800 граммов семян, и он просыпался каждый день. Когда же семян давали всего 100 граммов — тот дремал по пять дней. 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.
