Теплопроводность. Теплопроводность биологических тканей. Атмосферное электричество и здоровье человека

Теплопроводность характеризуется уравнением

Это уравнение легко понять, если представить себе причины, от которых зависит количество теплоты, передаваемое из комнаты на улицу через стенку дома в зимнее время. Здесь Q—количество теплоты, переданной телом (стенкой). Оно, естественно, зависит от теплопроводных свойств материала, из которого изготовлена стенка, — кирпич, бетон, дерево и т. п. В формуле это отражено коэффициентом теплопроводности k.

Количество переданной теплоты также будет зависеть от разности температур t₂—t₁, где t₂ — температура в комнате, t₁ — на улице. Естественно, что чем больше t₂—t₁, тем больше будет передаваться теплоты; если же окажется, что t₂=t₁, т. е. t₂—t₁ = 0, то Q = 0.

Чем толще стенка, тем меньше передается теплоты, поэтому / — толщина стены — стоит в знаменателе. Однако чем больше площадь стены S и время т, в течение которого происходит теплопередача, тем больше тепла передает стенка из комнаты на улицу.

Мы рассмотрели пример со стенкой комнаты. Эти рассуждения остаются справедливыми для любого тела, передающего тепло. Величина t₂-t₁/L называется температурным градиентом, обозначается grad t и показывает перепад температуры, приходящийся на единицу толщины теплопроводящего тела. Коэффициент теплопроводности

численно равен количеству теплоты, которое проходит за единицу времени через площадку тела, равную единице, при температурном градиенте, равном единице. Размерность k в системе СИ:

Очень часто пользуются относительным коэффициентом теплопроводности: он равен отношению коэффициента теплопроводности данного вещества к коэффициенту теплопроводности воздуха. Относительный коэффициент теплопроводности k вещества/к воздуха, показывает, во сколько раз теплопроводность данного вещества больше теплопроводности воздуха. В приведенной ниже таблице указаны относительные коэффициенты теплопроводности биологических тканей.

Теплопроводность играет существенную роль в жизнедеятельности организма, в частности способствует выравниванию температур в различных его частях, оставляя небольшой градиент между поверхностью кожи и внутренними органами и тканями. Как видно из таблицы, жировая клетчатка обладает малой теплопроводностью, что ограничивает потерю тепла организмом в окружающую среду. Здесь большое значение имеет уменьшение обмена в поверхностном слое, что достигается у животных с помощью волосяного покрова, у человека — применением одежды. Такие покрытия образуют воздушную прослойку, обладающую низким коэффициентом теплопроводности.

Из сказанного ясно, что тепловой баланс организма поддерживается с высокой точностью и в полном соответствии с законом сохранения энергии (первым началом термодинамики). Разумеется, при этом следует учитывать, что, во-первых, часть производимой организмом тепловой энергии может превращаться в другие виды энергии (например, в механическую) и, во-вторых, поскольку организм принимает пищу с известной периодичностью, энергетический баланс может испытывать некоторые отклонения от среднего значения. Колебания такого рода незначительны, и в целом организм не переохлаждается и не накапливает теплоту.

Биопотенциалы. Электрические потенциалы, которые возникают в клетках, тканях и органах живого организма, называются биопотенциалами. Они образуются вследствие различной концентрации положительных и отрицательных ионов внутри и снаружи клетки. При возбуждении клетки или ткани изменяется величина и знак биопотенциалов (рис. 44).

Рис. 44. Биопотенциалы нервного волокна в покое (1) и при возбуждении (2)

Эти изменения называются потенциалами действия. Они представляют собой импульс постоянного или переменного знака. На рис. 45 в условных единицах показаны относительные потенциалы различных участков тела человека. Часть тела, расположенная влево от оси ОО, имеет отрицательные потенциалы, а вправо от нее — положительные. Как и поле, созданное неподвижным электрическим зарядом, электрическое поле человеческого организма можно характеризовать эквипотенциальными поверхностями (рис. 45).

Рис. 45. Эквипотенциальные поверхности электрического поля, образующегося при работе сердца

Всем известно, какие неприятные ощущения вызывает зубная боль. Исследования показали, что боль связана с понижением потенциала болезненной области. Боль всегда «отрицательна»! Отсюда и метод борьбы с ней: если фрезу бормашины соединить с положительным полюсом источника тока и прикоснуться ею к больному зубу, потенциалы уравняются и боль уменьшится.

Атмосферное электричество и здоровье человека. В атмосфере действуют довольно сильные электрические поля. В нормальных условиях поверхность Земли имеет более высокий потенциал, чем облака. Поэтому электрическое поле Земли ориентировано снизу вверх (рис. 46).

Рис. 46. Ориентация электрического поля Земли

Как известно, основной силовой характеристикой электрического поля является напряженность Е, энергетической — потенциал ϕ или разность потенциалов Δϕ. Они связаны между собой следующим соотношением:

т. е. напряженность характеризует изменение разности потенциалов с расстоянием. Изменение какой-либо физической величины с расстоянием, как уже говорилось, называется градиентом (grad):

В среднем градиент потенциала для электрического поля Земли составляет 100 в/м. При грозах, метелях, бурях grad ϕ может достигать 1000 в/м.

Влияет ли это на самочувствие и здоровье людей? Не счесть предгрозовых симптомов, известных врачам испокон веков. В 1960 году врач Ж. К. Жардель опубликовал интересные сведения о влиянии изменений электрического потенциала на больных. Он установил на основании двухлетних наблюдений за больными связь между ухудшением самочувствия их и резкими, продолжительными колебаниями земного электрического потенциала.

Замечалось учащение приступов бессонницы, усиление болей, приступов астмы, мигрени и т. п. Что же при этом происходит человеческом организме? Биологи полагают, что при вторжении большего, чем обычно, количества электрических частиц в организме нарушается процесс обмена, причем положительные и отрицательные электрические заряды оказывают различное действие.