Посудин укр.
.pdf
Рис. 9.5. Роль підшкіряного кровотоку в регуляції теплопровід-
ності тканин організму
Теплокровні тварини здатні адаптуватися до зміни температури навколишнього середовища шляхом зміни розмірів та форми тіла або окремих частин тіла. Так, африканський слон (Loxodonta africana) має зовніші вуха, площа поверхні яких досягає 20 % загальної площі тіла тварини. Нагадаємо, що для слона масою 4000 кг теплові витрати досягають 4650 Вт. Рух зовнішніх вух дає можливість слону реалізувати ефективну терморегуляцію тіла. Розподіл температури вух слона залежно від температури довкілля наведено на рис. 9.6.
Видно, що з підвищенням зовнішньої температури від 18 0С до 32,1 0С посилюється потік крові в кровоносних судинах.
а |
б |
Рис. 9.6. Перенесення теплоти з поверхні зовнішніх вух слона: а –
зовнішній вигляд африканського слона (Loxodonta africana); б – розподіл
107
температури вухa слона залежно від температури довкілля
Шерсть позбавлена кровопостачання, тому її теплоізоляційні властивості змінюються при зміні кута нахилу волосся і товщини волосяного покриву тварини (рис. 9.6).
Рис. 9.7. Градієнт температури, що встановлюється на волосяному
та шкіряному покривах тварини
Якщо температура зовнішнього середовища менша нижньої границі термонейтральної зони, в процес залучається термогенез. Розрізняють два типи термогенезу – за рахунок активації по всьому організму ферментативних систем обміну жирів і через появу тремтіння.
Перший спосіб грунтується на тому, що під час розщеплення або окислення жирів виділяється тепло. У деяких тварин, які реалізують цей спосіб теплопродукції, є спеціалізована бура жирова тканина, що знаходиться в області шиї та проміж лопатками. В цій тканині, яка насичена кровоносними судинами і містить багато мітохондрій, відбувається процес окислення жирів, що супроводжується виділенням тепла.
Другий спосіб передбачає можливість нагрівання організму за рахунок м’язових скорочень. Нервова система активізує різні групи скелетних м’язів, внаслідок чого виникають дрібні результуючі рухи – тремтіння. Хімічна енергія, що утворюється через гідроліз АТФ, звільняється у вигляді тепла. Втрати тепла у таких тварин зменшуються також за рахунок невеликого значення відношення “поверхня/об’єм”.
108
Пінгвіни, які мешкають в екстремальних кліматичних умовах (температура повітря мінус 50 0С, швидкість руху повітря 160 км/г) рятуються від холоду, утворюючи великі скупчення (кількістю до 6000 особин біомасою до 100 т). Така агрегація птахів дає можливість зекономити 80 % тепла порівняно із звичайними птахами.
Вівцебики також утворюють взимку угруповання кількістю до 100, а тюлені – до 1000–1500 голів. Процеси агрегації також притаманні дрібним птахам, рептиліям та комахам під час холодної погоди.
Багато тварин, амфібій, рептилій, риб, безхребетних, комах використовують як прості підземні нори довжиною від кількох сантиметрів, так й розвинені підземні мережі тунелів та камер довжиною до кількох сот метрів. Так, американський байбак викопує близько 1 м3 грунту, переміщуючи 320 кг грунту.
Використання нір дає можливість арктичним птахам мешкати при температурі 10–20 0С під сніговим покривом, тоді як зовнішня температура становить –10 0С.
Ще один спосіб адаптуватися до зовнішньої температури є використання тваринами певного забарвлення. Відомо, що біле та світле забарвлення характеризується більшим відбиванням сонячного випромінювання, тоді як чорне або темне призводить до його поглинання. Здатність змінювати забарвлення шкіри залежно від температури повітря демонструють хамелеони, ропухи, ящірки. Лабораторні експерименти з південноамериканською ропухою Bokermannohyla alvarengai довели, що під час утримання тваринки у темряві або при низькій (20 0С) температурі шкіра її становиться темною, тоді як умови освітлення або більш висока температура (30 0С) викликають посвітління шкіри.
Чорний колір спіни пінгвінів дає можливість накопичити тепло завдяки сонячному випромінюванню в умовах суворого клімату Антарктиди.
Ектотермні організми отримують теплоту з навколишнього середовища за рахунок сонячного (прямого, розсіяного і відбитого) випромінювання, атмосферного випромінювання; теплообмін здійснюється шляхом теплопровідності, конвекції, випаровування і випромінювання.
У ектотермних організмів теплопровідність тіла висока, оскільки вони погано ізольовані. Внаслідок цього тепло, яке виділяється через обмінні процеси, швидко переходить у навколишнє середовище. З іншого боку, висока теплопровідність дозволяє легко поглинати тепло з довкілля.
109
В ектотермів протягом еволюційного розвитку розвинулася певна стратегія виживання в стресових температурних умовах. Деякі ектотермні організми спроможні змінювати частоту серцевих скорочень або кровотоку в поверхневих тканинах, завдяки чому нагрівання тіла проходить значно швидше, ніж охолодження. Ектотерми, що мешкають в умовах холодного клімату, мають у клітинах речовиниантифрізи, що дозволяє витримувати температури нижче нуля; інші використовують тремтіння або скорочення м’язів, або регулюють кровоток крізь шкіру. Існують ектортерми, в тканинах яких не утворюються кристалики льоду. Можлива поведінкова терморегуляція за рахунок вибору місця або орієнтації тіла.
9.6. Вимірювання температури
Рідинний термометр 
прилад для вимірювання температури, оснований на тепловому розширенні рідини. Явище теплового розширення рідини описується рівнянням:
|
V = |
V T, |
( 9.8 ) |
де |
коефіцієнт об’ємного розширення рідини; V |
зміна об’єму; |
|
T |
зміна температури. |
|
|
|
Рідина в термометрі підіймається завдяки тому, що коефіцієнти |
||
об’ємного розширення |
рідини та скла значно |
відрізняються: |
|
1,81 10-4 ( 0С )-1 у ртуті; 10,6 10-4 ( 0С )-1 у спирта; 9,16 10-4 ( 0С )-1 у толуена; 0,25 10-4 ( 0С )-1 у скла.
Рідинний термометр складається з тонкостінного скляного резервуара, з’єднаного зі скляним капіляром; для вимірювання температури термометр обладнаний шкалою (рис. 9.8).
Рис. 9.8. Рідинний термометр
Як робочу рідину термометра вибирають такі речовини.
Ртуть діапазон температур, у межах яких ртуть ще рідка: від температури замерзання 38,83 0С до +356,7 0С. Саме через це ртутні
110
термометри використовують для вимірювання високих температур. Ртуть використовують найчастіше через те, що вона існує у чистій формі, не погіршується з часом і не взаємодіє зі склом. Ртуть, на відміну від води, не розширюється під час затвердіння та не псує скляний капіляр; дуже важко помітити, коли вона замерзає. Саме через це ртутні термометри використовують для вимірювання високих температур.
Ртуть + талій цей сплав дозволяє збільшити нижню границю вимірювання температури до 61,1 0С.
Спирт етиловий має температуру замерзання 117,3 0С, а метиловий 138,5 0С; отже термометри зі спиртом доцільно застосовувати для вимірювання низьких температур.
Галій, який має температуру плавлення 30 0С, а температуру кипіння +2204 0С, може бути використаний у термометрах, призначених для вимірювання високих температур. Сплав галію, індію та олова (галістан) має температуру замерзання 20 0С; цей сплав використовують при виготовленні побутових градусників.
Толуен має температуру плавлення –95,1 0С, а температуру кипіння 110,5 0С.
Але останні дві речовини не такі стійкі як ртуть і можуть повільно розкладатися на сонці.
Термометри опору прилади, принцип яких оснований на властивості матеріалів змінювати електричний опір під впливом температури. Провідники в таких вимірюваннях називаються терморезисто-
рами, а напівпровідники – термісторами.
|
Для провідників залежність опору від температури має вигляд: |
|
|
R = R0 ( 1 + T ), |
( 9.9) |
де R |
опір провідника при температурі Т; R0 |
опір при температурі |
Т0; |
температурний коефіцієнт опору провідника; T = Т Т0 ( де |
|
Т0 = 273,16 К = 0 0С ). |
|
|
Для терморезисторів використовують такі метали як платина, нікель, мідь. Платина характеризується стабільністю параметрів в умовах корозії, дії хімічних сполук. Платина не окислюється, піддається механічній обробці, має високу температуру плавлення і відзначається високим рівнем чистоти. Всі ці фактори впливають на стабільність залежності опору платинового провідника від температури. Платинові терморезистори характеризуються малими габаритами та компактністю (рис. 9.9).
111
Рис. 9.9. Платиновий терморезистор
Перевагою мідних терморезисторів є широкі зміни опору при зміні температури та практично лінійний відгук на температуру. Нікель має нелінійний характер залежності опору від температури. Нікель і мідь характеризуються меншою вартістю порівняно з платиною.
Для напівпровідників опір зменшується з підвищенням температури за формулою:
R = aeb/T, |
( 9.10) |
де a і b – сталі, що залежать від напівпровідника; Т |
температура. |
Типовими напівпровідниками, які використовуються як термістори, є кремній та германій. Розміри термісторів можуть досягати 0,2 мм. Термістори є більш чутливими до зміни температури порівняно з терморезисторами: вони можуть реагувати на зміни температури близько 10-3 0С. Інтервал температур, які вимірюють термістори, становить від –50 0С до +100 0С.
Термоелектричні термометри використовують термоелектричні явища, які проявляються у взаємозв’язку теплових та електричних процесів у твердих тілах. Одним із таких термоелектричних явищ є ефект Зеєбека – виникнення електрорушійної сили (е.р.с.) в електричному ланцюзі, що складається з послідовно з’єднаних різнорідних провідників, контакти яких мають різну температуру (рис. 9.10).
Типові термопари складаються з металів або сплавів, таких як мідьконстантан, залізо-константан, плати- на-платина/родій. Температурні інтервали таких термоелектричних термометрів визначаються вибором певної термопари: хромель-алюмель – від – 200 0C до +1200 0C; залізо-мідь – від – 40 0C до +750 0C; мідь-константан – від –200 0C до +350 0C.
Рис. 9.10. Термоелектрон-
ний термометр
112
Недоліком таких термометрів є невисока точність (яка перевищує 1 0С), а також невеликі значення електрорушійної сили, що виникає в електричному ланцюзі.
Подолати цей недолік можна за рахунок послідовного з’єднання декількох термопар, які утворюють у цьому разі термобатарею.
Біметалевий термометр оснований на тепловому розширенні твердих тіл, зокрема на деформації біметалевої пластини (наприклад, інвар і сталь) під впливом температури (рис. 9.11).
|
|
|
|
|
а) |
|
|
б) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 9.10. Біметалевий термометр:
а – зовнішній вигляд; б – біметалева пластина
Оскільки метали мають різні значення коефіцієнтів об’ємного розширення, пластина при зміні температури буде деформуватися. Залежність переміщення кінця біметалевої пластини від температури лінійна, а шкала приладу – рівномірна.
Оптична пірометрія базується на використанні залежності випромінювальної здатності розжареного тіла від температури. Отже, визначити температуру будь-якого тіла можна шляхом порівняння інтенсивності його випромінювання на певній довжині хвилі з інтенсивністю стандартного випромінювання.
Оптичний пірометр складається з джерела випромінювання та оптичної системи, до якої входить мікроскоп, калібрована лампа та фільтр з вузькою смугою пропускання (рис. 9.12,а).
Процедура вимірювання температури передбачає порівняння яскравості тіла, що досліджується, та каліброваної лампи. Вимірювання проводять на довжині хвилі 655 нм. Шляхом регулювання струму, що проходить через нитку розжарювання лампи, зрівноважують яскравості тіла і лампи. Внаслідок цього зображення нитки зникає на фоні яскравості тіла (рис. 9.12,б). Ручка потенціометра, що регулює величину струму, прокалібрована в одиницях температури.
113
Рис. 9.12. Оптичний пірометр: а – принцип дії приладу; б –
зображення нитки електролампи пірометра та тіла, що досліджується, залежно від температури нитки tнр і тіла tт
Радіотермометри використовуються для вимірювання температури природних поверхонь. Відомо, що енергетична яскравість природної поверхні визначається за виразом:
L = |
σ Т 4 |
, |
( 9.11 ) |
e |
S |
|
|
де 
випромінювальна здатність поверхні ( 0
1 ); 
стала Сте- фана-Больцмана ( 5,67 10-8 Вт м-2 К-4 ); Тs – температура поверхні.
Отже, вимірювання енергетичної яскравості природної поверхні дає можливість оцінити її температуру. На практиці вимірюють енергетичну яскравість у смузі довжин хвиль, звичайно в області 8 13 мкм, де спостерігається вікно прозорості атмосфери і випромінювальна здатність тіл максимальна. Через це температура атмосфери не впливає на результати вимірювань температури поверхні, а випромінювання Сонця цілком поглинається атмосферою і також не заважає вимірюванням. Звичайно радіометри складаються з оптичної системи (лінз, дзеркал, фільтрів), яка фокусує потік випромінювання певної довжини хвилі на детектор – термістор або термобатарею.
Цей потік підвищує температуру детектора, вихідний електричний сигнал з виходу якого проградуйований в одиницях температури.
114
Застосування інфрачервоної відеокамери, яка здатна реєструвати спектральний розподіл температури, дає можливість утворювати теплові зображення об’єкта, що досліджується.
Використовують пірометри для вимірювання температури більшої, ніж 600 0С.
Кварцовий п’єзоелектричний термометр являє собою цифровий прилад, в основі якого лежить вимірювання резонансної частоти п’єзокристала. Кожний кристал має свою власну резонансну частоту, яка залежить від температури. Прилади такого типу характеризуються високою чутливістю та роздільною здатністю (10-4 0С). Діапазон температур, що вимірюються, становить від 40 0С до +230 0С. До недоліків належать складність електронної системи та відповідна висока вартість приладів.
Контрольні запитання
1.Що таке поліпное?
2.Що таке гіпотермія?
3.Як реагують тварини на екстремальні температурні умови?
4.Як здійснюють тварини поведінкову реакцію на температуру?
5.Який термометр доцільно використовувати при дистанційному зондуванні атмосфери. Пояснити принцип його дії.
Аудиторні завдання
Порівняти процеси терморегуляції ендотермних та ектотермних організмів.
Репродуктивний тест
Термометр якого типу слід обрати для вимірювання температури –130 0С?
Альтернативний тест
Чи вірно ствердження, що:
1. Перевагою нікелевих |
терморезисторів є практично лінійний |
|
відгук на температуру. |
Так |
Ні |
115
2. Радіотермометри використовуються для вимірювання температури природних поверхонь. Так Ні
Акордно-вибірковий тест
Знайти вірні відповіді на запитання
Яку робочу речовину рідинного термометра необхідно обрати для вимірювання температури лави вулкану (близько 1160 0С)?
1. Ртуть; 2.Ртуть + талій; 3.Етиловий спирт; 4.Метиловий спирт; 5.Галій; 6.Толуен.
Парно-вибірковий тест
Знайти відповідні пари “рідина в термометрі – діапазон температур, в межах якого можливе її застосування”
а. Ртуть |
1. |
−-95,1-+110,5 0С |
б. Толуен |
2. |
−117,3-+78,5 0С |
в. Спирт |
3. |
−38,83-+356,7 0С |
Конструктивні тести
1. Температурний коефіцієнт опору 
можна визначити як:
= R1 dRdt ,
де R – опір при температурі Т. Припускаючи, що 
є стала величина, показати, що:
1. залежність опору від температури має вигляд:
R = R0e (T – T0),
де R0 – опір при температурі Т0;
2. Використовуючи розкладання експоненціальної функції в ряд ( ех 1 + х; х
1 ), довести, що:
R = R0[ 1 + (T – T0)] для (T – T0) 
1.
2.Як розробив температурну шкалу Д. Фаренгейт?
3.Завдяки чому температура стратосфери збільшується з ви-
сотою?
116