Реферат — Тепловые явления в природе и в жизни человека

Доклад

на тему:

«Тепловые явления в природе

и в жизни человека»

Выполнила

ученица 8 «А» класса

Карибова А.В.

Армавир, 2010

Вокруг нас происходят явления, внешне весьма косвенно связанные с механическим движением. Это явления, наблюдаемые при изменении температуры тел или при переходе их из одного состояния (например, жидкого) в другое (твердое либо газообразное). Такие явления называются тепловыми. Тепловые явления играют огромную роль в жизни людей, животных и растений. Изменение температуры на 20—30° С при смене времени года меняет все вокруг нас. От температуры окружающей среды зависит возможность жизни на Земле. Люди добились относительной независимости от окружающей среды после того как научились добывать и поддерживать огонь. Это было одним из величайших открытий, сделанных на заре развития человечества.

История развития представлений о природе тепловых явлений — пример того, каким сложным и противоречивым путем постигают научную истину.

Многие философы древности рассматривали огонь и связанную с ним теплоту как одну из стихий, которая наряду с землей, водой и воздухом образует все тела. Одновременно предпринимались попытки связать теплоту с движением, так как было замечено, что при соударении тел или трении друг о друга они нагреваются.

Первые успехи на пути построения научной теории теплоты относятся к началу XVII в., когда был изобретен термометр, и появилась возможность количественного исследования тепловых процессов и свойств макросистем.

Вновь был поставлен вопрос о том, что же такое теплота. Наметились две противоположные точки зрения. Согласно одной из них — вещественной теории тепла, теплота рассматривалась как особого рода невесомая «жидкость», способная перетекать из одного тела к другому. Эта жидкость была названа теплородом. Чем больше теплорода в теле, тем выше температура тела.

Согласно другой точке зрения, теплота — это вид внутреннего движения частиц тела. Чем быстрее движутся частицы тела, тем выше его температура.

Таким образом, представление о тепловых явлениях и свойствах связывалось с атомистическим учением древних философов о строении вещества. В рамках таких представлений теорию тепла первоначально называли корпускулярной, от слова «корпускула» (частица). Ее придерживались ученые: Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли.

Большой вклад в развитие корпускулярной теории тепла сделал великий русский ученый М.В. Ломоносов. Он рассматривал теплоту как вращательное движение частиц вещества. С помощью своей теории он объяснил в общем процессы плавления, испарения и теплопроводности, а также пришел к выводу о существовании «наибольшей или последней степени холода», когда движение частичек вещества прекращается. Благодаря работам Ломоносова среди русских ученых было очень мало сторонников вещественной теории теплоты.

Но все же, несмотря на многие преимущества корпускулярной теории теплоты, к середине XVIII в. временную победу одержала теория теплорода. Это произошло после того как экспериментально было доказано сохранение теплоты при теплообмене. Отсюда был сделан вывод о сохранении (неуничтожении) тепловой жидкости — теплорода. В вещественной теории было введено понятие теплоемкости тел и построена количественная теория теплопроводности. Многие термины, введенные в то время, сохранились и сейчас.

В середине XIX в. была доказана связь между механической работой и количеством теплоты. Подобно работе количество теплоты оказалось мерой изменения энергии. Нагревание тела связано не с увеличением в нем количества особой невесомой «жидкости», а с увеличением его энергии. Принцип теплорода был заменен гораздо более глубоким законом сохранения энергии. Было установлено, что теплота представляет собой форму энергии.

Значительный вклад в развитие теорий тепловых явлений и свойств макросистем внесли немецкий физик Р. Клаузиус (1822—1888), английский физик-теоретик Дж. Максвелл, австрийский физик Л. Больцман (1844—1906) и другие ученые.

Сложилось так, что природа тепловых явлений объясняется в физике двумя способами: термодинамический подход и молекулярно-кинетическая теория вещества.

Термодинамический подход рассматривает теплоту с позиции макроскопических свойств вещества(давление, температура, объём, плотность и т.д.).

Молекулярно-кинетическая теория связывает протекание тепловых яввлений и процессов с особенностями внутреннего строения вещества и изучает причины, которые обуславливают тепловое движение.

Итак, рассмотрим тепловые явления в жизни человека.

Нагревание и охлаждение, испарение и кипение, плавление и отвердевание, конденсация — все это примеры тепловых явлений.

Основной источник тепла на Земле — Солнце. Но, кроме того, люди используют много искусственных источников тепла: костер, печку, водяное отопление, газовые и электрические нагреватели и т.д.

Вы знаете, что если в горячий чай опустить холодную ложку, через некоторое время она нагреется. При этом чай отдаст часть своего тепла не только ложке, но и окружающему воздуху. Из примера ясно, что тепло может передаваться от тела, более нагретого к телу менее нагретому. Существует три способа передачи теплоты — теплопроводность, конвекция, излучение.

Нагревание ложки в горячем чае — пример теплопроводности. Все металлы обладают хорошей теплопроводностью.

Конвекцией передается тепло в жидкостях и газах. Когда мы нагреваем воду в кастрюле или чайнике, сначала прогреваются нижние слои воды, они становятся легче и устремляются вверх, уступая место холодной воде. Конвекция происходит в комнате, когда включено отопление. Горячий воздух от батареи поднимается, а холодный опускается.

Но ни теплопроводностью, ни конвекцией невозможно объяснить, как, например, далекое от нас Солнце нагревает Землю. В этом случае тепло передается через безвоздушное пространство

излучением (тепловыми лучами).

Для измерения температуры используется термометр. В обычной жизни пользуются комнатными или медицинскими термометрами.

Когда говорят о температуре по Цельсию, то имеют в виду шкалу температур, в которой 0°С соответствует температуре замерзания воды, а 100°С — точка ее кипения.

В некоторых странах (США, Великобритания) используют шкалу Фаренгейта. В ней 212°F соответствуют 100°С. Перевод температуры из одной шкалы в другую не очень простой, но в случае необходимости каждый из вас сможет его выполнить самостоятельно. Чтобы перевести температуру по шкале Цельсия в температуру по шкале Фаренгейта, необходимо умножить температуру по Цельсию на 9, разделить на 5 и прибавить 32. Чтобы сделать обратный переход, из температуры по Фаренгейту необходимо вычесть 32, умножить остаток на 5 и разделить на 9.

В физике и астрофизике часто используют еще одну шкалу — шкалу Кельвина. В ней за 0 принята самая низкая температура в природе (абсолютный нуль). Она соответствует −273°С. Единица измерения в этой шкале — Кельвин (К). Чтобы перевести температуру по Цельсию в температуру по Кельвину, к градусам по Цельсию надо прибавить 273. Например, по Цельсию 100°, а по Кельвину 373 К. Для обратного перевода надо вычесть 273. Например, 0 К это −273°С.

Полезно знать, что температура на поверхности Солнца — 6000 К, а внутри — 15 000 000 К. Температура в космическом пространстве вдали от звезд близка к абсолютному нулю.

В природе мы являемся свидетелями тепловых явлений, но порой, не обращаем внимания на их сущность. Например, летом идёт дождь а зимой снег. Образуется роса на листьях. Появляется туман.

Знания о тепловых явлениях помогают людям конструировать обогреватели для домов, тепловые двигатели (двигатели внутреннего сгорания, паровые турбины, реактивные двигатели и т. д.), предсказывать погоду, плавить металл, создавать теплоизоляционные и термостойкие материалы, которые используются всюду — от постройки домов до космических кораблей.

ronl.org

Реферат — 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»

Москва, 2010

Содержание

1. История изобретения термометра

2. Современные термометры

3. Теплоизоляции в жизни человека и животного

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.

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.

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.

ronl.org

Реферат — Методы и техника для лечения холодом

Криомедицина

(Методы и техника для

лечения холодом)

Составили

Баранов А.Ю.

Кидалов В.Н.

Аннотация

Криомедицина, холод,лечение, новые технологии

В книге представлена информация о наиболее распространенных методах использования холода в лечебно-оздоровительных целях. Приводится подробное описание и, рекомендации по практическому применению нового метода физиотерапевтического воздействия – криотерапии.

Представленный материал может представлять интерес для широкого круга читателей намеревающихся использовать «холодовые рецепты» укрепления собственного здоровья и закаливания.

Оглавление

Введение…

Глава 1. Физика и физиология охлаждения….

Из истории изучения влияния холода на организм…..

Люди и холод….

Физические основы охлаждения…..

Холод и физиологические процессы в организме человека….

Температура и ферментные реакции…..

Электрохимическая энергия жизни и холод….

Терморегуляция организма при воздействии холода…..

Терморегуляция как функция покровных тканей….

Некоторые физиологические особенности процесса теплообразования и теплоотдачи….

Теплоощущения и их значение для здоровья……

Стадии гипотермии….

Температурное возбуждение…

Глава 2. Криотерапия (КТ) в современной медицине….

Местное и общее лечебное воздействие холода….

Методы и аппаратура применяемые для криотерапии в официальной медицине….

Криотерапия в комплексе лечебных мероприятий….

Холод против ревматизма. Метод газовых аппликаций….

Российский вариант…..

Русская криосауна……

Где достать «холодный пар» для криосауны….

Криотерапевтическое оборудование…

Оригинальный взгляд доктора Чернышова на лечебные возможности холода….

^ Глава 3. Холод как «домашнее средство» профилактики и лечения болезней

3.1.Холод и живая природа…..

3.2.Холод — дефицит теплоты….

3.3.Компенсаторные процессы при лечебном воздействии холода на организм….

«Воздушный» холод….

«Жидкий» холод…..

Закаливание воздухом…..

Закаливание водой……

Особенности закаливания в зависимости от сезона года…

Закаливание детей…

Обиходные лечебные процедуры с использованием прохладной воды и газов……

Обливания…

Душ…

Обтирания…

Общие обертывания…

Купание….

Ванны…

.Холод и спорт…

Показания к лечению холодом…

Приложения

1. Моржевание….

Плавание, гидроаэробика…

Об использовании холодовых процедур при некоторых заболеваниях. (Из книги С. Кнайпа «Мое водолечение»)…

О популярной системе П.Иванова…

Отзывы больных о действенности криотерапевтических процедур ( по результатам эксплуатации криотерапевтической установки в С.Петербурге)……

Рекомендуемая и цитируемая литература…..

Введение

Наиболее интенсивная разработка проблемы холодовых воздействий на организм человека в нашей стране приходилась на шестидесятые — восьмидесятые годы двадцатого столетия, когда шло интенсивное освоение районов Крайнего Севера, Антарктиды. Однако до сих пор, несмотря на большое количество публикаций, влияние холода на организм изучено недостаточно, а сообщения, популяризирующие методики оздоровления и лечения при помощи холода остаются достаточно редкими. Более «повезло» в этом отношении работам, посвященным патологической гипотермии: проблемам нарушения теплового баланса, переохлаждения в воде и на воздухе, обморожениям и, в целом холодовой травме. Неплохо изучены вопросы стрессорного воздействия на организм человека сурового климата, прогнозирования ответных реакций различных систем и органов на дозированное холодовое воздействие. Настоящая книга освещает несколько иной аспект воздействия холода на организм человека. В ней, на основе имеющихся публикаций и опыта, даются основы взаимодействия организма человека с холодовыми факторами, описываются способы повышения резистентности организма посредством различного рода воздушных, газовых и водных процедур, приводятся способы лечения некоторых острых и хронических заболеваний при помощи холода и новых промышленных технологий.

^ Глава 1

Физика и физиология охлаждения

Из истории изучения влияния холода на организм

Предполагают, что родиной первобытного человека были страны с жарким климатом. Однако в дальнейшем, люди расселились по земле в районах с более холодным климатом.

Основными носителями тепла и холода, с которыми издавна встречалось человечество, были воздух и вода, почвы и камни. Замечено, что жизнь в Арктике начинала бурлить у кромки тающего льда. Вблизи ледников в горах расцветают прекраснейшие луга.

Возникли новые потребности приспособления к холоду, что, во многом обусловило необходимость труда для защиты от холода и, вероятно определило дальнейшее развитие человека. За 4 тысячи лет до нашей эры жители древнего Вавилона пришли к необходимости наблюдения за погодой с целью прогнозирования похолоданий. Воздух и воду для закаливания стали широко использовать ассирийцы, египтяне. Индусы отметили положительное влияние прохладного свежего воздуха на лихорадящих больных.

Историческое развитие лечения холодом подробно рассмотрено в работе Костадинова Д. и Краева Т. Упоминание о лечебном действии холода встречается в трудах Гиппократа, Авиценны и в более ранних источниках. Такие известные врачи как Цельсий, Гален, Бертолини, Самойлович, Ларрей, Эдвардс и другие с успехом применяли низкие температуры, преимущественно как противовоспалительное средство. За 2500 тысячи лет до нашей эры египтяне применяли холодные компрессы для лечения ранений грудной клетки и переломов костей черепа.

Однако механизмы действия холода в прошлые века оставались не познанными.

В начале 17 столетия иностранные послы сообщали из России о том, что русские голые обливаются холодной водой, зимой же, выскочив из бани они валяются на снегу, трут им тело будто мылом. Потом, остывши, снова входят в жаркую баню. При посещении Петром I Парижа русские гренадеры демонстрировали парижанам купание после бани в ледяной воде. На эти зрелища приходило посмотреть целое сборище изумленных французских зрителей. Особенно непонятным было, что не смерть или болезнь, а необычайной силы здоровье давал этот необычный, экстравагантный способ закаливания.

В 1855 году в Австрии был создан первый институт закаливания. Научное осмысление законов термодинамики также наиболее интенсивно происходило в 19 веке и связано с именами знаменитых ученых Николы Карно, Михайло Ломоносова, Джеймса Джоуля, Уильяма Томсона (Лорда Кельвина), Рудольфа Клаузиса, Людвига Больцмана и многих других.

Однако с охлаждением, как проблемой, человечество столкнулось еще в незапамятные времена. В канонах тибетской медицины более чем 27 вековой давности подчеркивалось усиление заболеваний суставов в холодное время года, во время дождей и сильных ветров. Катастрофы, стихийные бедствия, войны заставляли людей внимательно относиться к проблеме охлаждения, искать способы защиты от него. Холод был страшным бичом для многих армий на протяжении всей истории. В 17 веке от переохлаждения в Абессинии погибла целая армия. В начале 20 в России замерзало насмерть до 3 тыс. человек в год. По данным Г.Н. Клинцевича, замерзание во время войны с Финляндией в 1939 — 1940 гг. как причина смерти отмечалась в 1,3% вскрытий. Потери только армии США от холода во второй мировой войне составили несколько десятков тысяч человек.

Наряду с общим переохлаждением врачам прошлого хорошо были известны ознобление и обморожение конечностей, «траншейная стопа», холодовые поражения органов дыхания.

Однако исстари «холодовой фактор» широко использовался и как средство сохранения и даже восстановления здоровья. Древние религии многих народов предписывали обмывание тела холодной водой. У египтян было принято ежедневное омовение в водах Нила. Авиценна в знаменитых «Канонах врачебной науки» подчеркивал, что для лечения многих болезней необходим свежий воздух — прекрасное средство оздоровления тела. Храмы древнегреческого бога врачевания Асклепия неслучайно размещались в живописных целебных местах с «тренирующим» микроклиматом и живительной водой в горных или лесных источниках. «Отец водолечения» Гиппократ считал прохладную воду основным фактором здоровья и рекомендовал приемы смачивания и охлаждения для лечебных целей. Знаменитый философ древности Платон называл закаливание и физические упражнения целительной частью медицины.

Для защиты от переохлаждения карфагенянин Ганнибал еще во втором веке до нашей эры рекомендовал воинам растирать конечности маслами. В Древней Греции для этой цели параллельно с холодовыми процедурами использовали миндальное масло, свиной жир, очищенный скипидар.

На Руси широкое распространение приобрело закаливание холодом после предварительного распаривания в бане.

О пользе прохладных водных ванн писал известный французский философ 16 века Мишель Монтень: «Я сам стал прибегать к водолечению, ибо считаю, что ванны оказывают целебное действие, и мы, я думаю, немало теряем от того, что перестаем пользоваться ими так, как это практиковалось в старину почти у всех народов..».

А.В. Суворов, обладавший от рождения слабым здоровьем, путем закаливания холодом и усиленных тренировок сохранял высокий уровень работоспособности на протяжении многих лет. Он вспоминал, что ходил по несколько часов обнаженным, чтобы приучить себя к холоду, в его привычку вошло обливание холодной водой. Он наказывал офицеров, допускавших повышение простудной заболеваемости у своих солдат.

Любил водные процедуры и плавание в прохладной воде, как и другие русские, Лев Толстой. В Ясной Поляне для него были устроены 2 купальни. Вот один из интересных эпизодов из его жизни: «Летом 1887 года в Ясную Поляну приехал Цезарь Ломброзо — всемирно известный психиатр, основатель учения о преступных типах. Толстой горячо спорил с ним, доказывая, что преступниками не рождаются, а становятся в силу социальных условий. Впоследствии Лев Николаевич так рассказывал об этой встрече:«Ах какой милый старикашка! Маленький, шустренький…. Старается молодиться, даже кажется, бородка подкрашена, а сам слабенький. Позвал я его купаться … Спрашиваю: «Любите плавать?» Он так бодро говорит: «Конечно, с удовольствием готов». Ну, я поплыл, он за мной. Вдруг слышу, он отстал и что-то булькает. Оглянулся, а мой старикашка, обессилел совсем и уже пузыри пускает. Ну, я его вытащил… Очень симпатичный старичок. И как это к нему не идут его жестокие рассуждения…». Но, как выясняется «старикашка» был на восемь лет моложе Толстого». (Цит. по А Галицкому, 1992).

В 19 веке известный русский терапевт Г.А. Захарьин одним из первых в России стал обучать студентов практическим навыкам водолечения, исходя из того, что везде есть вода и самые простые способы ее применения могут дать для здоровья больше, чем самые модные лекарства. Действительно, водная оболочка Земли с ее океанами, реками, подземной и почвенной влагой составляет около 1,5 кубических километров. Вода занимает около 3/4 (71%) поверхности земного шара. Да и живой организм, представляет собой как бы «одушевленную воду». Вода по результатам исследований биолога Э. Дюбуа-Реймона составляет 65% от всей массы тела человека. Как установлено в последнее время, молекулы воды располагаются хаотично только в водяном паре. Водяной лед представляет собой четкую гексагональную систему. В ней атомы кислорода расположены так, как атомы кремния в структуре тридимита. Жидкая вода способна изменять свою структуру в самых различных условиях. Она, возможно, представляет собой некую матрицу, на которой записываются и развиваются самые разнообразные жизненные процессы. Недаром вода широко используется большим числом энтузиастов-практиков как лечебный фактор уже много веков. Книга одного из таких энтузиастов водолечения пастора Кнейппа переиздавалась 46 раз. В 1897 году она была впервые переведена на русский язык. В 1965 году, по данным В.Т.Олиференко, в немецкой ассоциации бальнеологов насчитывалось 35 специальных учреждений, где проводилось лечение по методу Кнейппа. В Чехии и Словакии получил распространение метод холодового воздействия по Присницу. В России широко использовали местные холодовые воздействия при последствиях травм головного мозга, энцефалитов, при хронических нарушениях мозгового кровообращения при травмах опорно-двигательного аппарата, вегетососудистых и других заболеваниях, для оздоровления пожилых людей.

В наше временя горожане большую часть жизни проводят в помещениях с искусственным микроклиматом. В таких условиях они находятся и на работе и дома и во время отдыха. Происходит как бы частичная изоляция от естественной климатической среды, что приводит к понижению совершенства различных физиологических приспособительных реакций, ослабляет взаимосвязи между внешней и внутренней средой организма. Цена такой самоизоляции от природы — снижение иммунитета, устойчивости к простудным заболеваниям, более частый переход «обычных» болезней в хронические формы, трудно поддающиеся лечению. Нелишне напомнить мнение врача-климатолога В.Н. Дмитриева об этой ситуации: «Нужно считать не часы, отводимые для пребывания на свежем воздухе, а наоборот, часы, проводимые в комнатах, и считать их потерянным временем или даже хуже того — временем приносящим зло вместо добра».

В наше время имеется множество способов для сохранения и повышения уровня здоровья с использованием холода. Так, прохладную талую воду с успехом применяют для борьбы с тучностью, без существенного изменения рациона. Закаливание и купание в холодной воде также весьма популярные методы.

С конца 19-го — начала 20-го века во многих странах начали проводиться исследования по оценке влияния на организм искуственного глубокого охлаждения (гипотермии). В 1863 г. А.Вальтер в экспериментах на кроликах показал, что снижение температуры увеличивает безопасность хирургического вмешательства. В 1938 г. T.Фэй впервые использовал метод гипотермии для лечения онкологических больных. С 1949 по 1953 год в Канаде активно разрабатывались показания к искусственной гипотремии больных, оперируемых по поводу пороков сердца. В дальнейшем этот метод нашел широкое распространение во всем мире. Суть этого метода заключается в том, что при помощи специальной аппаратуры снижают температуру тела больного, одновременно блокируя ответные реакции организма на охлаждение.

Помимо общей гипотермии в практику вошли методики локальной гипотермии. Так, гипотермия желудка стала использоваться для остановки интенсивных кровотечений из верхних отделов пищеварительного тракта при язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, при геморрагических гастритах, а также, при тяжелых клинических формах воспаления поджелудочной железы — для снятия явлений воспаления. Местная гипотермия почки используется во время операций по пересадке почек. Разработана аппаратура, позволяющая охлаждать почку контактным способом либо путем пропускания через почечные сосуды охлажденных жидкостей. Гипотермия предстательной железы, осуществляемая разными способами, является необходимым элементом оперативного вмешательства при опухолях этой железы у мужчин.

В 1965 году в нашей стране был создан аппарат «Холод -2Ф» для искусственного охлаждения мозга. Основными составными частями этого аппарата являлись охлаждающее приспособление для головы, бак-теплообменник, холодильный агрегат, насос для подачи охлаждающей жидкости, электродвигатель и электронный блок управления.

Для краниоцеребральной гипотермии у больных с тяжелой травмой черепа создан также аппарат флюидокраниотерм (О.А.Смирнов и др., 1970). В нашей стране активно разрабатываются способы гипотермии новорожденных с невротоксическими синдромами и черепно-мозговыми травмами.

В семидесятые годы двадцатого века разработана методика охлаждения черепа и мозга новорожденных, у которых в процессе родов развивалось кислородное голодание (асфиксия плода). Установлено, что умеренное охлаждение мозга плода безвредно и не влияет на развитие ребенка ни в период новорожденности, ни значительно позже. Охлаждение мозга на уровне коры до температуры 30 — 29оС не влияет на содержание в мозгу свободных аминокислот (аспарагиновой, глютаминовой), несколько снижает потребление клетками кислорода при одновременном уменьшении активности метаболических процессов. В более поздних исследованиях было установлено, что данная процедура способствует улучшению мозгового кровообращения, понижению внутричерепного давления, улучшает электрическую активность мозга. У детей перенесших родовую асфиксию такая местная краниоцеребральная гипотермия способствовала предупреждению патологических последствий кислородной недостаточности.

В последние десятилетия 20-го века во всем мире получили распространение устройства локальной гипотермии для автоматического поддержания заданной температуры отдельных частей тела или органов. Охлаждение в этих устройствах обычно достигается за счет циркуляции газового или жидкого теплоносителя. Созданы аппараты для гипотермии желудка, поджелудочной железы, почек, прямой кишки и органов малого таза, предстательной железы и т.п. Аппараты — генераторы холода обычно обеспечивают последующее согревание частей тела.

Параллельно с использованием холода в терапевтических целях развивалась специфическая хирургическая отрасль медицины — криохирургия (от греческого «Krios» — холод). Около 100 лет тому назад было замечено, что замораживание тканей с помощью орошения их хлорэтилом вызывает обезболивание при хирургических вмешательствах. Было показано, что живые клетки полностью замерзают при температурах около 20оС. При быстром замораживании в клетках развивается ряд процессов, ведущих к их разрушению. В семидесятых годах было установлено что для криодеструкции предпочтительно быстрое замораживание (до 50оС в минуту и медленное оттаивание со скоростью до 12оС в минуту. При этом клетки подвергаются резкому обезвоживанию, в них резко повышается концентрация электролитов, клеточные мембраны повреждаются кристалликами льда. Охлаждение ткани, кроме того, приводит к прекращению кровообращения в зоне замораживания, что также приводит к гибели клеток. Криовоздействие весьма удобно для хирургического лечения опухолей, поскольку оно позволяет полностью разрушить данный объем опухолевой или патологической ткани, как на поверхности, так и в глубине, это воздействие практически безболезненно, практически бескровно, очаги криодеструкции быстро заживают. Криохирургические операции стали выполнять не только с целью полного удаления опухоли, но и для облегчения состояния больного, когда опухоль, например, пищевода, неоперабильна. Основным методом криодеструкция стала в нейрохирургии для лечения труднодоступных опухолей подкорковых структур мозга.

С начала 20-го века криохирургическими методами заинтересовались офтальмологи. В 1914 году С.В. Романов впервые применил холод для лечения трахомы. В 1918 году Шелер использовал холод для лечения отслойки сетчатой оболочки глаза. В 1961 году Т. Крвавич для удаления хрусталика применил метод криоэкстракции (удаления при помощи холода). Позднее холодовые хирургические технологии стали использовать для создания спайки между инструментом (холодовым манипулятором) и опухолью сосудистой оболочки с целью удаления опухоли, для удаления внутриглазных инородных тел, кист, для создания спаек между оболочками глаза при их отслойках, для создания очагов атрофии в реснитчатом теле глаза при глаукоме, для удаления внутриглазных паразитов (цистицерка и др.), для ускорения рассасывания крови при диабетическом и травматическом ее скоплении в полостях глаза, при язвах роговицы, удалении из глаза немагнитных, инородных тел и в ряде других ситуаций. В зависимости от охлаждающего агента степень охлаждения глазных тканей колеблется от 0 до — 190оС. Разработаны способы аппликаций углекислотного снега, криообдувания, использования различных сжиженных газов.

Специалисты по уху, горлу и носу стали использовать криозонды и для хирургических вмешательств внутри носа, глотки, гортани, трахеи, внутреннего уха.

Начиная с 1964 года, криохирургия стала использоваться в урологии для удаления рака предстательной железы, доброкачественных новообразований мочевого пузыря, для остановки профузных кровотечений при распадающихся опухолях мочевыводящих органов.

Еще более широко криохирургия стала применяться в гинекологии при лечении эндометриоза шейки матки, полипов, остроконечных кондиллом, маточных кровотечений, аденом. В гинекологии эти методики оказались наиболее удобными из-за минимальной травматичности и безболезненности, в связи с возможностью лечения заболеваний шейки матки во время беременности. Разработаны предельно простые способы лечения. Так, при эрозиях шейки матки используют криоманипулятор с конусовидным концом (вводится в канал шейки матки). Ограничение глубины введения достигается за счет круглого плоского широкого основания соприкасающегося с влагалищной поверхностью шейки матки.

Методом выбора криохирургия становится при целом ряде детских, в том числе врожденных, заболеваний. Отечественные ученые используют криодеструкцию для лечения у детей бородавок, папиллом, пигментных невусов, гемагиом и ряда других болезней.

В дерматологической и косметологической практике широкое распространение получили криовоздействия при вульгарных и плоских бородавках, пигментных, родимых пятнах, старческом кератозе и грубых рубцах.

Кроме перечисленного, 20-й век приобрел существенный опыт в использовании для здравоохранения совершенно новых научных разработок по использованию холода. Своими знаниями и опытом по некоторым из этих вопросов сочли необходимым поделиться с читателями авторы-составители.

^ Люди и холод

Материалисты считают, что жизнь возникла миллиарды лет назад из неживой материи в водах древних океанов. Океанские чаши улавливали энергию солнца, обеспечивая простейшим существование. Той же цели служил и растворенный в воде кислород. Под влиянием солнечной радиации жизнь эволюционировала. Появилась буйная растительность, развился мир животных. Появился человек.

В развитии животного мира природа избрала особый путь. Поскольку в 1 л воды растворено всего 10 кубических сантиметров кислорода, она пошла по пути создания животных, получающих кислород не из воды, а из воздуха. Действительно, для животных с водным дыханием, чтобы поднять интенсивность обмена до уровня человеческого, потребовался бы орган, способный пропускать в 1 минуту около 30 л воды на 1 кг веса. Воздух атмосферы содержит в 1 л в 21 раз больше кислорода, чем 1 л воды. Организм человека в полной мере приспособлен к жизни в воздушной среде, хотя иногда можно услышать мнение, что человеку очень близка и водная стихия, поскольку этот род, якобы произошел от морских обезьян. Организм человека в полной мере сохранил основные черты биологического существа, умеющего постоянно обмениваться энергией с солнцем, воздухом и водой. Человек любит и прекрасно переносит душистый морозный воздух, не страдает в жаре при температуре более 20(С, справляется со сменой атмосферного давления. Предки современного человека длительное время приспосабливались к постоянно меняющимся условиям внешней среды, и вышли в этом приспособлении победителями. Заселив почти всю планету и в гигантских масштабах преобразуя природу, наши предки были лучше адаптированы к естественной среде, чем нынешние, живущие в отдалении от природы, поколения. Почему так случилось. В ответ на этот вопрос процитируем профессора А.М.Фонарева (см. книгу «Тысяча советов на здоровье»). М.1971). Он пишет: «Проблема закаливания теснейшим образом связана со вторым законом термодинамики…. Согласно этому закону всякий обмен энергией в виде тепла, между какими бы то ни было системами связан с неизбежной потерей тепла в результате его рассеивания в мировом пространстве. Этот закон распространяется также и на живую систему. На организм человека. У человека, в частности, рассеивание тепла происходит посредством инфракрасного (теплового) излучения кожи, при выделении пота и при дыхании. Если учесть, что поверхность человека весьма значительна, легко представить себе степень рассеивания тепла. (Это явление получило название энтропии).

Однако значительная потеря тепла для человека губительна. Не случайно у всех людей земного шара, независимо от того, в каких климатических условиях они проживают, температура тела равна 36,6(С. Такая высокая стабильность температуры тела совершенно обязательна для нормального протекания физико-химических процессов в клетках организма, что составляет основу жизни.

В обычных условиях сколько-нибудь значительной потери тепла не происходит. Ведь организм снабжен нервными специальными механизмами, регулирующими как производство тепла, так и его расходование… Потери тепла организмом тем выше, чем ниже температура окружающей среды.

Но действительно ли современному человеку, владеющему не только огнем, но и отапливаемыми домами, различными видами одежды и обуви, головными уборами, перчатками и т.д., при нормальных обстоятельствах угрожает недопустимая потеря тепла и охлаждение тела. Конечно, нет.

Совсем по-другому эта важная проблема решалась нашими первобытными предками…

Воображение легко рисует нам состояние первобытного человека, еще не открывшего способа добывать огонь, не укутанного меховой дубленкой и далеко не всегда имеющего под рукой кусок мяса, чтобы снабдить организм необходимыми калориями. Жизнь древнего человека была крайне напряженной, полной лишений и опасностей… Борьба с природой — это борьба с хищниками и борьба за энергию. Особенно тяжелой эта борьба была в период дождей и похолоданий. Не имея других способов сохранить температуру тела, люди укрывались в пещерах, где их нередко поджидали пещерные медведи, львы, гиены. Плоды деревьев, корни растений и мелкие животные не всегда могли компенсировать потерю тепла.

И тут на помощь приходили физиологические механизмы регуляции. В коже человека расположены специальные термодатчики — нервные рецепторы, информирующие нервную систему о температуре воздуха. При понижении температуры окружающей среды бесчисленные кровеносные сосуды рефлекторно сужаются, резко сокращая излучение тепла через кожу. А площадь поверхности кожи весьма значительна — она составляет почти полтора квадратных метра покрытой роговым слоем эластичной живой ткани. Кстати, искусственный термодатчик изобрели лишь в середине 17 века. А слово «термометр» ввел в обиход Михайло Ломоносов.

Ну а если температура воздуха чрезмерно возрастала? Опять-таки происходило рефлекторное расширение кровеносных сосудов, и избыточное тепло организма рассеивалось в пространстве.

Мы видим, таким образом, что для наших далеких предков рефлекторный способ регулирования температуры тела, поддержания ее стабильности и строго определенного уровня был одним из главных жизненно важных средств в борьбе за выживание.

Шли столетия. Образ жизни человека неуклонно изменялся. Современному человеку не приходится конкурировать с пещерным медведем в борьбе за жилище. На страже его тепловой энергии стоят теплоцентрали, кондиционеры и не только модная, но и теплая одежда. Это означает, что значительная потеря тепла и критическое охлаждение тела современному человеку практически не угрожают. Но общество изменяется неизмеримо быстрее, чем физиологические свойства организма. Можно утверждать, что механизмы терморегуляции современного человека принципиально ни чем не отличаются от аналогичных механизмов неандертальцев, скажем, мустьерской эпохи. Впрочем, неандерталец выгодно отличался от современного человека, по крайней мере, в одном отношении — физически он был предельно тренированным и закаленным существом. Если, например, сужения сосудов было не достаточно для сохранения оптимальной температуры тела, в действие вступал другой механизм — химическая терморегуляция. Резко возрастал обмен веществ, и количество тепла в организме соответственно увеличивалось. Такая высокая слаженность и поистине боевая готовность всех звеньев терморегуляции возможна только при их постоянной тренировке, то есть при постоянном закаливании. У древнего человека такое закаливание происходило естественным образом. У современного человека оно в естественном виде отсутствует. А искусственная организация закаливания, увы, часто кажется слишком обременительной и, если не испытать на себе, малоэффективной.

Мы уже говорили, что у современного человека сохранились древние, не отвечающие современным условиям жизни, механизмы рефлекторной терморегуляции… Возьмем стандартно незакаленного человека среднего возраста и пригласим его выйти на балкон в домашних тапочках на босу ногу, подмести накопившийся за ночь снег. Терморецепторы кожи тут же пошлют в нервные центры предостерегающую информацию: «холодно!». Как и сотни тысяч лет назад сосуды современного человека в целях экономии тепла повсеместно и весьма экстренно сузятся. Хорошо это? Для древнего закаленного человека хорошо. Для него холодный воздух — это всегда сигнал о более или менее длительном охлаждении. Следовательно, необходимо сократить отдачу тепла и привычным образом включить внутренние аппараты теплопроизводства. Более того, у закаленного человека при относительно низких температурах воздуха просвет сосудов может вообще не измениться, поскольку незначительную потерю тепла можно легко компенсировать, усилив его продукцию. Но у нашего знакомого рефлекторное сужение кровеносных сосудов произошло неотвратимо, хотя он трудился на балконе не более трех минут, и глубокое охлаждение тела ему не угрожало. И это уже плохо.

Почему? В организме человека всегда имеется некоторое количество болезнетворных микробов. Особенно много их на коже (до 40 тысяч на квадратный сантиметр) и в области миндалин — лимфоидной ткани… Миндалины выполняют важную роль защиты организма от проникновения микробов через слизистую оболочку полости рта и глотки. Эта защита ведется главным образом посредством активности лейкоцитов крови (белые кровяные тельца), способных поглощать и даже переваривать инородные микроорганизмы. Совершенно естественно, что при значительном сужении сосудов количество крови в них (а, следовательно, лейкоцитов) резко сокращается и одновременно ослабляется борьба с микробами. Микробы, конечно, тут же используют благоприятный момент и начинают размножаться с поистине космической скоростью. Легко представить себе. Что происходит в организме при действительном охлаждении тела незакаленного человека».

Разумеется, здесь приведена только сильно упрощенная схема. Однако она позволяет проиллюстрировать различия в реакциях закаленного и незакаленного организма на холод.

Человеческий организм, как и человеческое сообщество в целом постоянно ведет борьбу с самопроизвольным ростом энтропии. Воздействие холода для этой цели при использовании закаливающих процедур может быть использовано (например, с позиций новой науки — синэргетики) для перевода «хаоса» в порядок или структуру. Это обусловлено тем, что в человеческом организме, как особой открытой системе возможно возникновение локальной структуры из хаоса, что, конечно, неизбежно компенсируется повышением энтропии в какой-либо другой области окружающей среды. Структуры, упорядоченные формы, характеризующие жизнь могут формироваться в клетках, органах и системах организма на основе химических и физических превращений инициируемых холодом.

^ 1.2. Физические основы охлаждения.

«Сущности не следует умножать без необходимости»

(научный принцип Уильяма Оккама)

Понимание реакций организма на его охлаждение невозможно без усвоения основных законов термодинамики. Для того чтобы понять возможности использования холодовых процедур по рационализации основных функций организма рассмотрим вначале некоторые основы этого раздела физики. Он основан на нескольких утверждениях или законах. Их четыре. Попытаемся представить их в доступно упрощенном варианте.

Нулевое начало термодинамики представляет собой логическое оправдание для введения понятия температуры физических тел. Оно определяет, что температура есть уточнение и количественное выражение степени теплосодержания.

Первое начало, согласно П. Эткинсу (1984) формулируется словами «Энергия сохраняется». Вместе с тем дать точную формулировку понятию энергия, первое начало термодинамики «не берется». Подразумевается, что энергия — это способность совершать работу.

Второе начало устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии, одно направленности происходящих в ней процессов. При этом горячие тела охлаждаются, а холодные не становятся сами по себе теплыми. Так, прыгающий мяч останавливается, но остановившийся мяч не начинает прыгать сам по себе. Следовательно, хотя полное количество энергии сохраняется в любом процессе, распределение энергии изменяется необратимым образом. При этом направление распределения энергии не зависит от ее общего количества.

Третье начало термодинамики отражает свойства веществ при очень низких температурах. Оно утверждает невозможность охлаждения вещества до абсолютного нуля посредством конечного числа шагов. На его основе предполагается атомное строение вещества.

Наука термодинамика имеет тесную связь с математикой, а в историческом плане она обусловливала развитие человеческой цивилизации, старавшейся постоянно противопоставлять свои жизненные интересы внутренней асимметрии, т.е. одно направленности процессов, присущих природе.

Первобытным племенам было невдомек, что, используя костры для противодействия холоду, они освобождали энергию, ранее подобранную растительным миром от Солнца. Да и современный человек редко задумывается над тем, что многое из того, что он делает — от сбора урожая и приема пищи до получения электроэнергии посредством управления реакциями деления урана — «это не более чем «пепел» давно сгоревших звезд» и поиск энергии, завещанной нам прошлым. (Здесь и далее в этой главе на последующих страницах цитируется П. Эткинс, 1987).

Энергия необходима человеку для производства работы. На основе второго начала термодинамики установлена невозможность полного преобразования теплоты в работу. Примером этому, могут служить рассуждения о цикле Карно по работе обычного двигателя. Природная асимметрия состоит и в том, что природа позволяет свободно преобразовывать работу в теплоту, однако на обратное преобразование она «накладывает существенный энергетический налог».

Область явлений, на которые распространяется второе начало термодинамики, охватывает все, что связано с распадом и деградацией, то есть явления, в которых хаос «заставляет» порядок освободить ему свое место.

Понятно, что нагревание означает подведение к предмету соответствующей порции энергии, а охлаждение означает лишение его энергии. Ведь теплота — это не одна из форм энергии, а «название одного из способов передачи энергии». Работа также не является формой энергии. Это тоже один из способов передачи энергии, поскольку» работа — это то, что мы совершаем, когда нам необходимо тем или иным способом изменить энергию объекта, не используя при этом разность температур».

С учетом сказанного Клаузиус сформулировал второе начало термодинамики в следующей формулировке: «невозможен процесс, единственный результат которого состоял бы в переходе энергии от более холодного тела к более горячему». Из этой формулировки вытекает,

ronl.org

Реферат — Тепловые явления — Физика

Высота Эйфелевой башни.

Если теперь нас спросят, какова высота Эйфелевой башни, то прежде чем ответить: «300 метров», вы, вероятно, поинтересуетесь:

—В какую погоду—холодную или теплую?

Ведь высота столь огромного железного сооружения не может быть одинакова при разной температуре. Мы знаем, что железный стержень длиной 300м удлиняется на 3мм при нагревании его на один градус. Приблизительно на столько же должна возрастать и высота Эйфелевой башни при повышении температуры на 1 градус. В теплую солнечную погоду железный материал башни может нагреться в Париже градусов до +40, между тем как в холодный, дождливый день температура его падает до +10, а зимою до 0, даже до –10. Как видим, колебания температуры доходят до 40 и более градусов. Значит, высота Эйфелевой башни может колебаться на 3 40=120мм, или на 12см .

Прямые измерения обнаружили даже, что Эйфелева башня еще чувствительнее к колебаниям температуры, нежели воздух: она нагревается и охлаждается быстрее и раньше реагирует на внезапное появление солнца в облачный день. Изменения высоты Эйфелевой башни обнаружены с помощью проволоки из особой никелевой стали, обладающей способностью почти не изменять своей длины при колебаниях температуры. Замечательный сплав этот носит название «инвар»(от латинского «неизменный).

Итак, в жаркий день вершина Эйфелевой башни поднимается выше, чем в холодный, на кусочек, равный 12см и сделанный из железа, которое, впрочем, не стоит ни одного лишнего сантима.

Когда Октябрьская железная дорога длиннее—летом или зи мой?

На вопрос: „Какой длины Октябрьская железная дорога?“—кто-то ответил:

—Шестьсот сорок километров в среднем; летом метров на триста длиннее, чем зимой.

Неожиданный ответ этот не так нелеп, как может показаться. Если длиной железной дороги называть длину сплошного рельсового пути, то он и в самом деле должен быть летом длиннее, чем зимой. Не забудем, что от нагревания рельсы удлиняются—на каждый градус Цельсия более чем на одну 100 000-ю своей длины. В знойные летние дни температура рельса может доходить до 30-40 градусов и выше; иногда рельс нагревается солнцем так сильно, что обжигает руку.В зимние морозы рельсы охлаждаются до –25 градусов и ниже. Если остановиться на разнице в 55 градусов между летней и зимней температурой, то, умножив общую длину пути 640 км на 0,00001 и на 55, получим около 1/3 км. Выходит, что и в самом деле рельсовый путь между Москвой и Ленинградом на треть километра, т. е. примерно на триста, длиннее, нежели зимой.

Изменяется здесь, конечно, не длина дороги, а только сумма длин всех рельсов. Это не одно и то же, потому что рельсы железнодорожного пути не примыкают друг к другу вплотную: между их стыками оставляются небольшие промежутки—запас для свободного удлинения рельсов при нагревании. Наше вычисление показывает, что сумма длин всех рельсов увеличивается за счет общей длины этих пустых промежутков; общее удлинение в летние знойные дни достигает 300м по сравнению с величиной ее в сильный мороз. Итак, железная часть Октябрьской дороги действительно летом на 300 м длиннее, нежели зимой.

Часы без завода.

Лед, не тающий в кипятке .

Возьмите пробирку, наполните водой, погрузите в нее кусочек льда, а чтобы он не всплыл вверх (лед легче воды), придавите его свинцовой пулей, медным грузиком и т.п.; при этом, однако, вода должна иметь свободный доступ ко льду. Теперь приблизьте пробирку к спиртовой лампе так, чтобы пламя лизало только верхнюю часть пробирки. Вскоре вода начинает кипеть, выделяя клубы пара. Но странная вещь: лед на дне пробирки не тает! Мы имеем перед собой словно маленькое чудо: лед, не тающий в кипящей воде…

Разгадка кроется в том, что на дне пробирки вода вовсе не кипит, а остается холодной; она кипит только вверху. У нас не „лед в кипятке“, а „лед под кипятком“. Расширяясь от тепла, вода становится легче и не опускается на дно, а остается в верхней части пробирки. Течения теплой воды и перемешивание слоев будут происходить в верхней части пробирки и не захватят нижних более плотных слоев. Нагревание может передаваться вниз лишь путем теплопроводности, но теплопроводность воды чрезвычайно мала.

Греет ли шуба ?

Что сказали бы вы, если бы вас стали уверять, будто шуба нисколько не греет? Вы подумали бы, конечно, что с вами шутят. А если бы вам стали доказывать это утверждение на ряде опытов? Проделайте, например, такой опыт. Заметьте, сколько показывает термометр, и закутайте его в шубу. Через несколько часов выньте. Вы убедитесь, что он не нагрелся даже на четверть градуса: сколь показывал раньше, столько показывает и теперь. Вот и доказательство, что шуба не греет. Вы могли бы заподозрить, что шубы даже холодят. Возьмите два пузыря со льдом, один закутайте в шубу, другой оставьте в комнате незакрытым. Когда лед во втором пузыре растает, разверните шубу: вы увидите, что здесь он почти и не начинал таять. Значит, шуба не только не согрела льда, но как будто даже холодила его, замедляя таяние!

Что можно возразить? Как опровергнуть эти доводы? Никак. Шубы действительно не греют, если под словом „греть“ разуметь сообщение теплоты. Лампа греет, печка греет, человеческое тело греет, потому что все эти предметы являются источником теплоты. Но шуба в этом смысле слова нисколько не греет. Она своего тепла не дает, а только мешает теплоте нашего тела уходить от него . Вот почему теплокровное животное, тело которого само является источником тепла, будет чувствовать себя в шубе теплее, чем без нее. Но термометр не порождает собственного тепла, и его температура не изменится от того, что мы закутаем его в шубу. Лед, обернутый в шубу, дольше сохраняет свою низкую температуру, потому что шуба—весьма плохой проводник теплоты—замедляет доступ к нему тепла извне, от комнатного воздуха.

В таком же смысле, как шуба, снег греет землю; будучи, подобно всем порошкообразным телам, плохим проводником тепла, он мешает теплу уходить из покрытой им почвы. В почве, защищенной слоем снега, термометр показывает нередко градусов на десять больше, чем в почве, не покрытой снегом.

Итак, на вопрос, греет ли нас шуба, надо ответить, что шуба только помогает нам греть самих себя. Вернее было бы говорить, что мы греем шубу, а не она нас.

Веер.

Когда женщины обмахиваются веерами, им, конечно, становится прохладнее. Казалось бы, что занятие это вполне безвредно для остальных присутствующих в помещении и что собравшиеся могут быть только признательны женщинам за охлаждение воздуха в зале.

Посмотрим, так ли это. Почему при обмахивании веером мы ощущаем прохладу? Воздух, непосредственно прилегающий к нашему лицу, нагревается и эта теплая воздушная маска, невидимо облегающая наше лицо, „греет“ его, т. е. замедляет дальнейшую потерю тепла. Если воздух вокруг нас неподвижен, то нагревшийся близ лица слой воздуха лишь весьма медленно вытесняется вверх более тяжелым ненагретым воздухом. Когда же мы смахиваем веером с лица теплую воздушную маску, то лицо соприкасается с все новыми порциями ненагретого воздуха и непрерывно отдает им свою теплоту; тело наше остывает, и мы ощущаем прохладу.

Значит, при обмахивании веером женщины непрерывно удаляют от своего лица нагретый воздух и заменяют его ненагретым; нагревшись, этот воздух удаляется в свою очередь и заменяется новой порцией ненагретого, и т. д.

Работа веером ускоряет перемешивание воздуха и способствует быстрейшему уравниванию температуры воздуха во всем зале, т. е. доставляет облегчение обладательницам веера за счет более прохладного воздуха, окружающего остальных присутствующих. Для действия веера имеет значение еще одно обстоятельство, о котором мы сейчас расскажем.

Отчего при ветре холоднее ?

Все знают, что в тихую погоду мороз переносится гораздо легче, чем при ветре. Но не все представляют себе причину этого явления. Большой холод при ветре ощущается лишь живыми существами; термометр вовсе не опускается ниже, когда его обдувает ветер. Ощущение резкого холода в ветреную морозную погоду объясняется прежде всего тем, что от лица (и вообще от тела) отнимается при этом гораздо больше тепла, нежели в тихую погоду, когда воздух, нагретый телом, не так быстро сменяется новой порцией холодного воздуха. Чем ветер сильнее, тем большая масса воздуха успевает в течение минуты прийти в соприкосновение с кожей, и, следовательно, тем больше тепла отнимается ежеминутно от нашего тела. Этого одного уже достаточно, чтобы вызвать ощущение холода.

Но есть и еще причина. Кожа наша всегда испаряет влагу, даже в холодном воздухе. Для испарения требуется теплота; она отнимается от нашего тела и от того слоя воздуха, который к телу прилегает. Если воздух неподвижен, испарение совершается медленно, т. к. прилегающий к коже слой воздуха скоро насыщается парами. Но если воздух движется и к коже притекают все новые и новые его порции, то испарение все время поддерживается очень обильное, а это требует большого расхода теплоты, которая отбирается от нашего тела.

Как же велико охлаждающее действие ветра? Оно зависит от его скорости и от температуры воздуха; в общем оно гораздо значительнее, чем обычно думают. Приведу пример, дающий представление о том, какого бывает это понижение. Пусть температура воздуха +4, а ветре нет никакого. Кожа нашего тела при таких условиях имеет температуру +31. Если же дует легкий ветерок, едва движущий флаги и не шевелящий листвы(скорость 2 м/сек ), то кожа охлаждается на 7 градусов; при ветре, заставляющем флаг полоскаться(скорость 6м/сек ), кожа охлаждается на 22 градуса: температура ее падает до 9 градусов! Эти данные взяты из книги Н. Н. Калитина „Основы физики атмосферы в применении к медицине“; любознательный читатель найдет в ней много интересных подробностей.

Итак, о том, как будет ощущаться нами мороз, мы не можем судить по одной лишь температуре, а должны принимать во внимание также и скорость ветра. Один и тот же мороз переносится в Ленинграде в среднем хуже, чем в Москве, потому что средняя скорость ветра на берегах Балтийского моря равна 5-6 м/сек, а в Москве—только 4,5 м/сек. Еще легче переносятся морозы в Забайкалье, где средняя скорость ветра всего 1,3 м/сек. Знаменитые восточносибирские морозы ощущаются далеко не так жестоко, как думаем мы; Восточная Сибирь отличается почти полным безветрием, особенно в зимнее время.

Какую жару способны мы переносить ?

Человек гораздо выносливее по отношению к жаре, чем обыкновенно думают: он способен переносить в южных странах температуру заметно выше той, какую мы в умеренном поясе считаем едва переносимой. Летом в Средней Австралии нередко наблюдается температура +46 градусов в тени; там отмечались температуры даже +55 градусов в тени (по Цельсию). При переходе через Красное море и Персидский залив температура в корабельных помещениях достигает +50 градусов и выше, несмотря на непрерывную вентиляцию.

Наиболее высокие температуры, наблюдавшиеся в природе на земном шаре, не превышали +57. Температура эта установлена в так называемой „Долине Смерти“ в Калифорнии. Зной в Средней Азии—не бывает выше +50 градусов.

Отмеченные сейчас температуры измерялись в тени. Почему метеоролога интересует температура именно в тени, а не на солнце? Дело в том, что температуру воздуха измеряет только термометр, выставленный в тени. Градусник, помещенный на солнце, может нагреться его лучами значительно выше, чем окружающий воздух, и показание его нисколько не характеризует теплового состояния воздушной среды. Поэтому и нет смысла, говоря о знойной погоде, ссылаться на показание термометра, выставленного на солнце.

Производились опыты для определения высшей температуры, какую может выдержать человеческий организм. Оказалось, что при весьма постепенном нагревании организм наш в сухом воздухе способен выдержать не только температуру кипения воды ( 100 градусов), но иногда даже еще более высокую, до 160 градусов по Цельсию, как доказали английские физики Благден и Чентри, проводившие ради опыта целые часы в натопленной печи хлебопекарни. „Можно сварить яйца и изжарить бифштекс в воздухе помещения, в котором люди остаются без вреда для себя“,— замечает по этому поводу Тиндаль.

Чем же объясняется такая выносливость? Тем, что организм наш фактически не принимает этой температуры, а сохраняет температуру, близкую к нормальной. Он борется с нагреванием посредством обильного выделения пота; испарение пота поглощает значительное количество тепла из того слоя воздуха, который непосредственно прилегает к коже, и тем в достаточной мере понижает его температуру. Единственные необходимые условия состоят в том, чтобы тело не соприкасалось непосредственно с источником тепла и чтобы воздух был сух.

Кто бывал в Средней Азии, тот замечал, как сравнительно легко переносится там жара в 37 градусов Цельсия и более. 24-градусная жара в Ленинграде переносится гораздо хуже. Причина, конечно, во влажности воздуха в Ленинграде и сухости его в Средней Азии, где дождь – явление крайне редкое ( в июне влажность доходит до нуля).

Почему пламя не гаснет само собой ?

Если вдуматься хорошенько в процесс горения, то невольно возникает вопрос: отчего пламя не гаснет само собой? Ведь продуктами горения являются углекислый газ и водяной пар—вещества негорючие, неспособные поддерживать горение. Следовательно, пламя с первого же момента горения должно быть окружено негорючими веществами, которые мешают притока воздуха; без воздуха горение продолжаться не может, и пламя должно погаснуть.

Почему же этого не происходит? Почему горение длиться непрерывно, пока есть запас горючего вещества? Только потому, что газы расширяются от нагревания и, следовательно, становятся легче. Лишь благодаря этому нагретые продукты горения не остаются на месте своего образования, в непосредственном соседстве с пламенем, а немедленно же вытесняются вверх чистым воздухом. Если бы закон Архимеда не распространялся на газы(или если бы не было тяжести), всякое пламя, погоревши немного, гасло бы само собой.

Весьма легко убедиться в том, как губительно действуют на пламя продукты его горения. Вы нередко пользуетесь этим, сами того не подозревая, чтобы загасить огонь в лампе. Как задуваете вы керосиновую лампу? Дуете в нее сверху, т. е. гоните вниз, к пламени, негорючие продукты его горения; и оно гаснет, лишенное свободного доступа воздуха.

Горячий лед.

Есть еще более удивительная вещь: горячий лед. Мы привыкли думать, что вода в твердом состоянии не может существовать при температуре выше нуля. Исследования английского физика Бриджмена показали, что это не так: под весьма значительным давлением вода переходит в твердое состояние и остается такой при температуре значительно выше нуля. Вообще Бриджмен показал, что может существовать не один сорт льда, а несколько. Тот лед, который он называет „льдом № 5“, получается под чудовищным давлением в 20 600 атмосфер и остается твердым при температуре +76 градусов по Цельсию. Он обжег бы нам пальцы, если бы мы могли до него дотронуться. Но прикосновение к нему невозможно: лед №5 образуется под давлением мощного пресса в толстостенном сосуде из лучшей стали. Увидеть его или взять в руки нельзя, и о свойствах „горячего льда“ узнают лишь косвенным образом.

Любопытно, что „горячий лед“ плотнее обыкновенного, плотнее даже воды: его удельный вес 1,05. Он должен был бы тонуть в воде, между тем как обыкновенный лед в ней плавает.

Используемая литература:

1. Перельман Я. И. „Занимательная физика“. Изд.»Тезис» Екатеринбург 1994г.

ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ

ФИЗИКА

РЕФЕРАТ

Тепловые явления.

Обадьянов Виталий, 8 Б класс, школа № 125

г. Екатеринбург, 2002 г.

ronl.org