Теплова теорія температури, абсолютний нуль; більше

Тепло має детонуючу дію, збільшує кровотік, надає знеболюючий ефект і, у випадку хронічного, неактивного запалення, часто є протизапальним. М’язовий тонус знижується теплом і тривалим холодом. Термотерапія - це застосування різного нагрівання до пацієнта. Але що саме означає «тепло»? Як нагрівається тіло, як транспортується тепло?

температури

Температура - це фізична величина, з якої можна зробити твердження про такі властивості речовин:

Теплова рівновага - якщо два тіла мають однакову температуру, між ними не відбувається теплообміну. Якщо температури різняться, тепло тече від теплого до більш холодного тіла, поки не встановиться рівновага.)

Вимірювання середньої кінетичної енергії в газах
Властивості речовин, які залежать від температури - приклади: термічне розширення речовин, щільність, електричний опір

Основна одиниця (одиниця Si) температури наведена в Кельвінах [K]. Однак ° C також поширена в європейських країнах. Це відповідає 1 ° C = 274,15 K.

Коли була створена шкала Цельсія, астроном Андерс Цельсій визначив фіксовані точки. Він сказав, що при 0 ° С - температура кипіння чистої води, а при 100 ° С - температура плавлення чистого льоду. Змінення температури замерзання та кипіння було визначено лише після його смерті і є основою для сьогоднішніх вимірювань температури.

Абсолютний нуль

Згідно з визначенням, абсолютний нуль - це найнижча температура, яку все ще можна виміряти, і дорівнює нулю Кельвіна (= -273,15 ° C). Теорія полягає в тому, що чим повільніше в ньому рухаються частинки, тим холодніше стає газ. При абсолютному нулі рух частинок дорівнює нулю. Отже, ніяких негативних температур за шкалою абсолютних температур (шкала Кельвіна) не можна досягти.

Теплові рівняння стану для газів

Ідеальні гази пропорційні між тиском і температурою. Наступні закони описують взаємозв'язок між двома величинами, тоді як інші величини, що беруть участь, залишаються незмінними:

Закон Бойля-Маріотта

Якщо тиск підвищують до ідеального газу, об’єм газу зменшується при постійній температурі та кількості речовини, або тиск обернено пропорційний об’єму:

Закон Гейла-Люссака

Об'єм ідеальних газів пропорційний температурі за умови, що кількість речовини і тиск є постійними.

Закон Амонтонів

Коли ідеальний газ нагрівається, тиск збільшується; коли він охолоджується, тиск зменшується.

Коефіцієнт теплового розширення

Різні речовини по-різному розширюються при підвищенні температури. Відповідальним ефектом є термічне розширення. Це не завжди відбувається рівномірно і підрозділяється на:

Лінійний коефіцієнт теплового розширення

Це вказує на зміну довжини, на яку тканина змінюється відносно загальної довжини.

α	Коефіцієнт лінійного розширення [10 -6/K] при 20 ° C
Л.	Довжина [м]
ΔL	Зміна довжини [м]
ΔT	Зміна температури [K]

Об'ємний коефіцієнт розширення/кубічний коефіцієнт розширення

Це вказує на зміну об’єму тіла порівняно із загальним об’ємом, коли воно нагрівається одним кельвіном.

γ	Кубічний коефіцієнт розширення [10 -3/K] при 20 ° C
V0	Об'єм перед нагріванням [м³]
δV	Зміна обсягу [м³]
δT	Зміна температури [K]

Вимірювання температури

Через температурну залежність різних властивостей матеріалу ці залежні змінні можна використовувати для вимірювання температури:

Рідинний термометр

Рідина - зазвичай ртуть або кольоровий спирт - знаходиться в тонкій пробірці з прикріпленим накипом. Температуру можна виміряти за рахунок розширення та зменшення об’єму при нагріванні або охолодженні рідини. Вода не підходить через так звану аномалію води.

Газовий термометр

У тонкій трубці, подібній до рідинного термометра, є крапля ртуті, яка закриває простір, в якому знаходиться газ. Цей газ розширюється при нагріванні або зменшується його об’єм при охолодженні.

Біметалевий термометр

Розширення при нагріванні різниться від речовини до речовини. Спіральна біметалева смужка, що складається з двох різних металів, прикріплена до покажчика. При нагріванні два метали по-різному розширюються, внаслідок чого вказівник відхиляється.)

Електронний термометр/термометр опору

Температурна залежність електричного опору, особливо з напівпровідниковими матеріалами, дуже висока. Застосовується наступне: Опір термістора NTC зменшується із підвищенням температури. Зменшення опору збільшує струм потоку, що дає міру зміни температури.

Термічні фарби

Так звані теплові кольори змінюють свій колір або випромінюють світло при певних перепадах температури.

тепло

Збільшення температури викликає збільшення кінетичної енергії найдрібніших її частинок. Зігрівання означає додавання енергії, охолодження означає видалення енергії.
Тепло - особливий вид енергії. Відповідно до закону збереження енергії, внутрішню енергію можна отримати лише шляхом перетворення з інших видів енергії. Наприклад, від механічної, електричної, хімічної або ядерної енергії.

Примітка: Енергію не можна втратити, вона може бути перетворена лише з однієї форми енергії в іншу. (Див. Статтю Механіка I)

Тепло та внутрішня енергія повинні розглядатися як еквівалентні іншим формам енергії і принаймні частково перетворюються один на одного.

Тепло, яке поглинає тіло, пропорційне масі та зміні температури тіла. Питома теплоємність, як правило, вказує кількість тепла, необхідне для нагрівання одного кілограма цієї речовини на один кельвін. Калориметр можна використовувати для визначення питомої теплоємності, тобто зміни тепла в тілі і, отже, зміни його внутрішньої кінетичної енергії (калориметр теплового потоку, калориметр теплового балансу, адіабатичний калориметр)

Розрахунок тепла визначається наступним чином:

Тепло, що поглинається або виділяється тілом, дорівнює добутку питомої теплоємності, маси тіла та різниці температур.

Тепловіддача

Якщо джерело тепла подає певну кількість тепла за певний інтервал часу, то його теплопровідність є часткою тепла та інтервалом часу:

Тепловий потік

Тепло може передаватися трьома різними способами: за допомогою теплопровідності, теплового потоку (конвекції) і за допомогою теплового випромінювання. Тепло передається від одного тіла до більш холодного.

Якщо тіло нагрівається в одній точці, щільність рідини в цій точці зменшується в результаті підвищення температури. Через плавучість нагріта частина рідини піднімається вгору, а більш холодна частина рідини опускається вниз. Це призводить до транспортування цілих обсягів рідини, що несуть із собою теплову енергію.

У людини існує навіть постійний теплообмін із навколишнім середовищем за допомогою наступних чотирьох механізмів.

Проведення (передача тепла через прямий контакт)

Тут спека мігрує з місць з більш високою температурою в сусідні (суміжні) місця з нижчою температурою. Передача відбувається шляхом пересилання кінетичної енергії від молекули до молекули.

Конвекція (теплообмін через середовище (повітря, вода))

Рух частинок у рідинах та газах також визначається як конвекція. У контексті терморегуляції людини це важливий фактор для виділення тепла тіла.
Конвекційний транспорт транспортує гази крові по тілу через кровотік.

Випромінювання (теплове випромінювання від електромагнітних хвиль)

Якщо теплова енергія передається від більш теплого до більш холодного тіла без участі проміжного середовища, це говорить про теплове випромінювання. Теплові промені випромінюються не лише з теплих тел, що випромінюють світло, але і з тіл, що не випромінюють світла, як тільки їх власна температура перевищує температуру навколишнього середовища. Якщо теплові промені потрапляють на тіло при більш низькій температурі, вони нагрівають його.

Випаровування (втрата тепла через випаровування)

Випаровування відбувається через шкіру у вигляді поту.

Основний закон термодинаміки

В.	виконана робота [J]
H	Ентальпія [J]
U	внутрішня енергія, без одиниць
стор	тиску
V	гучність

Стан газу характеризується трьома змінними стану: тиск, об’єм і температура. Зміни у двох або всіх змінних стану називаються змінами стану. Чітко визначена величина внутрішньої енергії належить кожному стану системи. Для цього використовується перший закон термодинаміки. Застосовується наступне:

Якщо Q - подана теплова енергія, W - виконана механічна робота, а ΔU - зміна внутрішньої енергії, тоді:

При ідеальних газах механічна робота спричиняє зміну об’єму. Подана теплова енергія призводить до збільшення внутрішньої енергії та збільшення обсягу. Вся енергія, присутня в системі, називається внутрішньою. Це функція стану, яка залежить лише від стану змінних тиску, об’єму та температури. Зміна внутрішньої енергії визначається лише початковим та кінцевим станами.

Сума внутрішньої енергії і добутку тиску і обсягу називається ентальпією. Добуток тиску і об'єму відповідає роботі переміщення:

Проведення

Оскільки теплопровідність є особливо важливою темою в медицині, вона буде детально розглянута в цьому розділі.
Найпростіший вид теплообміну - теплопровідність. Як уже зазначалося, це відбувається через сусідні речовини, з яких тепліша речовина віддає свою енергію більш холодній.

Теплопровідність відбувається виключно в речовині і вимагає наявності градієнта температури. Різні матеріали мають різну теплопровідність. Ця теплопровідність виражається коефіцієнтом теплопровідності. Коефіцієнт теплопровідності вказує кількість тепла, яке протікає за одиницю часу через куб з довжиною ребра 1м між двома протилежними бічними поверхнями, між якими існує різниця температур в один Кельвін. Інші поверхні куба повинні бути повністю непроникними для нагрівання.

Теплопровідність речовин також може бути показана стосовно конкретної речовини. Потім отримують відносну провідність.

Метали, як правило, є хорошими провідниками тепла. Поганими теплопровідниками є гази, шерсть, папір та багато іншого. Ці погані теплопровідники використовуються як теплоізоляційні матеріали.

У медицині різні теплові терапії застосовуються для поліпшення та підтримання функції опорно-рухових органів, для зміцнення та розслаблення м’язів, поліпшення трофіки або полегшення болю.

набрякати

Gonsior, Physik für Mediziner, Schattauer Verlag, 1994, 2-е видання

Seibt, Physik für Mediziner, Springer Verlag, 2009, 6-е видання

Вступ до фізики I, сценарій, О. фон дер Люе та У. Ландграф

Правильні відповіді: 1А (крива тиску пари), 2С (абсолютна температура обчислюється з температури Цельсія, додаючи 273 К), 3С (два літри води відповідають масі 2 кг)