| Головна » Статті » Фізика | [ Додати статтю ] |
Методи термометрії і калориметрії
|
П л а н : 1. Термометрія. 2. Термометри та вимір температури. 3. Калориметрія. 4. Методи калориметрії. 5. Калориметр Спіннлера. 6. Переваги та недоліки калориметрів. Термометрія (грец. therme теплота, жар + metreo міряти, вимірювати) - сукупність метопів і способів виміру температури, у тому числі в медицині вимір температури тіла людини. Вимір температури - це порівняння ступеня нагрітості досліджуваного об'єкта зі стандартною шкалою температур. Стосовно до середніх значень - найбільше поширення одержала шкала температур Цельсій обумовлена двома реперними крапками - температурою кипіння і температурою замерзання води (танення льоду) при нормальному атмосферному тиску яким відповідають відповідно сто і нуль одиниць, називаних градусами Цельсія (°С). По розмірі градус Цельсій дорівнює одному градусу Кельвіна (ºК), що є основною одиницею виміру температури. Шкала Цельсія прийнята в гнітючому числі країн, однак у США і Великобританії продовжують користатися шкалою Фаренгейта з одиницею виміру градус Фаренгейта (°F); температура по Фаренгейтові (t) і температура по Цельсію (t) зв'язані залежністю t = 32 + l,8t. Усі методи виміру температури поділяє на контактні, засновані на передачі тепла приладу визначаючому температуру шляхом безпосереднього контакту, і безконтактні, коли передача тепла приладу здійснюється шляхом радіації через проміжне середовище, звичайно через повітря. Контактні методи дозволяють вимірювати температуру при збереженні взаєморозміщення термоприймача й об'єкта в умовах руху останнього, проводити виміру в будь-яких крапках усередині об'єкта, куди можна пронести термоприймач. Безконтактні методи дають можливість вимірювати температуру об'єктів, контакт із який неприпустимий, об'єктів малих розмірів, тепловий контакт із який утруднений чи нездійсненний, досліджувати розподілі температури на поверхні тіла. Контактним методам властиві погрішності, обумовлені зміною температури об'єкта внаслідок перекручування його температурного полючи внесеним термоприймачем, а також неминучою різницею температур термоприймача й об'єкта в результаті теплообміну термоприймача з навколишнім середовищем. У сталому тепловому режимі, коли температури об'єкта і термоприймача стабілізовані, ці погрішності є статистичними. При несталому тепловому режимі додатково виникає динамічна погрішність виміру, зв'язана з тепловою інерцією термоприймача. Зниження погрішностей забезпечується застосуванням більш раціональних методик виміру температури, конструкцій термоприймачів і т.д.. Безконтактним методам виміру температури властиві погрішності, зв'язані з тим, що фізичні закони, що лежать в основі цих методів, справедливі лише для абсолютно чорного випромінювача, від якого по властивостях випромінювання відрізняються всі реальні фізичні випромінювачі (тіла і середовища), Відповідно до закону Кірхгофа будь-яке фізичне тіло випромінює енергії менше ніж чорне тіло, нагріте до тієї ж температури. Тому безконтактні приладу для виміру температури, відградуйовані по чорному випромінювачі, покажуть меншу температуру, чим дійсна. Прилади для виміру температури (термометри) включають ланка передачі тепла від досліджуваного об'єкта до первинного перетворювача, первинний чи перетворювач термосприймаюча ланка, ланка перетворення параметра стану первинного перетворювача в безпосередньо відображувану фізичну величину, ланку відображення. Відповідно термометри розрізняються по характері передачі тепла від об'єкта до термосприймаючі ланки (контактні і безконтактні); по виду перетворення теплової енергії в термосприймаючій ланці. При цьому використовуються різні температурно-залежні властивості речовин: теплове розширення твердих тіл (дилатометричні, біметалічні термометри), рідких тіл (ртутні, спиртові й ін.) і газів (манометричні термометри), питомий електричний опір, термоелектричний ефект (термоелектричні термометри). У термометрах використовуються і різні способи відображення результатів (положення меніска чи рідини стрілки щодо нерухомої шкали, цифрова індикація, графічна реєстрація, візуалізація теплового полючи об'єкта на екрані електронно-променевої трубки і т, д.).У медицині в біології термометрія широко використовується для виміру температури тіла, температури середовищ і предметів, з якими контактує людині, а також у клініко-діагностичних, макробіологічних, фізіологічних і біохімічних дослідженнях, кріобіології, кріотерапії, фізіотерапії, бальнеотерапії, космічній і авіаційній медицині й ін. Головне місце при вимірах температури в медичній практиці займає контактна термометрія, основним достоїнством якої є надійність передачі тепла від об'єкта термосприймаючій ланці термометра. Однак принципова можливість нагрівання термоприймача до температури досліджуваного об'єкта часто обмежується різними методичними і конструктивними факторами. При вимірі температури тіла, напр. у місці контакту термощупа з тілом, мають місце локальні і1 зміни кровотоку, потовиділення, що змінюють температуру в місці виміру; температура термощупа встановлюється не відразу, а по і стіканні перехідного процесу. Для виміру температури тіла використовують медичний ртутний термометр, що відноситься до рідинних термометрів, принцип дії яких заснований на тепловому розширенні рідин. Ртутний термометр являє собою прозорий скляний резервуар з упаяними шкалою і капіляром, що має на кінці розширення, заповнене ртуттю. Температурний коефіцієнт розширення ртуті приблизно в 500 разів більше температурного коефіцієнта розширення скла, що забезпечує помітне переміщення ртутного стовпа в капілярі при відносній незмінності розмірів останнього. Діапазон виміру температури складає 34-42°. ціна розподілу 0,1. Ртутний термометр діє за принципом максимального термометра: ртутний стовпчик залишається в капілярі на рівні найвищого підйому при нагріванні й опускається тільки при струшуванні. Це досягається введенням у капіляр штифта, що перешкоджає зворотному руху ртуті; інший кінець штифта упаяний у дно резервуара. Ртутний термометр використовується для виміру температури в пахвовій западині, паховій складці, прямій кишці, ротовій порожнині. Локальні виміри температури виконуються за допомогою элоктротермометрії (вимір температури тіла электротермометрами). Використовуються крапкові термощупы, що мають площу контакту з досліджуваним об'єктом 1 -2 мм2. Їх термосприймаючою ланкою є терморезистор - напівпровідниковий резистор, електричний опір якого залежить від температури. Через малі розміри і масу він обкладає малою тепловою інерцією. Электротермометри широко використовуються для сегментарної термометрії, а також для тривалих спостережень за температурою тіла під час хірургічних операцій, у важкохворих, в умовах реанімації. При тривалих спостереженнях термощупы звичайно вводять у пряму кишку, іноді в стравохід, Температуру в порожнині шлунково-кишкового тракту в ряді випадків вимірюють телеметрично за допомогою проковтуваною обстежуваним радіокапсули, що представляє собою мініатюрний радіопередавач, з'єднаний з датчиком температури. Термосприймаючою ланкою датчика служить сегнетокерамічний елемент, діелектрична проникність якого змінюється в залежності, від температури, обумовлюючи відповідні зміни частоти переданих коливанні. Ці коливання сприймаються прийомним пристроєм, що знаходиться поза тілом обстежуваного. Для одержання термотопографічної картини окремих областей тіла застосовують безконтактну термографію, засновану на сприйнятті спеціальними датчиками інфрачервоного випромінювання з поверхні тіла, чи контактну рідкокристалічну термографію, в основі якої лежить властивість рідких кристалів змінювати колір при вимірі температури контактуючої середовища. Калориметрія (лат. calor тепло + греч. metreo міряти, намірювати) - вимір кількості тепла, виділеного у ході різних фізичних, хімічних чи біологічних процесів. Калориметрія біологічних і біохімічних процесів (біокалориметрія) дозволяє кількісно характеризувати енергетичні і теплові, ефекти окремих біохімічних реакцій, діяльність клітинних органел і кліток, тканин і органів, організму в цілому. Відповідно до пакетів термодинаміки потенційна енергія хім. з'єднанні, що беруть участь і обмін речовин, виражаються їхню тепломісткість каплям, чи ентальпією. У процесі багатоступінчастого розпаду цих з'єднанні енергія хімічних зв'язків або розсіюється у виді тепла (первинна теплота), або переходить у різні види роботи (скорочення м'язів, активний транспорт іонів, люмінесценція, осмос, електричні явища й ін.) і також перетворюється в тепло (вторинна теплота;; частина енергії використовується на процеси ресинтезу біохімічних з'єднань. Тепловий ефект хімічних реакцій залежить тільки від стану вихідної речовини і кінцевих продуктів (закон Гесса, 1840). В організмі тепло не може переходити в інші види енергії, і зв'язку з чим тепло, виділюване живі об'єктом, є кінцевим продуктом енергетичних перетворень, а кількість його - їхньою точною мірою.При калориметричних дослідженнях виміряються величини теплових потоків від живого об'єкта в навколишнє середовище і розраховується кількість виробленого тепла і тепломісткість організму; вимір тепломісткості знаходять на підставі даних про масу, теплоємність і зміну температури об'єкта. Одиницями виміру тепла, є калорія (ккал) чи джоуль (Дж) по Міжнародній системі одиниць (СИ): 1 ккал = 4,187 • 103 Дж. Питома тепліла виміряється, у ккал/кг або Дж/кг; тепловий, потік - у ккал/м3 чи година Вт/м3. Початок біокалориметрії тварин і людину відносять до досліджень A. Лавуазьє, Лапласа які проводили виміру теплового і газового обміну в морських свинок крижаному калориметрі. Протягом наступного сторіччя роботами Сенатора, Розенталя, і інших дослідників методика і техніка калориметричних досліджень були значно удосконалені. У лабораторії В.В. Пашутина (1883, 1893) були розроблені калориметри для дослідження теплового обміну у тварин і людини, у яких про кількість продукованого тепла судили по підвищенню температури води в зовнішній (водяної) оболонці калориметра. У цих установках були створені фізіологічні умови для перебування випробуваних протягом тривалого досвіду і значно підвищена точність вимірів. Подальший розвиток методик біокалориметрії йшло в напрямку підвищення чутливості приладів, збільшення точності виміру потоків тепла л розробки установок і систем, що дозволяють досліджувати тепловий обмін тварин і людини в природних умовах його життя і роботи. Тепловий потік між внутрішньою і зовнішньою оболонками калориметра при постійному температурному режимі пропорційний теплопровідності середовища, що розділяє оболонки, і різниці температур між ними. Виділяють кілька основних типів калориметрів: ізотермічні, компенсаційні, адіабатичні, градієнтні, динамічні і мікрокалориметри. Принцип роботи компенсаційних калориметрів полягає в наступному, аналогічно розташовані і теплоізольовані калориметричні камери, в одну з яких міститься досліджуваний об'єкт, а в іншу (контрольну) - джерело тепла, звичайно фізичної природи. Спеціальний пристрій реєструє в ході досвідів різниця температур між оболонками обох калориметрів і автоматично підтримує ці температури на однаковому рівні, відповідно підігріваючи контрольний калориметр, Т.о. як би компенсуються будь-які, у т.ч. і важко враховані, тепловтрати в навколишнє середовище. Знаючи кількість тепла; виділяючійся в контрольній камері і необхідне для зрівноважування температур, і думаючи, що тепловіддача обох калориметрів однакова, можна визначити кількість тепла, виділеного досліджуваним об'єктом. Починаючи з досліджень Тангля і Хари компенсаційні калориметри одержали відносно широке поширення, однак громіздкість і висока вартість цих приладів, неможливість забезпечення повної ідентичності теплообміну для обох калориметричних камер і деякі інші причини обмежили їхнє застосування. У мікрокалориметричних установках перераховані недоліки відсутні. Комбінацію ізотермічного і компенсаційного калориметрів, що дозволяє досліджувати тепловиділення дріжджів, культур мікробів, немовлят тваринних і інших об'єктів, запропонували Кальве і Прат. Їхній прилад складається з двох мікрокалориметричних камер, одна з яких будь робочим калориметром, а друга - контрольним. Тепло виводиться з робочої камери і розсіюється ь Металевому блоці, у якому рівномірно розподілено близько 1800 термопар. Контрольний калориметр служить лише для забезпечення сталості експериментального "нуля" при зміні температури зовнішньої оболонки і компенсації у робочому калориметрі; точність такого роду калориметрів досягає 1%. Теплова інертність приладів і залежність теплообміну в калориметрі від зміні температури в навколишнім середовищі були в значній мірі переборені в градієнтних калориметрах. Внутрішня поверхня їхньої калориметричної камери покрита тонким рівномірним шаром ізолюючого матеріалу. Градієнт температури внутрішньо і зовнішньої поверхні шаруючи пропорційній швидкості проведення тепла від досліджуваного об'єкта розміщеного усередині калориметричної камери. Перехід від одного рівня тепловіддачі до іншого приводить до швидкого підвищення або зниженню градієнта. Градієнт температури і швидкість його зміни залежать від товщини ізолюючого шару. Середня величина температурного градієнта незалежна від розміру, форми і розташуванні джерела тепла і від шляхів утрати тепла організмом. У 1973 р. Спіннлер описав калориметр для людини з новим типом градієнтного шаруючи, що дозволяє довгостроково з високою точністю реєструвати тепловіддачу, як з поверхні шкіри, так і за рахунок подиху. Розміри калориметричної камори 182 X 75.5 X 136 див. Ізолюючий шари виготовлений з епоксидної смоли товщиною 2.4. мм. с мідним або нікелевим контурами на внутрішньої п зовнішньої сторонах градієнтного шаруючи. Т. к. електричний опір контурів є функцією температури, те тепловий потік вимірявся на підставі різниці опорів ланцюгів, включених у схему моста Уитсона.Одержали поширення калориметри градієнтного типу представляючі собою костюм, що тісно облягає тіло людини і дозволяючий йому вільно пересувається. Ці калориметри (скафандри) створені в комплексі і на основі спеціальних засобів, що ізолюють людини від дії шкідливих різних факторів навколишнього середовища. Розроблено метод прямої калориметрії людини в ізолюючих засобах захисту. Датчик виміру тепловиділенні людини виконаний у виді нагельної білизни в трикотажну кістяку якого включаються термочутливість елементи. Один з датчиків щільно прилягає до тіла людини, іншої контактує з навколишнім середовищем. Ці елементи розділені шаром ізолюючого матеріалу (градієнтним шаром). Xоди і Касирк запропонували використовувати в якості градієнтного калориметра підводний гермокостюм, постачений датчиками і закриваючою поверхнею тіла, за винятком липа, кистей рук і стіп. Однак такі ізолюючі костюми мають не статок, тому що в них залишаються не покритими голова і дистальні відділи кінцівок що може значно впливати на тепловий обмін. Динамічні калориметричні камери виготовляють з тонкого, що добре проводить тепло матеріалу, що дає можливість проводити вимірі інтенсивності тепловиділення у тварин за короткі відрізки в плині тривалого часу. У динамічному калориметрі температура навколишнього середовища може мінятися довільно в широких проділах за рахунок зміни температури термостатичної оболонки калориметра, що грає для камери роль навколишнього середовища. Прилад забезпечений системами вентиляції, газового аналізу. Калориметри мають високу чутливість, малої інерційністю і дозволяють проводити, вимірі теплового потоку з точністю до 2% . Підвищення чутливості калориметрів з віддало передумови до створення мікрокалориметрів, за допомогою яких визначається виділення тепла в ході біохімічних реакцій, культурами мікроорганізмів і т.п.. До мікрокалориметрів можна віднести калориметр Кальве і Прата. У термоелектричному диференціальному калориметрі Н. И. Путилина (1909) висока чутливість при відносно низкою інерціністю дозволяє вимірювати тепло продукт по ізольованих м'язів у часі. Бензингер запропонував градієнтний мікрокалориметром, здатний уловлювати ті пли, виділюване мікроорганізмами, вивчати теплову енергію при гідролізі АТФ, при реакції антигенів з антитілами й ін. Для характеристики стабільного теплового обміну людини необхідне створення умов так наз. термічного комфорту, т. е, сукупності умов повітря і променистого тепла, у яких людина суб'єктивно випробує приємне тепло, утримує нормальний тепловий обмін, зберігає нормальну температуру свого тіла і не виділяє поту. За допомогою калориметрії показана належність закону збереження і перетворення енергії і другого початку термодинаміки до живих організмів, можливість і границі застосування газового обміну (непряма калориметрія) для характеристики енергетичного обміну тварин і людини в умовах норми і патології. Калориметричні дослідження необхідні для повчання балансу чи організму його частин при ендогенних і екзогенних порушеннях теплового обміну. Л і т е р а т у р а : 1. Ремизов А. Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высш. школа, 1987. 2. Ливенцев Н. М. Курс физики, Т.2. – М.: Высш. школа, 1978. 3. Большая медицинская энциклопедия, - т. 11. | |
| Переглядів: 856 | |
| Всього коментарів: 0 | |