информационный портал по вопросам биомедицинской инженерии

Сейчас на сайте 0 пользователей и 0 гостей.

Вход в систему

аватар: Макарова Мария Сергеевна
Макарова М. С. - БМП-109
 
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОПРОДУКЦИИ И   ТЕПЛООБМЕНА
1. Введение
 
Тело человека имеет относительно стабильную температуру благодаря биохимическим процессам теплопродукции и действию системы терморегуляции, существенным элементом которой является теплообмен с окружающей средой. Теплообмен происходит посредством теплопроводности, конвекции, испарения, тепломассопереноса и излучения. Процентный вклад перечисленных процессов в суммарный энергообмен составляет:
 
-   теплопроводность – ~ 1% (определяется низкой теплопроводностью воздуха);
-       конвекция (в условиях умеренного климата) – 15…20%;
-       тепломассоперенос – ~ 4%;
-       испарение (в основном с поверхности кожи и легких) – ~ 30%;
-       излучение во внешнюю среду с открытых частей тела, одежды ~ до 50%.
 
Таким образом, тепловой баланс человеческого организма можно оценить, определив компоненту излучения. Согласно закону Стефана – Больцмана энергетическая светимость для серого тела с абсолютной температурой Т составляет R = ασT4 , где σ - постоянная Больцмана, α - коэффициент, характеризующий отличие данного объекта от излучательных свойств абсолютно черного тела. Для удобства описания энергетической светимости серого тела вводят коэффициент δ = ασ. Некоторые значения этих парамет-ров приведены в табл. 1.
 
    Таблица 1
Объект излучения α δ  
Кожа человека 0,9 5,1  
Хлопчатобумажная ткань 0,73 4,2  
Шерсть, шелк 0,76 4,3  
 
Применим закон Стефана - Больцмана для неравновесного излучения, к которому относится излучение тела человека. Пусть Тв – температура воздуха в помещении, Тч – средняя температура поверхности тела человека, а S – ее площадь . Тогда, если принять Тв = = 18 0С(291К), Tч = 330С(306К), S = 1,5 м2, мощность энергетических потерь на излучение составит Р = Sδ(Tч4 – Tв4) = 122 Вт. Полученная величина является интегральной для интервала длин волн излучения λ от ноля до бесконечности. Согласно закону Вина существует максимум энергетической светимости, которому соответствует длина волны λmax = b/T (где b – постоянная Вина). Если принять среднюю температуру поверхности кожи человека ~ 30…33 0C, то максимум энергетической светимости будет в интервале λmax = 9,4…9,9 мкм. Таким образом, тепловое излучение человека находится в инфракрасной (ИК) области спектра, а тело человека в ИК диапазоне может рассматриваться как абсолютно черное. Это обстоятельство необходимо учитывать при аппаратной реализации исследований теплопотерь. Для исследовательских целей важна также сильная зависимость энергетической светимости от температуры, что следует из соотношений
 
R = δT4,  dR/dТ = 4δT3 ,  dR/R = 4dТ/T .
 
Поэтому относительное изменение энергетической светимости больше относительного изменения температуры излучающей поверх-ности в четыре раза. Полная энергия тепловых потерь человека может быть оценена величиной около 250 Вт. Применение традиционной одежды уменьшает площадь и температуру излучения и снижает мощность потерь до 37 Вт.
 
1. Термография
 
Рассмотренные выше примеры показывают диагностическую значимость определения температуры для интегральной оценки процессов теплообмена и терморегуляции. У здоровых людей распределение температуры по различным областям поверхности тела достаточно характерно. Однако воспалительные процессы, опухоли, инфекции приводят к изменению характерного температурного поля. Определение величины температурных изменений составляет исследовательскую задачу. Термография (греч. therme – теплота, жар) – это совокупность методов и способов измерения температуры, в том числе и в медицине. Измерение температуры – сравнение степени нагретости исследуемого объекта со стандартной шкалой температур. Для медицинской диагностики используется , как правило, шкала Цельсия (tc=00C – точка замерзания и tc=1000C – точка кипения воды). В ряде стран на-ряду с этой шкалой применяют шкалу Фаренгейта (tF=32+1,8tc). В научных исследованиях наиболее употребительна шкала Кельвина (T=273,15 + tc). В качестве методов измерения температуры в медицине и биологии используются два метода – термометрический и пирометрический.
 
Термометрический метод – измерение температуры объекта пу-тем контактного энергообмена термопреобразователя и исследуемого объекта. Основан на температурной зависимости свойств различных веществ, применяемых в качестве термопреобразователя:
 
- объемное расширение тел при нагревании (спиртовой и ртутный термометры);
-  изменение электрического сопротивления металлов и полупроводников (терморезистивные термометры);
-  явление возникновения термоэдс (термоэлектрические термометры).
 
Термометры, использующие данные свойства, обладают большой чувствительностью - 0,0001…0,01 градуса, однако позволяют проводить измерения температуры в отдельных точках организма. Для поверхностной контактной термометрии используют жидко-кристаллические индикаторы (ЖКИ), оптические свойства которых чувствительны к небольшим измерениям температуры. Помещая ЖКИ аппликатор на область тела пациента, по изменению цвета по-лучают картину распределения температур. Такая методика дает ка-чественную картину распределения температур.

Пирометрические методы – бесконтактные методы, основанные на измерении температур биологических объектов по их тепловому электромагнитному излучению (закон Стефана - Больцмана). Медицинские тепловизоры – приборы, использующие пирометрические методы для визуализации тепловых изображений биологических объектов (рис. 1).
 

Рис. 1. Структурная схема тепловизора

 
2. Биокалориметрия
 
Биокалориметрия – метод исследования тепловых эффектов, сопровождающих процессы жизнедеятельности путем измерения количества теплоты. Соответствующие приборы получили название био-калориметров. Выделяют два вида калориметров:
 
1. Калориметры, в которых количество теплоты, выделяемой исследуемым объектом, определяют по изменению температуры рабо-чей среды (рис. 2). В качестве рабочей среды могут быть использованы воздух или вода (естественная среда обитания большинства биообъектов). Количество теплоты находят по формуле Q = CК ·∆ T, где CК – удельная теплоемкость калориметрической системы, ∆T – изменение температуры рабочей среды в результате теплопродукции исследуемого биообъекта.
 
Рис. 2. Устройство биокалориметра
 
2. Калориметры, у которых температура среды постоянна, а количество теплоты определяют по количеству вещества, переходящего в другое фазовое состояние (например в газообразное). Этот вид калориметров используют для исследования процессов теплообмена биообъектов путем испарения. Повышение влажности воздуха (рабочей среды калориметра) пропорционально тепловым затратам на испарение.

Комментарии