Номер 5, страница 231 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

5. Объясните с позиции термодинамики, какие способы обмена энергией с окружающей средой являются для человека преобладающими при температуре окружающей среды, близкой к 0 °С, 36 °С и выше 36 °C.

Обмен энергией (теплообмен) между человеком и окружающей средой происходит тремя основными способами: теплопроводностью, конвекцией, излучением, а также путем испарения. Нормальная температура человеческого тела составляет около 36,6 °C. Рассмотрим преобладающие способы теплообмена в различных температурных условиях.

При температуре, близкой к 0 °С

В этих условиях температура окружающей среды значительно ниже температуры тела человека. Разница температур ($ \Delta T $) велика. В соответствии с законами термодинамики, тепло всегда передается от более нагретого тела к менее нагретому. Поэтому человек будет интенсивно терять тепло.

1. Излучение (радиация): Тело человека, как и любое тело с температурой выше абсолютного нуля, излучает электромагнитные волны в инфракрасном диапазоне. При большой разнице температур мощность излучения тела значительно превышает мощность поглощаемого излучения от холодных окружающих предметов. Это приводит к существенной потере тепла.

2. Конвекция: Воздух, соприкасаясь с кожей, нагревается, его плотность уменьшается, и он поднимается вверх, уступая место новым, холодным порциям воздуха. Этот процесс непрерывно отводит тепло от тела. Ветер значительно усиливает конвективный теплообмен.

3. Дыхание: Человек вдыхает холодный сухой воздух и выдыхает его нагретым до температуры тела и насыщенным водяными парами. На нагрев воздуха и испарение влаги в легких также тратится значительное количество энергии.

В таких условиях теплоотдача за счет испарения пота минимальна, так как организм стремится сохранить тепло, а не охладиться.

Ответ: При температуре, близкой к 0 °С, преобладающими способами потери энергии для человека являются тепловое излучение и конвекция.

При температуре 36 °С

Когда температура окружающей среды приближается к температуре поверхности тела человека (около 34-36 °C), разница температур $ \Delta T $ становится близкой к нулю.

В результате теплообмен посредством излучения и конвекции практически прекращается. Тело почти не отдает тепло в окружающую среду этими способами, так как тепловой поток пропорционален разности температур. Однако метаболические процессы в организме постоянно генерируют тепло, которое необходимо отводить для поддержания постоянной температуры тела.

Единственным эффективным механизмом теплоотдачи в этом случае становится испарение. Организм активизирует потоотделение. Испаряясь с поверхности кожи, пот поглощает большое количество тепла (скрытая теплота парообразования), эффективно охлаждая тело. Также продолжается потеря тепла при дыхании за счет испарения влаги с поверхности дыхательных путей.

Ответ: При температуре окружающей среды 36 °С преобладающим способом обмена энергией (теплоотдачи) является испарение влаги (пота) с поверхности тела.

При температуре выше 36 °С

В этой ситуации температура окружающей среды выше температуры тела человека. Направление тепловых потоков, обусловленных излучением и конвекцией, меняется на противоположное.

1. Излучение и конвекция: Тело человека начинает поглощать тепло из более горячей окружающей среды. Эти процессы не охлаждают, а, наоборот, нагревают организм.

Чтобы не допустить перегрева (гипертермии), организму необходимо отводить не только собственное метаболическое тепло, но и тепло, получаемое извне.

2. Испарение: Как и в предыдущем случае, единственным способом, позволяющим человеку терять тепло, остается испарение пота. Чем выше температура и ниже влажность воздуха, тем интенсивнее испарение и эффективнее охлаждение. Если влажность воздуха близка к 100%, испарение становится невозможным, и пребывание в таких условиях становится опасным для жизни.

Ответ: При температуре выше 36 °С единственным способом потери энергии для человека является испарение, в то время как излучение и конвекция приводят к получению тепла из окружающей среды.