Теп­ло­об­мен тела че­ло­ве­ка с окру­жа­ю­щей сре­дой может осу­ществ­лять­ся, путём всех трёх видов теп­ло­пе­ре­да­чи (теп­ло­про­вод­но­сти, кон­век­ции и из­лу­че­ния), а также за счёт ис­па­ре­ния воды с по­верх­но­сти тела.

Пе­ре­нос тепла в слу­чае теп­ло­про­вод­но­сти прямо про­пор­ци­о­на­лен раз­но­сти тем­пе­ра­ту­ры тела и тем­пе­ра­ту­ры окру­жа­ю­щей среды. Чем боль­ше раз­ность тем­пе­ра­тур, тем ин­тен­сив­нее про­ис­хо­дит теп­ло­от­да­ча энер­гии живым ор­га­низ­мом в окру­жа­ю­щую среду. Кроме того, боль­шое зна­че­ние имеет ко­эф­фи­ци­ент теп­ло­про­вод­но­сти окру­жа­ю­щей среды. Из­вест­но, что ко­эф­фи­ци­ент теп­ло­про­вод­но­сти для воды (при 20 °C) равен 2,1 кДж/(ч·м·°С), а для су­хо­го воз­ду­ха – при­мер­но 0,08 кДж/(ч·м·°С). По­это­му для че­ло­ве­ка теп­ло­про­вод­ность через воз­дух со­став­ля­ет очень не­зна­чи­тель­ную ве­ли­чи­ну.

Теп­ло­от­да­ча из­лу­че­ни­ем для че­ло­ве­ка в со­сто­я­нии покоя со­став­ля­ет 43–50% всей по­те­ри тепла. Из­лу­че­ние че­ло­ве­че­ско­го тела ха­рак­те­ри­зу­ет­ся дли­ной волны от 5 до 40 мкм с мак­си­маль­ной дли­ной волны в 9 мкм.

Ис­па­ре­ние поз­во­ля­ет охла­ждать тело даже в том слу­чае, когда тем­пе­ра­ту­ра окру­жа­ю­щей среды выше, чем тем­пе­ра­ту­ра тела. При низ­кой тем­пе­ра­ту­ре воз­ду­ха кон­вен­ция и из­лу­че­ние с по­верх­но­сти тела че­ло­ве­ка со­став­ля­ют около 90% общей су­точ­ной теп­ло­от­да­чи, а ис­па­ре­ние при ды­ха­нии – 9–10%. При тем­пе­ра­ту­ре 18–20 °C теп­ло­от­да­ча за счёт кон­вен­ции и из­лу­че­ния умень­ша­ет­ся, а за счёт ис­па­ре­ния уве­ли­чи­ва­ет­ся до 25–27%.

При тем­пе­ра­ту­ре воз­ду­ха 34–35 °C ис­па­ре­ние пота ста­но­вит­ся един­ствен­ным путём, с по­мо­щью ко­то­ро­го ор­га­низм осво­бож­да­ет­ся от из­бы­точ­но­го тепла. На каж­дый литр ис­па­рив­ше­го­ся пота кожа те­ря­ет ко­ли­че­ство теп­ло­ты, рав­ное 2400 кДж, она ста­но­вит­ся хо­лод­нее, охла­жда­ет­ся и про­те­ка­ю­щая через неё кровь.

Если при тем­пе­ра­ту­ре окру­жа­ю­щей среды 37–39 °C по­те­ря воды с потом со­став­ля­ет около 300 г/ч, то при тем­пе­ра­ту­ре 42 °C и более она по­вы­ша­ет­ся до 1–2 кг/ч. Ис­па­ре­ние эф­фек­тив­но толь­ко тогда, когда воз­дух сухой и по­движ­ный. Если воз­дух влаж­ный и не­по­движ­ный, ис­па­ре­ние про­ис­хо­дит очень мед­лен­но. Вот по­че­му осо­бен­но тя­же­ло пе­ре­но­сит­ся жара во влаж­ных суб­тро­пи­ках.

Самый про­стой и наи­бо­лее эф­фек­тив­ный спо­соб охла­жде­ния ор­га­низ­ма путём ис­па­ре­ния (при не­вы­со­кой фи­зи­че­ской ак­тив­но­сти) – уси­ле­ние ды­ха­ния. Ведь лёгкие ра­бо­та­ют ещё и в ка­че­стве хо­ло­диль­ни­ка. Вы­ды­ха­е­мый воз­дух все­гда имеет сто­про­цент­ную влаж­ность, а на ис­па­ре­ние воды с гро­мад­ной по­верх­но­сти лёгких ухо­дит боль­шое ко­ли­че­ство из­бы­точ­но­го тепла. Имен­но так охла­жда­ют свой ор­га­низм мно­гие жи­вот­ные.

Теп­ло­об­мен тела че­ло­ве­ка с окру­жа­ю­щей сре­дой может осу­ществ­лять­ся, путём всех трёх видов теп­ло­пе­ре­да­чи (теп­ло­про­вод­но­сти, кон­век­ции и из­лу­че­ния), а также за счёт ис­па­ре­ния воды с по­верх­но­сти тела.

Пе­ре­нос тепла в слу­чае теп­ло­про­вод­но­сти прямо про­пор­ци­о­на­лен раз­но­сти тем­пе­ра­ту­ры тела и тем­пе­ра­ту­ры окру­жа­ю­щей среды. Чем боль­ше раз­ность тем­пе­ра­тур, тем ин­тен­сив­нее про­ис­хо­дит теп­ло­от­да­ча энер­гии живым ор­га­низ­мом в окру­жа­ю­щую среду. Кроме того, боль­шое зна­че­ние имеет ко­эф­фи­ци­ент теп­ло­про­вод­но­сти окру­жа­ю­щей среды. Из­вест­но, что ко­эф­фи­ци­ент теп­ло­про­вод­но­сти для воды (при 20 °C) равен 2,1 кДж/(ч·м·°С), а для су­хо­го воз­ду­ха – при­мер­но 0,08 кДж/(ч·м·°С). По­это­му для че­ло­ве­ка теп­ло­про­вод­ность через воз­дух со­став­ля­ет очень не­зна­чи­тель­ную ве­ли­чи­ну.

Теп­ло­от­да­ча из­лу­че­ни­ем для че­ло­ве­ка в со­сто­я­нии покоя со­став­ля­ет 43–50% всей по­те­ри тепла. Из­лу­че­ние че­ло­ве­че­ско­го тела ха­рак­те­ри­зу­ет­ся дли­ной волны от 5 до 40 мкм с мак­си­маль­ной дли­ной волны в 9 мкм.

Ис­па­ре­ние поз­во­ля­ет охла­ждать тело даже в том слу­чае, когда тем­пе­ра­ту­ра окру­жа­ю­щей среды выше, чем тем­пе­ра­ту­ра тела. При низ­кой тем­пе­ра­ту­ре воз­ду­ха кон­вен­ция и из­лу­че­ние с по­верх­но­сти тела че­ло­ве­ка со­став­ля­ют около 90% общей су­точ­ной теп­ло­от­да­чи, а ис­па­ре­ние при ды­ха­нии – 9–10%. При тем­пе­ра­ту­ре 18–20 °C теп­ло­от­да­ча за счёт кон­вен­ции и из­лу­че­ния умень­ша­ет­ся, а за счёт ис­па­ре­ния уве­ли­чи­ва­ет­ся до 25–27%.

При тем­пе­ра­ту­ре воз­ду­ха 34–35 °C ис­па­ре­ние пота ста­но­вит­ся един­ствен­ным путём, с по­мо­щью ко­то­ро­го ор­га­низм осво­бож­да­ет­ся от из­бы­точ­но­го тепла. На каж­дый литр ис­па­рив­ше­го­ся пота кожа те­ря­ет ко­ли­че­ство теп­ло­ты, рав­ное 2400 кДж, она ста­но­вит­ся хо­лод­нее, охла­жда­ет­ся и про­те­ка­ю­щая через неё кровь.

Если при тем­пе­ра­ту­ре окру­жа­ю­щей среды 37–39 °C по­те­ря воды с потом со­став­ля­ет около 300 г/ч, то при тем­пе­ра­ту­ре 42 °C и более она по­вы­ша­ет­ся до 1–2 кг/ч. Ис­па­ре­ние эф­фек­тив­но толь­ко тогда, когда воз­дух сухой и по­движ­ный. Если воз­дух влаж­ный и не­по­движ­ный, ис­па­ре­ние про­ис­хо­дит очень мед­лен­но. Вот по­че­му осо­бен­но тя­же­ло пе­ре­но­сит­ся жара во влаж­ных суб­тро­пи­ках.

Самый про­стой и наи­бо­лее эф­фек­тив­ный спо­соб охла­жде­ния ор­га­низ­ма путём ис­па­ре­ния (при не­вы­со­кой фи­зи­че­ской ак­тив­но­сти) – уси­ле­ние ды­ха­ния. Ведь лёгкие ра­бо­та­ют ещё и в ка­че­стве хо­ло­диль­ни­ка. Вы­ды­ха­е­мый воз­дух все­гда имеет сто­про­цент­ную влаж­ность, а на ис­па­ре­ние воды с гро­мад­ной по­верх­но­сти лёгких ухо­дит боль­шое ко­ли­че­ство из­бы­точ­но­го тепла. Имен­но так охла­жда­ют свой ор­га­низм мно­гие жи­вот­ные.

Между дав­ле­ни­ем и точ­кой за­мер­за­ния (плав­ле­ния) воды на­блю­да­ет­ся ин­те­рес­ная за­ви­си­мость (см. таб­ли­цу).

С по­вы­ше­ни­ем дав­ле­ния до 2200 ат­мо­сфер тем­пе­ра­ту­ра плав­ле­ния па­да­ет: с уве­ли­че­ни­ем дав­ле­ния на каж­дую ат­мо­сфе­ру она по­ни­жа­ет­ся при­мер­но на 0,0075 °C. При даль­ней­шем уве­ли­че­нии дав­ле­ния точка за­мер­за­ния воды на­чи­на­ет расти: при дав­ле­нии 20 670 ат­мо­сфер вода за­мер­за­ет при 76 °C. В этом слу­чае будет на­блю­дать­ся го­ря­чий лёд.

При нор­маль­ном ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии объём воды при за­мер­за­нии вне­зап­но воз­рас­та­ет при­мер­но на 11%. В за­мкну­том про­стран­стве такой про­цесс при­во­дит к воз­ник­но­ве­нию гро­мад­но­го из­бы­точ­но­го дав­ле­ния до 2500 атм. Вода, за­мер­зая, раз­ры­ва­ет гор­ные по­ро­ды, дро­бит мно­го­тон­ные глыбы.

В XIX веке было об­на­ру­же­но яв­ле­ние ре­же­ля­ции льда, ко­то­рое можно про­де­мон­стри­ро­вать на опыте. По­ста­вим на два стол­би­ка пря­мо­уголь­ный ле­дя­ной бру­сок. Пе­ре­ки­нем через него тон­кую сталь­ную про­во­ло­ку (диа­мет­ром 0,1 мм) и под­ве­сим на ней груз мас­сой 3 кг (см. рис. а). Все это оста­вим на лёгком мо­ро­зе. Важно, чтобы тем­пе­ра­ту­ра на улице была лишь не­мно­гим ниже нуля. При­мер­но через сутки мы об­на­ру­жим, что про­во­ло­ка и гиря лежат на земле, а на стол­би­ках стоит наш ле­дя­ной бру­сок, целый и не­вре­ди­мый. Если бы мы в те­че­ние опыта вы­хо­ди­ли на улицу, то уви­де­ли бы, как по­сте­пен­но про­во­ло­ка опус­ка­ет­ся, как бы раз­ре­зая ле­дя­ной бру­сок (см. рис. б, в, г), ни­ка­ко­го раз­ре­за не остаётся – выше про­во­ло­ки бру­сок ока­зы­ва­ет­ся мо­но­лит­ным.

Дол­гое время ду­ма­ли, что лёд под лез­ви­я­ми конь­ков тает по­то­му, что ис­пы­ты­ва­ет силь­ное дав­ле­ние, тем­пе­ра­ту­ра плав­ле­ния льда по­ни­жа­ет­ся и лёд пла­вит­ся. Од­на­ко расчёты по­ка­зы­ва­ют, что под конь­ка­ми тем­пе­ра­ту­ра плав­ле­ния льда умень­ша­ет­ся при­мер­но на 0,1 °C, что явно не­до­ста­точ­но для ка­та­ния, на­при­мер, при –10 °C.

То, что раз­лич­ные тела об­ла­да­ют раз­ной спо­соб­но­стью про­во­дить тепло, т. е. раз­ной теп­ло­про­вод­но­стью, было из­вест­но давно, од­на­ко ин­стру­мен­таль­ные ис­сле­до­ва­ния на­ча­лись лишь в конце XVIII в. Ж.-Б.-Фурье пред­ло­жил спо­соб, по­ка­зан­ный на ри­сун­ке: в стерж­не AB, один конец ко­то­ро­го на­гре­вал­ся, на рав­ном рас­сто­я­нии вы­свер­ли­ва­лись не­боль­шие от­вер­стия под тер­мо­мет­ры (a, b, … f). Вна­ча­ле тем­пе­ра­ту­ра каж­до­го тер­мо­мет­ра под­ни­ма­лась, но затем подъём пре­кра­щал­ся, уста­нав­ли­ва­лось ста­ци­о­нар­ное рас­пре­де­ле­ние тем­пе­ра­ту­ры вдоль стерж­ня. Луч­шей теп­ло­про­вод­но­стью об­ла­дал тот ма­те­ри­ал, для ко­то­ро­го раз­ли­чие между по­ка­за­ни­я­ми двух со­сед­них тер­мо­мет­ров было наи­мень­шее. Ис­поль­зуя эту идею, Г. Ви­де­ман и Р. Франц по­лу­чи­ли дан­ные о теп­ло­про­вод­но­сти ме­тал­лов и спла­вов, со­по­ста­вив их с элек­тро­про­вод­но­стью. Ре­зуль­та­ты опы­тов в от­но­си­тель­ных еди­ни­цах пред­став­ле­ны в табл. 1 (наи­луч­шая про­во­ди­мость  — у се­реб­ра; наи­худ­шая  — у вис­му­та).

На­ря­ду с теп­ло­фи­зи­че­ски­ми свой­ства­ми про­вод­ни­ков, изу­ча­лись и ана­ло­гич­ные свой­ства теп­ло­изо­ля­то­ров. Граф Б.-Т. Рум­форд ис­сле­до­вал теп­ло­про­вод­ность ма­те­ри­а­лов, ис­поль­зу­е­мых для одеж­ды. Он по­ме­щал тер­мо­метр в стек­лян­ную труб­ку с окон­ча­ни­ем в виде сферы так, чтобы шарик тер­мо­мет­ра был в её цен­тре. Про­стран­ство между стек­лян­ной сфе­рой и тер­мо­мет­ром за­пол­ня­лось ис­сле­ду­е­мой ма­те­ри­ей. Вся труб­ка сна­ча­ла по­ме­ща­лась в го­ря­чую воду, про­гре­ва­лась до тех пор, пока не уста­нав­ли­ва­лась не­из­мен­ная тем­пе­ра­ту­ра, затем при­бор по­ме­щал­ся в смесь толчёного льда и соли и охла­ждал­ся. В опы­тах из­ме­ря­лось время по­ни­же­ния тем­пе­ра­ту­ры для каж­до­го ма­те­ри­а­ла на 135 ºF (57,2 ºС). Дан­ные, по­лу­чен­ные Рум­фор­дом, пред­став­ле­ны в табл. 2.

На­ря­ду с экс­пе­ри­мен­таль­ной базой в XIX в. были за­ло­же­ны и ос­но­вы тео­рии теп­ло­про­вод­но­сти.

То, что раз­лич­ные тела об­ла­да­ют раз­ной спо­соб­но­стью про­во­дить тепло, т. е. раз­ной теп­ло­про­вод­но­стью, было из­вест­но давно, од­на­ко ин­стру­мен­таль­ные ис­сле­до­ва­ния на­ча­лись лишь в конце XVIII в. Ж.-Б.-Фурье пред­ло­жил спо­соб, по­ка­зан­ный на ри­сун­ке: в стерж­не AB, один конец ко­то­ро­го на­гре­вал­ся, на рав­ном рас­сто­я­нии вы­свер­ли­ва­лись не­боль­шие от­вер­стия под тер­мо­мет­ры (a, b, … f). Вна­ча­ле тем­пе­ра­ту­ра каж­до­го тер­мо­мет­ра под­ни­ма­лась, но затем подъём пре­кра­щал­ся, уста­нав­ли­ва­лось ста­ци­о­нар­ное рас­пре­де­ле­ние тем­пе­ра­ту­ры вдоль стерж­ня. Луч­шей теп­ло­про­вод­но­стью об­ла­дал тот ма­те­ри­ал, для ко­то­ро­го раз­ли­чие между по­ка­за­ни­я­ми двух со­сед­них тер­мо­мет­ров было наи­мень­шее. Ис­поль­зуя эту идею, Г. Ви­де­ман и Р. Франц по­лу­чи­ли дан­ные о теп­ло­про­вод­но­сти ме­тал­лов и спла­вов, со­по­ста­вив их с элек­тро­про­вод­но­стью. Ре­зуль­та­ты опы­тов в от­но­си­тель­ных еди­ни­цах пред­став­ле­ны в табл. 1 (наи­луч­шая про­во­ди­мость  — у се­реб­ра; наи­худ­шая  — у вис­му­та).

На­ря­ду с теп­ло­фи­зи­че­ски­ми свой­ства­ми про­вод­ни­ков, изу­ча­лись и ана­ло­гич­ные свой­ства теп­ло­изо­ля­то­ров. Граф Б.-Т. Рум­форд ис­сле­до­вал теп­ло­про­вод­ность ма­те­ри­а­лов, ис­поль­зу­е­мых для одеж­ды. Он по­ме­щал тер­мо­метр в стек­лян­ную труб­ку с окон­ча­ни­ем в виде сферы так, чтобы шарик тер­мо­мет­ра был в её цен­тре. Про­стран­ство между стек­лян­ной сфе­рой и тер­мо­мет­ром за­пол­ня­лось ис­сле­ду­е­мой ма­те­ри­ей. Вся труб­ка сна­ча­ла по­ме­ща­лась в го­ря­чую воду, про­гре­ва­лась до тех пор, пока не уста­нав­ли­ва­лась не­из­мен­ная тем­пе­ра­ту­ра, затем при­бор по­ме­щал­ся в смесь толчёного льда и соли и охла­ждал­ся. В опы­тах из­ме­ря­лось время по­ни­же­ния тем­пе­ра­ту­ры для каж­до­го ма­те­ри­а­ла на 135 ºF (57,2 ºС). Дан­ные, по­лу­чен­ные Рум­фор­дом, пред­став­ле­ны в табл. 2.

На­ря­ду с экс­пе­ри­мен­таль­ной базой в XIX в. были за­ло­же­ны и ос­но­вы тео­рии теп­ло­про­вод­но­сти.

То, что раз­лич­ные тела об­ла­да­ют раз­ной спо­соб­но­стью про­во­дить тепло, т. е. раз­ной теп­ло­про­вод­но­стью, было из­вест­но давно, од­на­ко ин­стру­мен­таль­ные ис­сле­до­ва­ния на­ча­лись лишь в конце XVIII в. Идея од­но­го из опы­тов при­над­ле­жа­ла Б. Фран­кли­ну. Он пред­ла­гал по­кры­вать по­ло­су ме­тал­ла вос­ком, а затем по­гру­жать один конец в го­ря­чее масло. Счи­та­лось, что боль­шей теп­ло­про­вод­но­стью об­ла­дал тот ме­талл, у ко­то­ро­го воск за одно и то же время пла­вил­ся на боль­шей длине. Ж.-Б. Фурье пред­ло­жил иной спо­соб, по­ка­зан­ный на ри­сун­ке: в стерж­не AB, один конец ко­то­ро­го на­гре­вал­ся, на рав­ном рас­сто­я­нии друг от друга вы­свер­ли­ва­лись не­боль­шие от­вер­стия под тер­мо­мет­ры (a, b, … f). Вна­ча­ле тем­пе­ра­ту­ра каж­до­го тер­мо­мет­ра под­ни­ма­лась, но затем подъём пре­кра­щал­ся, уста­нав­ли­ва­лось ста­ци­о­нар­ное рас­пре­де­ле­ние тем­пе­ра­ту­ры вдоль стерж­ня. Ис­поль­зуя эту идею, Г. Ви­де­ман и Р. Франц в 1835 году по­лу­чи­ли дан­ные о теп­ло­про­вод­но­сти ме­тал­лов и спла­вов. Ре­зуль­та­ты их опы­тов в от­но­си­тель­ных еди­ни­цах пред­став­ле­ны в табл. 1 (наи­луч­шая про­во­ди­мость  — у се­реб­ра; наи­худ­шая  — у вис­му­та).

Экс­пе­ри­мент по Фурье яв­ля­ет­ся фи­зи­че­ски более вер­ным, чем экс­пе­ри­мент, пред­ло­жен­ный Фран­кли­ном. Дж. Тин­даль привёл такой ар­гу­мент. Возьмём два ко­рот­ких стерж­ня оди­на­ко­вых гео­мет­ри­че­ских раз­ме­ров: один из вис­му­та, дру­гой из же­ле­за; по­кро­ем один торец каж­до­го стерж­ня вос­ком, а дру­гой конец по­ста­вим на крыш­ку котла с го­ря­чей водой. Пер­вым воск рас­та­ет на стерж­не из вис­му­та, зна­чит, по Фран­кли­ну, он луч­ший про­вод­ник тепла. Опыты же Ви­де­ма­на и Фран­ца по­ка­за­ли про­ти­во­по­лож­ный ре­зуль­тат.

Тин­даль разъ­яс­нил, что на ре­зуль­та­ты опыта по Фран­кли­ну вли­я­ет не толь­ко теп­ло­про­вод­ность ме­тал­лов, но и их удель­ная теплоёмкость. Умно­жив удель­ную теплоёмкость ме­тал­ла на его плот­ность для вис­му­та по­лу­чим:

а для же­ле­за:

Сле­до­ва­тель­но, на про­грев стерж­ня из вис­му­та тре­бу­ет­ся мень­шее ко­ли­че­ство теп­ло­ты. Спла­вы ме­тал­лов также об­ла­да­ют вы­со­кой теп­ло­про­вод­но­стью. (На­при­мер, ней­зиль­бер  — сплав меди, ни­ке­ля и цинка, из ко­то­ро­го де­ла­ли сто­ло­вые при­бо­ры.) Тин­даль пишет, что если взять ку­со­чек бе­ло­го фос­фо­ра, ко­то­рый пла­вит­ся при 44 ºС и за­го­ра­ет­ся при 60 ºС, и по­ло­жить его на че­ре­нок чай­ной ложки из ней­зиль­бе­ра, опу­щен­ный в го­ря­чий чай, то фос­фор рас­пла­вит­ся. А если тот же опыт по­вто­рить с лож­кой из се­реб­ра, то фос­фор за­го­рит­ся.

То, что раз­лич­ные тела об­ла­да­ют раз­ной спо­соб­но­стью про­во­дить тепло, т. е. раз­ной теп­ло­про­вод­но­стью, было из­вест­но давно, од­на­ко ин­стру­мен­таль­ные ис­сле­до­ва­ния на­ча­лись лишь в конце XVIII в. Идея од­но­го из опы­тов при­над­ле­жа­ла Б. Фран­кли­ну. Он пред­ла­гал по­кры­вать по­ло­су ме­тал­ла вос­ком, а затем по­гру­жать один конец в го­ря­чее масло. Счи­та­лось, что боль­шей теп­ло­про­вод­но­стью об­ла­дал тот ме­талл, у ко­то­ро­го воск за одно и то же время пла­вил­ся на боль­шей длине. Ж.-Б. Фурье пред­ло­жил иной спо­соб, по­ка­зан­ный на ри­сун­ке: в стерж­не AB, один конец ко­то­ро­го на­гре­вал­ся, на рав­ном рас­сто­я­нии друг от друга вы­свер­ли­ва­лись не­боль­шие от­вер­стия под тер­мо­мет­ры (a, b, … f). Вна­ча­ле тем­пе­ра­ту­ра каж­до­го тер­мо­мет­ра под­ни­ма­лась, но затем подъём пре­кра­щал­ся, уста­нав­ли­ва­лось ста­ци­о­нар­ное рас­пре­де­ле­ние тем­пе­ра­ту­ры вдоль стерж­ня. Ис­поль­зуя эту идею, Г. Ви­де­ман и Р. Франц в 1835 году по­лу­чи­ли дан­ные о теп­ло­про­вод­но­сти ме­тал­лов и спла­вов. Ре­зуль­та­ты их опы­тов в от­но­си­тель­ных еди­ни­цах пред­став­ле­ны в табл. 1 (наи­луч­шая про­во­ди­мость  — у се­реб­ра; наи­худ­шая  — у вис­му­та).

Экс­пе­ри­мент по Фурье яв­ля­ет­ся фи­зи­че­ски более вер­ным, чем экс­пе­ри­мент, пред­ло­жен­ный Фран­кли­ном. Дж. Тин­даль привёл такой ар­гу­мент. Возьмём два ко­рот­ких стерж­ня оди­на­ко­вых гео­мет­ри­че­ских раз­ме­ров: один из вис­му­та, дру­гой из же­ле­за; по­кро­ем один торец каж­до­го стерж­ня вос­ком, а дру­гой конец по­ста­вим на крыш­ку котла с го­ря­чей водой. Пер­вым воск рас­та­ет на стерж­не из вис­му­та, зна­чит, по Фран­кли­ну, он луч­ший про­вод­ник тепла. Опыты же Ви­де­ма­на и Фран­ца по­ка­за­ли про­ти­во­по­лож­ный ре­зуль­тат.

Тин­даль разъ­яс­нил, что на ре­зуль­та­ты опыта по Фран­кли­ну вли­я­ет не толь­ко теп­ло­про­вод­ность ме­тал­лов, но и их удель­ная теплоёмкость. Умно­жив удель­ную теплоёмкость ме­тал­ла на его плот­ность для вис­му­та по­лу­чим:

а для же­ле­за:

Сле­до­ва­тель­но, на про­грев стерж­ня из вис­му­та тре­бу­ет­ся мень­шее ко­ли­че­ство теп­ло­ты. Спла­вы ме­тал­лов также об­ла­да­ют вы­со­кой теп­ло­про­вод­но­стью. (На­при­мер, ней­зиль­бер  — сплав меди, ни­ке­ля и цинка, из ко­то­ро­го де­ла­ли сто­ло­вые при­бо­ры.) Тин­даль пишет, что если взять ку­со­чек бе­ло­го фос­фо­ра, ко­то­рый пла­вит­ся при 44 ºС и за­го­ра­ет­ся при 60 ºС, и по­ло­жить его на че­ре­нок чай­ной ложки из ней­зиль­бе­ра, опу­щен­ный в го­ря­чий чай, то фос­фор рас­пла­вит­ся. А если тот же опыт по­вто­рить с лож­кой из се­реб­ра, то фос­фор за­го­рит­ся.

Про­чи­тай­те текст и вы­пол­ни­те за­да­ния 16–18.

С вы­со­той ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние па­да­ет. Это свя­за­но с двумя при­чи­на­ми. Во-пер­вых, чем выше мы на­хо­дим­ся, тем мень­ше вы­со­та стол­ба воз­ду­ха над нами. Во-вто­рых, с вы­со­той плот­ность воз­ду­ха умень­ша­ет­ся, сле­до­ва­тель­но, он имеет мень­ший вес на еди­ни­цу вы­со­ты. Земля при­тя­ги­ва­ет тела, в том числе и мо­ле­ку­лы воз­ду­ха. Ха­о­тич­ное дви­же­ние мо­ле­кул за­став­ля­ет их раз­ле­тать­ся. Од­на­ко боль­ше мо­ле­кул воз­ду­ха на­хо­дит­ся в ниж­них слоях ат­мо­сфе­ры.

Ниж­ний слой ат­мо­сфе­ры  — тро­по­сфе­ра  — со­дер­жит 80% массы воз­ду­ха и со­став­ля­ет всего 8-18 км вы­со­ты. Здесь можно пре­не­бречь из­ме­не­ни­ем плот­но­сти воз­ду­ха с вы­со­той, счи­тая её по­сто­ян­ной. Кроме того, для тро­по­сфе­ры ха­рак­тер­ны мощ­ные вер­ти­каль­ные кон­век­тив­ные по­то­ки воз­ду­ха, что урав­ни­ва­ет плот­ность по вы­со­те. С учётом этого до­пу­ще­ния можно рас­счи­ты­вать ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние на не­боль­ших вы­со­тах по вер­ти­каль­но­му ба­ри­че­ско­му ко­эф­фи­ци­ен­ту: при из­ме­не­нии вы­со­ты на 100 м ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние из­ме­ня­ет­ся на 12,5 гПа=1250 Па.

Что ка­са­ет­ся более вы­со­ких слоёв ат­мо­сфе­ры, то дав­ле­ние в них резко убы­ва­ет с вы­со­той. Здесь не про­ис­хо­дит вер­ти­каль­ной кон­век­ции воз­ду­ха, га­зо­вый со­став из­ме­ня­ет­ся в сто­ро­ну более лёгких мо­ле­кул, от­сут­ству­ют во­дя­ные пары. По­это­му за­ви­си­мость дав­ле­ния от вы­со­ты ста­но­вит­ся не­ли­ней­ной.

Про­чи­тай­те текст и вы­пол­ни­те за­да­ния 16, 17 и 18.

От­кры­тие термо-ЭДС, воз­ни­ка­ю­щей при на­гре­ве кон­так­та двух раз­но­род­ных ме­тал­лов (тер­мо­па­ры), сде­ла­ло воз­мож­ным ис­сле­до­ва­ние ин­фра­крас­ных (теп­ло­вых) лучей. Тер­мо­дат­чик (по­сле­до­ва­тель­но со­единённые тер­мо­па­ры) при на­гре­ва­нии теп­ло­вы­ми лу­ча­ми вы­ра­ба­ты­ва­ет ЭДС, из­ме­ря­е­мую галь­ва­но­мет­ром. По от­кло­не­нию стрел­ки судят о сте­пе­ни на­гре­ва.

На рис. 1 по­ка­за­на схема ис­сле­до­ва­ния про­зрач­но­сти твёрдых тел для теп­ло­вых лучей. Пред­по­ла­га­лось, что ком­нат­ный воз­дух них про­зра­чен. В ка­че­стве ис­точ­ни­ка из­лу­че­ния ис­поль­зо­ва­лись на­гре­тое тело, пламя и т. п. По за­ко­ну Вина с по­ни­же­ни­ем тем­пе­ра­ту­ры тела мак­си­мум из­лу­че­ния сме­ща­ет­ся в сто­ро­ну длин­ных волн: где b  =  2897 мкм × К, Т  — тем­пе­ра­ту­ра в кель­ви­нах. В опыте ис­сле­ду­е­мая пла­сти­на (рис. 1) пе­ре­кры­ва­ла от­вер­стие диа­фраг­мы. Ока­за­лось, что про­зрач­ные для ви­ди­мо­го света окон­ное стек­ло не­про­зрач­но для теп­ло­вых лучей. Пла­сти­на гор­но­го хру­ста­ля про­пус­ка­ет: 38% из­лу­че­ния от пла­ме­ни (T ≈ 1200 K), 6%  — от меди, на­гре­той до 400 ºС и 3%  — меди, на­гре­той до 100 ºС. Пла­сти­на ка­мен­ной соли (NaCl) про­пус­ка­ет более 92% лучей, ис­пус­ка­е­мых и пла­ме­нем, и на­гре­той медью (от 100 ºС до 400 ºС).

При изу­че­нии про­зрач­но­сти газов, на­при­мер, СО₂, в ци­лин­дре АВ в ка­че­стве «окон» ис­поль­зо­ва­лись кри­стал­лы NaCl (рис. 2, торцы ци­лин­дра). В от­ка­чан­ный ци­линдр через кран Gʹ впус­ка­ли пред­ва­ри­тель­но осу­шен­ные (про­шед­шие через труб­ки U−Uʹ) газы. После этого уби­ра­ли экран Т, за­кры­ва­ю­щий за­чернённый сажей куб с ки­пя­щей водой С. По от­кло­не­нию стрел­ки галь­ва­но­мет­ра су­ди­ли о сте­пе­ни по­гло­ще­ния лучей.

Не­про­зрач­ность паров воды для ин­фра­крас­ных лучей иг­ра­ет су­ще­ствен­ную роль в при­ро­де. Пер­вые на­блю­де­ния были про­де­ла­ны Р. Стрей­чи в марте 1850 г. Он из­ме­рял па­де­ние тем­пе­ра­ту­ры воз­ду­ха (∆t) от вос­хо­да до за­хо­да Солн­ца на от­кры­том воз­ду­хе при аб­со­лют­но ясном небе с по­мо­щью тер­мо­мет­ра, фик­си­руя в жур­на­ле на­блю­де­ний пар­ци­аль­ное дав­ле­ние во­дя­ных паров (аб­со­лют­ную влаж­ность).

Было по­ка­за­но, что по­гло­ще­ние ин­фра­крас­ных лучей во­дя­ным паром пре­пят­ству­ет осты­ва­нию ат­мо­сфер­но­го воз­ду­ха.

Изу­че­ние при­чин воз­ник­но­ве­ния пар­ни­ко­во­го эф­фек­та, а имен­но по­гло­ще­ние теп­ло­вых лучей во­дя­ным паром и уг­ле­кис­лым газом, было на­ча­то фи­зи­ка­ми в се­ре­ди­не XIX века.

Про­чи­тай­те текст и вы­пол­ни­те за­да­ния 16, 17 и 18.

У хо­лод­но­кров­ных жи­вот­ных воз­мож­но су­ще­ство­ва­ние ин­фрагла­за. Теп­ло­вые «глаза» змеи, по­лу­чив­шие на­зва­ние «ли­це­вые ямки», пред­став­ля­ют собой спе­ци­а­ли­зи­ро­ван­ные ор­га­ны, чув­стви­тель­ные к ин­фра­крас­но­му из­лу­че­нию внеш­них объ­ек­тов. Ли­це­вые ямки, как пра­ви­ло, рас­по­ло­же­ны впе­ре­ди и чуть ниже обоих глаз змеи, а их число за­ви­сит от вида змеи и может до­сти­гать 26 (у пи­то­на).

Наи­бо­лее изу­че­ны ли­це­вые ямки гре­му­чей змеи. Чув­стви­тель­ность ли­це­вой ямки та­ко­ва, что она может об­на­ру­жить че­ло­ве­че­скую руку или живую мышь на рас­сто­я­нии 0,5 м. Змея про­из­во­дит бро­сок тогда, когда тем­пе­ра­ту­ра чув­стви­тель­ной мем­бра­ны ли­це­вой ямки по­вы­ша­ет­ся всего лишь на 0,003 °С.

Глаз-тер­мо­метр, в от­ли­чие от глаза, ре­а­ги­ру­ю­ще­го на ви­ди­мый свет, не со­дер­жит линзы, и своей кон­струк­ци­ей на­по­ми­на­ет ка­ме­ру-об­ску­ру (см. рис.). Диа­метр тер­мо­чув­стви­тель­ной мем­бра­ны, как пра­ви­ло, более чем в 2 раза пре­вы­ша­ет диа­метр внеш­не­го от­вер­стия ли­це­вой ямки. Это обес­пе­чи­ва­ет ча­стич­ную фо­ку­си­ров­ку изоб­ра­же­ния на по­верх­но­сти мем­бра­ны. Од­на­ко, каж­дая такая ямка об­ла­да­ет лишь при­ми­тив­ной фо­ку­си­ру­ю­щей спо­соб­но­стью: она даёт воз­мож­ность раз­ли­чать два от­дель­ных ин­фра­крас­ных ис­точ­ни­ка толь­ко тогда, когда угол между на­прав­ле­ни­я­ми на них со­став­ля­ет 30–60°. В то же время ис­поль­зо­ва­ние змеей од­но­вре­мен­но не­сколь­ких таких ямок, име­ю­щих раз­лич­ные пе­ре­кры­ва­ю­щие друг друга зоны об­зо­ра, поз­во­ля­ет зна­чи­тель­но лучше ло­ка­ли­зо­вать на­прав­ле­ние на цель после об­ра­бот­ки моз­гом ин­фор­ма­ции от всех тер­мо­ре­цеп­то­ров.

Про­чи­тай­те текст и вы­пол­ни­те за­да­ния 16, 17 и 18.

Теп­ло­об­мен тела че­ло­ве­ка с окру­жа­ю­щей сре­дой может осу­ществ­лять­ся путём всех трёх видов теп­ло­пе­ре­да­чи (теп­ло­про­вод­но­сти, кон­век­ции и из­лу­че­ния), а также за счёт ис­па­ре­ния воды с по­верх­но­сти тела.

Пе­ре­нос тепла в слу­чае теп­ло­про­вод­но­сти прямо про­пор­ци­о­на­лен раз­но­сти тем­пе­ра­ту­ры тела и тем­пе­ра­ту­ры окру­жа­ю­щей среды. Чем боль­ше раз­ность тем­пе­ра­тур, тем ин­тен­сив­нее про­ис­хо­дит теп­ло­от­да­ча энер­гии ор­га­низ­мом в окру­жа­ю­щую среду. Кроме того, боль­шое зна­че­ние имеет ко­эф­фи­ци­ент теп­ло­про­вод­но­сти окру­жа­ю­щей среды. Из­вест­но, что ко­эф­фи­ци­ент теп­ло­про­вод­но­сти для воды (при 20 °С) равен 2,1 кДж/(ч · м · °С), а для су­хо­го воз­ду­ха  — при­мер­но 0,08 кДж/(ч · м · °С). По­это­му для че­ло­ве­ка теп­ло­про­вод­ность через воз­дух со­став­ля­ет очень не­зна­чи­тель­ную ве­ли­чи­ну.

Теп­ло­от­да­ча из­лу­че­ни­ем для че­ло­ве­ка в со­сто­я­нии покоя со­став­ля­ет 43–50% всей по­те­ри тепла. Из­лу­че­ние че­ло­ве­че­ско­го тела ха­рак­те­ри­зу­ет­ся дли­ной волны от 5 до 40 мкм с мак­си­маль­ной дли­ной волны в 9 мкм.

Ис­па­ре­ние поз­во­ля­ет охла­ждать тело даже в том слу­чае, когда тем­пе­ра­ту­ра окру­жа­ю­щей среды выше, чем тем­пе­ра­ту­ра тела. При низ­кой тем­пе­ра­ту­ре воз­ду­ха кон­век­ция и из­лу­че­ние с по­верх­но­сти тела че­ло­ве­ка со­став­ля­ют около 90% от общей су­точ­ной теп­ло­от­да­чи, а ис­па­ре­ние при ды­ха­нии  — 9–10%. При тем­пе­ра­ту­ре 18–20 °С теп­ло­от­да­ча за счёт кон­век­ции и из­лу­че­ния умень­ша­ет­ся, а за счёт ис­па­ре­ния уве­ли­чи­ва­ет­ся до 25–27%.

При тем­пе­ра­ту­ре воз­ду­ха 34–35 °С ис­па­ре­ние пота ста­но­вит­ся един­ствен­ным путём, с по­мо­щью ко­то­ро­го ор­га­низм осво­бож­да­ет­ся от из­бы­точ­но­го тепла. На каж­дый литр ис­па­рив­ше­го­ся пота кожа те­ря­ет ко­ли­че­ство теп­ло­ты, рав­ное 2400 кДж, она ста­но­вит­ся хо­лод­нее, охла­жда­ет­ся и про­те­ка­ю­щая под ней кровь.

Если при тем­пе­ра­ту­ре окру­жа­ю­щей среды 37–39 °С по­те­ря воды с потом со­став­ля­ет около 300 г/ч, то при тем­пе­ра­ту­ре 42 °С и выше она по­вы­ша­ет­ся до 1–2 кг/ч. Ис­па­ре­ние эф­фек­тив­но толь­ко тогда, когда воз­дух сухой и по­движ­ный. Если воз­дух влаж­ный и не­по­движ­ный, ис­па­ре­ние про­ис­хо­дит очень мед­лен­но. Вот по­че­му осо­бен­но тя­же­ло пе­ре­но­сит­ся жара во влаж­ных суб­тро­пи­ках.

Самый про­стой и наи­бо­лее эф­фек­тив­ный спо­соб охла­жде­ния ор­га­низ­ма путём ис­па­ре­ния (при не­вы­со­кой фи­зи­че­ской ак­тив­но­сти)  — уси­ле­ние ды­ха­ния. Ведь лёгкие ра­бо­та­ют ещё и в ка­че­стве хо­ло­диль­ни­ка. Вы­ды­ха­е­мый воз­дух все­гда имеет 100%-ную влаж­ность, а на ис­па­ре­ние воды с гро­мад­ной по­верх­но­сти лёгких ухо­дит боль­шое ко­ли­че­ство из­бы­точ­но­го тепла. Имен­но так охла­жда­ют свой ор­га­низм мно­гие жи­вот­ные.

Про­чи­тай­те текст и вы­пол­ни­те за­да­ния 16, 17 и 18.

То, что раз­лич­ные тела об­ла­да­ют раз­ной спо­соб­но­стью про­во­дить тепло, т. е. раз­ной теп­ло­про­вод­но­стью, было из­вест­но давно, од­на­ко ин­стру­мен­таль­ные ис­сле­до­ва­ния на­ча­лись лишь в конце XVIII в. Идея од­но­го из опы­тов при­над­ле­жа­ла Б. Фран­кли­ну. Он пред­ла­гал по­кры­вать по­ло­су ме­тал­ла вос­ком, а затем по­гру­жать один конец в го­ря­чее масло. Счи­та­лось, что боль­шей теп­ло­про­вод­но­стью об­ла­дал тот ме­талл, у ко­то­ро­го воск за одно и то же время пла­вил­ся на боль­шей длине.

Ж.-Б. Фурье пред­ло­жил иной спо­соб, по­ка­зан­ный на ри­сун­ке: в стерж­не AB, один конец ко­то­ро­го на­гре­вал­ся, на рав­ном рас­сто­я­нии друг от друга вы­свер­ли­ва­лись не­боль­шие от­вер­стия под тер­мо­мет­ры (a, b, … f). Вна­ча­ле тем­пе­ра­ту­ра каж­до­го тер­мо­мет­ра под­ни­ма­лась, но затем подъём пре­кра­щал­ся, уста­нав­ли­ва­лось ста­ци­о­нар­ное рас­пре­де­ле­ние тем­пе­ра­ту­ры вдоль стерж­ня.

Ис­поль­зуя эту идею, Г. Ви­де­ман и Р. Франц в 1835 году по­лу­чи­ли дан­ные о теп­ло­про­вод­но­сти ме­тал­лов и спла­вов. Ре­зуль­та­ты их опы­тов в от­но­си­тель­ных еди­ни­цах пред­став­ле­ны в табл. 1 (наи­луч­шая про­во­ди­мость  — у се­реб­ра; наи­худ­шая  — у вис­му­та).

Таб­ли­ца 1. Свой­ства ме­тал­лов

Экс­пе­ри­мент по Фурье яв­ля­ет­ся фи­зи­че­ски более вер­ным, чем экс­пе­ри­мент, пред­ло­жен­ный Фран­кли­ном. Дж. Тин­даль привёл такой ар­гу­мент. Возьмём два ко­рот­ких стерж­ня оди­на­ко­вых гео­мет­ри­че­ских раз­ме­ров: один из вис­му­та, дру­гой из же­ле­за; по­кро­ем один торец каж­до­го стерж­ня вос­ком, а дру­гой конец по­ста­вим на крыш­ку котла с го­ря­чей водой. Пер­вым воск рас­та­ет на стерж­не из вис­му­та, зна­чит, по Фран­кли­ну, он луч­ший про­вод­ник тепла. Опыты же Ви­де­ма­на и Фран­ца по­ка­за­ли про­ти­во­по­лож­ный ре­зуль­тат.

Тин­даль разъ­яс­нил, что на ре­зуль­та­ты опыта по Фран­кли­ну вли­я­ет не толь­ко теп­ло­про­вод­ность ме­тал­лов, но и их удель­ная теплоёмкость. Умно­жив удель­ную теплоёмкость ме­тал­ла на его плот­ность для вис­му­та по­лу­чим:

а для же­ле­за:

Сле­до­ва­тель­но, на про­грев стерж­ня из вис­му­та тре­бу­ет­ся мень­шее ко­ли­че­ство теп­ло­ты. Спла­вы ме­тал­лов также об­ла­да­ют вы­со­кой теп­ло­про­вод­но­стью. (На­при­мер, ней­зиль­бер  — сплав меди, ни­ке­ля и цинка, из ко­то­ро­го де­ла­ли сто­ло­вые при­бо­ры.) Тин­даль пишет, что если взять ку­со­чек бе­ло­го фос­фо­ра, ко­то­рый пла­вит­ся при 44 ºС и за­го­ра­ет­ся при 60 ºС, и по­ло­жить его на че­ре­нок чай­ной ложки из ней­зиль­бе­ра, опу­щен­ный в го­ря­чий чай, то фос­фор рас­пла­вит­ся. А если тот же опыт по­вто­рить с лож­кой из се­реб­ра, то фос­фор за­го­рит­ся.

У хо­лод­но­кров­ных жи­вот­ных воз­мож­но су­ще­ство­ва­ние ин­фрагла­за. Теп­ло­вые «глаза» змеи, по­лу­чив­шие на­зва­ние «ли­це­вые ямки», пред­став­ля­ют собой спе­ци­а­ли­зи­ро­ван­ные ор­га­ны, чув­стви­тель­ные к ин­фра­крас­но­му из­лу­че­нию внеш­них объ­ек­тов. Ли­це­вые ямки, как пра­ви­ло, рас­по­ло­же­ны впе­ре­ди и чуть ниже обоих глаз змеи, а их число за­ви­сит от вида змеи и может до­сти­гать 26 (у пи­то­на).

Наи­бо­лее изу­че­ны ли­це­вые ямки гре­му­чей змеи. Чув­стви­тель­ность ли­це­вой ямки та­ко­ва, что она может об­на­ру­жить че­ло­ве­че­скую руку или живую мышь на рас­сто­я­нии 0,5 м. Змея про­из­во­дит бро­сок тогда, когда тем­пе­ра­ту­ра чув­стви­тель­ной мем­бра­ны ли­це­вой ямки по­вы­ша­ет­ся всего лишь на 0,003 °C.

Глаз-тер­мо­метр, в от­ли­чие от глаза, ре­а­ги­ру­ю­ще­го на ви­ди­мый свет, не со­дер­жит линзы, и своей кон­струк­ци­ей на­по­ми­на­ет ка­ме­ру-об­ску­ру (см. рис.). Диа­метр тер­мо­чув­стви­тель­ной мем­бра­ны, как пра­ви­ло, более чем в 2 раза пре­вы­ша­ет диа­метр внеш­не­го от­вер­стия ли­це­вой ямки. Это обес­пе­чи­ва­ет ча­стич­ную фо­ку­си­ров­ку изоб­ра­же­ния на по­верх­но­сти мем­бра­ны. Од­на­ко, каж­дая такая ямка об­ла­да­ет лишь при­ми­тив­ной фо­ку­си­ру­ю­щей спо­соб­но­стью: она даёт воз­мож­ность раз­ли­чать два от­дель­ных ин­фра­крас­ных ис­точ­ни­ка толь­ко тогда, когда угол между на­прав­ле­ни­я­ми на них со­став­ля­ет 30–60°. В то же время ис­поль­зо­ва­ние змеей од­но­вре­мен­но не­сколь­ких таких ямок, име­ю­щих раз­лич­ные пе­ре­кры­ва­ю­щие друг друга зоны об­зо­ра, поз­во­ля­ет зна­чи­тель­но лучше ло­ка­ли­зо­вать на­прав­ле­ние на цель после об­ра­бот­ки моз­гом ин­фор­ма­ции от всех тер­мо­ре­цеп­то­ров.