Лабораторная работа №4 определение энерготрат живого организма методом прямой калориметрии

 

Цель работы: ознакомление с методом прямой калориметрии

Приборы и принадлежности: физиологический калориметр, нагреватель (фантом), милливольтметр Ф-195, миллиамперметр э-524, источник питания нагревателя.

Описание схемы установки:

 

Энерготраты организма – это полное количество тепла, отдаваемое живым организмом окружающей среде. Для определения энерготрат применяют два метода: прямую и непрямую калориметрию. Метод непрямой калориметрии основан на исследовании газообмена (этот метод будет подробно рассматриваться в курсе нормальной физиологии). Метод прямой калориметрии позволяет непосредственно измерять количество тепла, выделяемое живым организмом, при помощи специальных физиологических калориметров. В данной работе используется калориметр, который состоит из внешней латунной коробки (1) и помещенной в нее внутренней латунной коробки (2), разделенных теплоизолированными прокладками. Во внутренней коробке находится латунная клеточка, в которую помещается мышь. Непосредственной задачей работы является определение энерготрат мыши. Для измерения температур используется термобатарея, состоящая из шести последовательно соединенных термопар (3). Один спай каждой термопары наклеен на стенку внутренней коробки калориметра, другой спай – на стенку внешней коробки. ЭДС, возникающая в термопаре, прямо поропорциональна разности температур спаев, то есть разности температур между внутренностью калориметра и окружающей средой:

 

                                    Е_t =β (Т_i-Т_e),

где β – постоянная батареи термопар (для данной батареи термопар β= 0,25 мВ/С).Эта ЭДС измеряется чувствительным калориметром (4). Во второй части работы вместо животного в калориметр помещают нагреватель (5), который подключается к розетке 12 В. Протекающий в цепи ток регистрируется миллиамперметром (6).

    При расчете энерготрат необходимо учитывать теплообмен между калориметром и окружающей средой. Это делается следующим образом. Для опыта, когда мышь находится в калориметре, уравнение теплового баланса в дифференциальной форме имеет вид:

dQ = c·dT + A(T_i –T_e)dt = c·dT + A·ΔTdt

где dQ – количество тепла, выделенное животным за время dt;

с – теплоемкость внутренней коробки;

dT – изменение температуры внутренней коробки за время dt;

T_i – температура внутренней коробки;

T_e – температура внешней коробки;

ΔT – разность температур между внутренней коробкой и внешней коробкой (т.е. окружающей средой);

А – суммарный коэффициент теплообмена между коробками.

   Первый член в уравнении – это тепло, затраченное на нагревание калориметра, второй – тепло, выделенное в окружающую среду. После интегрирования:

где T_io  — начальная температура внутренней коробки;

T_ik — конечная температура внутренней коробки;

ΔT_iм —разность температур внутренней коробки в конце и начале опыта с мышью.

 

Выполнить интегрирование невозможно, т.к. неизвестно по какому закону меняется температура в течение опыта. Вместе с тем известно, что определенный интеграл численно равен площади, заключенной между кривой, осью абсцисс и двумя ординатами, проведенными через начало и конец рассматриваемого интервала. Построив график зависимости ΔT_iм от времени в минутах, можно найти площадь, а следовательно и величину интеграла. В уравнении (1) неизвестными остались величины энерготрат Q и коэффициента А. Чтобы определить коэффициент А необходимо провести опыт с нагревателем, который помещается в калориметр вместо мыши. В этом случае уравнение теплового баланса имеет тот же вид:

dQ´= c·dT´+A·ΔT´dt

где dQ´- количество тепла, выделенное нагревателем за время dt.

Проинтегрировав, получим Q´= c·ΔT_н + A

где ΔT_н — разность температур внутренней коробки в конце и в начале опыта с нагревателем.

По закону Джоуля – Ленца Q´= I²·R·t_к

где I – сила тока в цепи нагревателя;

R – сопротивление нагревателя;

T_к –продолжительность опыта в секундах.

Поэтому можно записать:

I²·R·t_к = c·ΔT_н+A·

Интеграл определяется графически. Затем из уравнения (2) находится коэффициент А, подставив который в (1), можно будет определить энерготраты мыши Q.

 

Порядок выполнения работы:

1. Запишите в таблицу измерений значение теплоемкости калориметра С, указанное на крышке внутренней коробки калориметра, постоянную батареи термопар β и сопротивление нагревателя R.

2. Включите милливольтметр в сеть (переключатель диапазонов должен стоять в положении 1мВ).

3. Поместите в калориметр животное, плотно закрыв крышки.

Примечание: при закрывании и открывании калориметра не допускайте сдвига внутренней коробки по отношению к внешней во избежание повреждения спаев термопар и их смещения.

 

                                   Таблица измерений

Теплоемкость калориметра С=			Сопротивление нагревателя R=
Постоянная термобатареи β=			Ток нагревателя I=
Опыт с мышью			Опыт с нагревателем
Время t,мин	ЭДС Еt, мВ	ΔТ=Тi-Te,Сo	Время t,мин	ЭДС Еt, мВ	ΔТ=Тi-Te,Сo
0			0
2			2
4			4
6			6
8			8
10			10
12			12
14			14
16			16

 

4. Через 1-2 минуты, необходимые для успокоения мыши, запишите в левую часть таблицы первое показание милливольтметра Е, соответствующее времени t=0. В дальнейшем производите записи показаний через каждые 2 минуты в течение 16 минут. С согласия преподавателя опыт можно остановить раньше, если температура перестала изменяться.

5. Выньте мышь, дайте калориметру проветриться и остыть с открытыми крышками в течение 20 минут. Первая часть опыта закончена.

6. Поместите в середину калориметра нагреватель, закройте крышки, включите питание нагревателя (розетка 12 В), запишите в таблицу величину силы тока, идущего по нагревателю, и через 15-20 секунд запишите первое показание милливольтметра, соответствующее времени t=0. Переключатель диапазонов милливольтметра  должен стоять в положении 100мА).

7. Повторяйте измерения каждые 2 мин в течение 16 мин. Результаты занесите в правую часть таблицы.

8. Закончив измерения, выключите нагреватель, выньте его из калориметра, выключите всю установку.

Обработка результатов измерений:

1. Вычисляется и заносится в соответствующие графы таблицы разность температур внутренней Т_i и внешней Т_e коробки как для опыта с мышью, так и для опыта с нагревателем:

Т_i – Т_e= = = 4Ei

2. На одном листе миллиметровой бумаги строятся графики зависимости разности температур ∆Т и ∆Т^/  от времени. Рекомендуемые масштабы:

по оси абсцисс 1 мин – 1 см

по оси ординат 1С^о – 4 см.

3. Находятся площади (в см²) S_м и S_н под этими графиками.

4. По результатам опыта с нагревателем, используя принятые обозначения, находится суммарный коэффициент теплообмена

где t — время опыта для нагревателя или мыши.

5. Рассчитываются энерготраты мыши за время опыта и средняя мощность, выделяемая животным в процессе теплообмена

Q= C ∆T м+ A Sм

6. Сделайте вывод. В выводе отразите:

6.1 Достигнута ли цель работы?

6.2 Какое явление наблюдали?

6.3 Оцените среднюю мощность, выделяемую мышью.

7. Дайте теоретическое обоснованиеработы, опираясь на вопросы для самоподготовки

 

Вопросы для самоподготовки:

1. 1-й закон термодинамики. Применение 1-го закона термодинамики к живым    организмам.

2.  Виды работ, совершаемых организмом.

3.  Теплообмен. Виды теплообмена.Уравнение теплового баланса живого организма.

Задачи.

1.Сколько тепла теряет человек за 1 мин в результате лучеиспускания, если поверхность тела имеет температуру 32⁰С,а площадь – 1,2 м²? Температура окружающей среды 17⁰С. Тело можно считать абсолютно черным (постоянная Стефана-Больцмана 5,7  10^-8Вт/(м² К⁴)

2.Наружная поверхность участка кожи площадью 0,02 м² имеет температуру 29⁰С, температура внутренней среды 38⁰С, коэффициент теплопроводности кожи 0,2 Вт(/м К). Какое количество теплоты в час теряется через этот участок, если толщина кожи 1 см?

 

   Литература:

    1.Ремизов А.Н. Максина А.Г., Потапенко А.Я. Медицинская и биологическая   физика: учеб. для вузов. – 9-е изд., Москва, Дрофа, 2009

     2. Соколов Д.В. Поспелова И.И. Введение в биологическую термодинамику (учебное пособие для студентов 1 курса) – Л.:Изд-во 1 ЛМИ, 1991. – 34с.