Страница 4 из 50
Одним из способов сохранения тепла является увеличение размера тела. Чем животное больше, тем меньше площадь поверхности его тела по сравнению с его массой. Если массу мыши увеличить в сто раз, оставив без изменений форму ее тела, она станет вырабатывать в сто раз больше тепла. Однако площадь соприкосновения мыши с окружающей средой, ее шкурка, увеличится только в десять раз, поэтому животное станет терять тепло только в десять раз быстрее.
Приведенные расчеты позволяют сделать вывод, что большим животным легче сохранять тепло, чем мелким. Это может быть одной из причин, по которой некоторые холоднокровные динозавры и родственные им рептилии достигали таких огромных размеров. Также это может объяснять большие размеры некоторых теплокровных животных, обитающих в арктических зонах: китов, моржей и белых медведей.
Кроме увеличения массы тела, существует еще один способ сократить потерю тепла. Воздух является очень плохим проводником тепла. Если слой воздуха вокруг тела животного будет сохраняться в неподвижности, то даже в холодные дни потеря тепла будет идти медленнее. Но проблема в том, что воздух не может удерживаться на месте. Даже если бы не было ветра, движения животного будут производить колебания воздуха. А именно движущийся воздух приводит к потере тепла.
Как же животному удержать воздух вокруг своего тела в неподвижности? Две различные группы животных решили эту задачу по-разному. У предков млекопитающих появилась шерсть, а у предков птиц — перья. И шерсть, и перья постепенно сформировались из чешуи. Шерсть и перья задерживают у поверхности кожи слой «мертвого» воздуха, чем уменьшают потерю тепла; при этом перья действуют намного эффективнее шерсти. Когда потеря тепла уменьшается, естественное тепло, образующееся в организме в ходе химических реакций, согревает млекопитающих и птиц даже в холодные дни.
Человек, который потерял почти все покрывающие тело волосы, стал заменять естественный покров искусственным в виде одежды в холодный день и одеяла ночью. У китов, также потерявших волосяной покров, но тем не менее вернувшихся в ледяной океан, сформировался толстый слой подкожного жира, который также хорошо препятствует потере тепла.
Когда решена проблема потери тепла, возникает трудность иного рода. В теплые дни в организме может накапливаться слишком много тепла. Во время повышенной активности скорость химических реакции увеличивается и, следовательно, производится большее количество тепла. Получается, что теплокровные животные, научившись сохранять тепло, должны научиться избавляться от него, когда возникает такая необходимость.
У нас, например, есть потовые железы, постоянно выводящие избыток жидкости на поверхность кожи. Там она испаряется, превращаясь в газ. Водяные пары обладают большей энергией, чем жидкость при той же температуре. Следовательно, чтобы жидкость превратилась в пар, нужно тепло, самая простая форма энергии. Необходимое тепло поступает из наиболее доступного источника: из кожи, с которой тесно связано потоотделение.
Другими словами, испарение потовых выделений охлаждает кожу. В прохладные дни потовые железы работают менее активно, поэтому охлаждение замедляется. В теплые дни или в периоды повышенной активности потоотделение становится более обильным, и кожа охлаждается.
Поэтому потоотделение является естественной системой охлаждения. Способность потеть позволяет человеку выживать при высокой температуре, при которой может даже закипеть вода. Если раскаленный воздух абсолютно сухой, усиливается потоотделение, и испаряющаяся с поверхности тела жидкость охлаждает кожу быстрее, чем тепло успевает образоваться в организме.
Ценность системы охлаждения становится особенно понятной в тех случаях, когда она работает с перегрузками. Иногда мы так активно двигаемся, что вырабатываем тепла больше, чем может вывестись на поверхность кожи с потом. Потоотделение происходит очень быстро, пот не успевает испариться, и его капельки собираются на коже. В жаркий и влажный день испарение настолько замедляется, что капельки пота образуются на коже, даже если мы находимся в неподвижном состоянии. В любом случае отказ системы охлаждения приводит к неприятным последствиям.
Другой способ регуляции температуры тела происходит с участием крови. В самой химически активной части тела температура будет выше, чем в остальных органах. В тех органах, которые расположены ближе к более холодной окружающей среде, температура будет ниже.
Кровь уравнивает эти разницы температур во время циркуляции. Она поглощает тепло, проходя через активные органы, например печень, затем, проникая в более холодные ткани, такие, как кожа, кровь отдает им тепло. Таким образом она охлаждает печень и согревает кожу.
В жаркие дни тело медленно отдает тепло окружающему нагретому воздуху. В качестве компенсации в организме происходит расширение мелких кровяных сосудов. Это происходит из-за расслабления крошечных мышечных клеток в стенках кровеносных сосудов. Расширенные сосуды пропускают больше крови, поэтому в окружающую среду выводится больше тепла. Это компенсирует его более медленную потерю. Поэтому лицо человека краснеет в жаркий день, или после напряженной работы, или физических упражнений, когда производимое мышцами количество тепла превосходит обычное.
С другой стороны, когда температура воздуха опускается ниже обычной, происходит повышенная потеря тепла, и организм должен компенсировать эти затраты. Одним из способов является сокращение мышц мелких сосудов, что приводит к их сужению. Таким образом поступление крови к коже снижается, и потеря тепла уменьшается. Поэтому мы и синеем от холода. Холод также вызывает дрожь, при этом повышение мышечной активности приводит к выработке дополнительного тепла; на холоде возникает «гусиная кожа», когда поднимаются до этого бесполезные маленькие волоски, и организм таким образом пытается удержать у своей поверхности более толстый слой воздуха.
Какую роль играет вода в процессе теплообмена, проходящем с участием крови и потоотделения? Для ответа на этот вопрос необходимо знать, сколько тепла могут удерживать различные вещества.
Допустим, вы нагрели литр воды до температуры 100 °C, то есть вода дошла до точки кипения. Далее, у вас есть литр этилового спирта при температуре 0 °C, то есть в точке замерзания воды.
Теперь смешайте литр горячей воды и литр холодного алкоголя, стараясь не потерять большое количество жидкости в результате активного испарения. У вас получится два литра водно-алкогольной смеси со средней температурой. Здравый смысл подскажет вам, что температура этой смеси должна составлять нечто среднее от двух температур: 50 °C.
Однако в этом случае здравый смысл ошибается, как в общем-то часто и происходит. Окончательная температура будет, скорее всего, равна 65 °C.
Вода способна удержать больше тепла, чем алкоголь. Для повышения температуры воды требуется больше тепла. И если температура падает, вода отдает больше тепла, чем алкоголь. Количества тепла, отдаваемого водой при охлаждении на 35°, достаточно для нагревания алкоголя до 65°.
Для нагревания одного кубического сантиметра воды на 1 °C требуется 1 тепловая калория. (Точное количество калорий может несколько различаться в зависимости от начальной температуры, но не будем это принимать во внимание.) При температуре тела потребуется всего 0,6 тепловой калории, чтобы нагреть один кубический сантиметр этилового спирта на 1 °C, а для нагревания такого же объема оливкового масла потребуются и того меньше — всего 0,5 калории.
Некоторые известные всем твердые вещества удерживают тепло еще хуже, чем оливковое масло. Кубический сантиметр стекла при обычной температуре нагреется всего на 1° после поглощения 35–50 тепловых калорий. Точная цифра зависит от разновидности стекла. Некоторые металлы удерживают тепло еще слабее. При обычной температуре кубический сантиметр меди нагреется на 1° после поглощения 22 калорий. Для серебра это будет примерно 15 калорий, а для золота всего 8 калорий. Температура пустого чайника на огне поднимется моментально, однако небольшое количество воды в том же чайнике будет нагреваться очень медленно.