БИОФИЗИКА Термодинамика. Доцент Др. Томислав Станковски

БИОФИЗИКА Термодинамика Доцент Др. Томислав Станковски За интерна употреба за потребите на предметот Биофизика Катедра за Медицинска Физика Медицински Факултет Универзитет Св. Кирил и Методиj, Скопjе Септември 2015

2 0.1 Термодинамика Системите (телата) се состоjат од огромен броj атоми, молекули и други структурни единки. Во даден момент тие изведуваат сложено, некоординирано движење. За да се проучат поjавите во ваквите системи, можни се два основни приоди: 1. Термодинамички што произлегува од основните експериментални закони што овде добиле назив термодинамички принципи. При ваквиот приод не е потребно да се знае внатрешната структура на системот и 2. Молекуларно-кинетички (статистички) што се заснива на претставата за молекуларната градба на супстанциjата. Со помош на теориjата на вероjатност што е применлива на системи со голем броj структурни единки, можно е да се воспостават одредени закономерности на таквиот систем. Термодинамиката е дел од физиката што ги проучува енергетските трансформации во сложените системи, при што како мерка за размена на енергиjата се користат топлинските процеси. Деjноста на живиот организам е поврзана со трансформациjа на енергиjата од еден во друг вид, при што е присутен процесот на размена помеѓу живиот систем и околната средина. Во општ случаj термодинамиката jа има оваа поделба: рамнотежна термодинамика што ги проучува оние системи што се во рамнотежа или се стремат кон таква состоjба и нерамнотежна термодинамика коjа што има особена улога во биолошките системи. Систем коj со своjата околина разменува супстанциjа и енергиjа е наречен термодинамички отворен систем, коj во суштина е и неавтономен систем. Сите биолошки системи припаѓаат на оваа група. Ако системот со своjата околина не разменува супстанциjа и енергиjа е наречен изолиран. Во општ случаj состоjбата на термодинамичкиот систем е определена од макроскопските параметри: притисокот p, волуменот V, густината ρ и температурата T. Квазистационарен процес е премин на системот од една во друга состоjба преку низа рамнотежни состоjби. Реален процес, коj е многу бавен, се смета за

3 рамнотежен. Бескраjно бавните процеси се сметаат за рамнотежни процеси. 0.1.1 Прв принцип на термодинамиката Со овоj принцип се потврдува дека вкупната енергиjа на материjалниот систем останува константна, независно од промените што ги претрпува системот. До промена на енергиjата на системот доаѓа само при размена со околната средина. Овоj принцип е во согласност со законот за одржување на енергиjата. Со овоj закон може да се определи внатрешната енергиjа на системот ако се познати вредностите на енергиjата што jа добива и оддава испитуваниот систем. Под внатрешна енергиjа на системот се подразбира вкупната сума на различните видови енергии (механичка, осмотска, топлинска, хемиска, електрична,...). Количеството топлина Q што се предава на еден систем се троши за промена на внатрешната енергиjа U на системот и за работа А што системот jа врши против деjството на надворешните сили. Врската меѓу тие величини jа дава првиот принцип на термодинамиката: Q = U + A, каде што промената на внатрешната енергиjа U е зададена со разликата од вредностите на внатрешната енергиjа во краjната и почетната состоjба: U = U 2 U 1. Количеството топлина Q како и работата А се функции од самиот процес, а не од состоjбата на системот. И двете величини не можат да се изразат со некоj параметар на конечната и почетната состоjба, затоа во формулата за Q тие се запишани без знакот. Но, за мали вредности на Q и А и мали промени на U, може да се користат исти ознаки за промената; така првиот закон на термодинамиката може да се запише: dq = du + da. Од првиот закон за термодинамика постоjат пет значаjни последици и импликации: 1. Каj изобарните процеси (константен притисок), волуменот се менува V, гасот се шири и врши работа против деjството на надворешните сили. Но, исто така доведената топлина се троши и за промена на внатрешната енергиjа на

4 системот, па првиот закон на термодинамиката за овие процеси го има овоj вид: dq = du + pdv. 2. Каj изотермните процеси температурата на гасот останува константна, du =0. Примената топлина се троши за вршење работа на системот: Q= A. Ако е тоа идеален гас за коj важи Клапеjроновата равенка pv = nrt, извршената работа ќе биде: A = nrt ln V 2 V 1. 3. Каj изохорните процеси волуменот на гасот не се менува, системот не врши работа, A = 0. Ако извршената работа е еднаква на нула, системот е механички затворен и целата топлина се троши за зголемување на внатрешната енергиjа. Тогаш првиот закон на термодинамиката гласи: Q = du = mc v T. Внатрешната енергиjа линеарно расте со температурата. 4. Каj адиабатските процеси нема топлинска размена, ( Q = 0), а извршената работа се одвива за сметка на промената на внатрешната енергиjа, таа се намалува, а системот се лади: du=-a. За адиабатските процеси важи законот на Поасон: T V γ 1 = const каде што γ е адиабатска константа на гасот. Од таму се заклучува дека при адиабатска експанзиjа на гасот доаѓа до смалување на неговата температура, а при адиабатска компресиjа, температурата се зголемува. 5. Ако системот не добива топлина од надвор и ако не jа менува своjата внатрешна енергиjа: Q = 0; du=0, тогаш и da=0. Во таков случаj, системот не може да врши работа против надворешните сили. Првиот закон на термодинамиката може и вака да дефинира и дека: Перпетуум мобиле од прв ред не е можно. Нека замислиме експеримент со идеален моноатомски гас во коj се одржува константен притисок, а волуменот се менува. Тоа може да се изведе во цилиндричен сад со подвижен клип како што е случаjот претставен на Слика 0.1. Со додавање на топлина Q од надвор со свеќата, температурата ќе се зголеми на и волуменот поради тоа ќе се прошири, а притисокот според предходните сознаниjа

5 Сл. 0.1: Експанзиjа на волуменот на гасот под деjство на топлина од свеќата. ќе си jа задржи своjата вредност. Промената на внатрешната енергиjа ќе зависи само од температурата. Но, додавањето на енергиjа се манифестира и преку вршење на работа на гасот, за покачување на клипот за одредена висина h нагоре. Тогаш волуменот на цилиндерот со напречен пресек Ѕ ќе се зголеми: V 2 V 1 = Sh. Употребената сила од страна на гасот за покачување на клипот е p 1 S. Во процесот на поместување на клипот за растоjание h работата за поместување е A=Fh, тогаш: A = p 1 Sh = p 1 (V 2 V 1 ). Од овде произлегува дека донесената топлина од надвор освен за зголемување на внатрешната енергиjа се употребува и за покачување на клипот односно за вршење на механичка работа. Издигнувањето на клипот на поголема височина според сликата придонесува да се зголеми потенциjалната енергиjа на системот за E p = mgh. Првиот принцип на термодинамиката не укажува на насоката на протекување на можните процеси: според него еднакво можен процес е преминот на топлина од потопло кон поладно тело и обратно. Но, секоjдневното искуство ни кажува друго вториов процес е невозможен. Затоа е потребен уште некоj принцип што ќе укаже кои процеси се повероjатни од другите.

6 0.1.2 Втор принцип на термодинамиката Молекуларните движења кои помеѓу другото се причина и за топлинските движења, се одликуваат со своjа сопствена неодреденост. Во рамките на класичната претстава за механичките движења, движењето на огромниот броj на молекули во даден систем не може егзактно да се пресмета. Системи со огромен броj на честици проjавуваат нови своjства, кои не можат да се окарактеризираат само со механичките состоjби. Освен различната местоположба молекулите имаат и различна брзина коjа може да биде прикажана само со помош на методите на вероjатност и статистиката. Со зголемување на броjот на честичките се менува и вероjатната состоjба во определен волумен. На пример ако разгледаме еден молекул во сад со волумен V идеално поделен на две половини, тогаш молекулот ќе се наjде или во првата или во втората половина од садот. Вероjатноста да се реализира состоjбата W 1 = W 2 = 1/2. Aко во истиот волумен наместо една се наjдат две молекули, со подеднаква вероjатност за нивната местоположба, тогаш вероjатната распределба ќе биде карактеризирана со четири можни различни состоjби:w 1 = W 2 = W 3 = W 4 = 1/4. Со понатамошно зголемување на состоjбата на броjот на честичките, уште помала ќе биде вероjатноста сите тие да се наjдат во едната половина од поделениот сад. Нека во сад е сместен гас коj во почетниот момент е затворен во едната половина на садот, а другата нека е сосема празна. Со отстранувањето на преградата молекулите од гасот започнуваат да го пополнуваат целиот простор. По пополнувањето, состоjбата на гасот е определена од условите во дадениот момент, а не од почетните услови, кои би биле карактеристични за многу други механички системи. За разлика од механичките движења, состоjбата на дадено количество гас при реалните процеси е неповратна. Разгледуваната макроскопска состоjба на гасот е определена од средните вредности на параметрите, кои се резултат од непрекината брза промена на блиски микроскопски состоjби, кои помеѓу себе се разликуваат со друга прераспределба на енергиjата на едни и исти молекули, во различни делови на волуменот. Броjот W на овие непрекинато променливи состоjби го карактеризира степенот на безредие на макроскопската состоjба на дадено количество на гас. Големината W

7 Сл. 0.2: Ентропиjа на тврдо тело и гас. во статистичката физика е позната под името термодинамичка вероjатност на дадена микросостоjба. Функциjата S што го карактеризира безредието на топлинското движење е наречена ентропиjа на системот; таа е пропорционална на природниот логаритам од термодинамичката вероjатност W: S = k ln W. Оваа формула е изведена од Л. Болцман а коефициентот k = 1.38 10 23 J/К е Болцманова константа. Според молекуларно-кинетичката теориjа, ентропиjата може да се сфати како мерка за неподреденоста на честичките во ситемот. Според обjаснувањата на поимот ентропиjа, произлегува дека каj системите со поголема подреденост вредноста на ентропиjата е помала, и обратно. Подредениот многучестичен систем многу полесно преминува во неподреден, отколку обратното. Кога системот содржи огромен броj на честички кои се движат, ентропиjата е максимална, што одговара на максимална неподреденост. При намалување на волуменот на некоj гас, неговите молекули зафаќаат ce поподредени положби, а состоjбата одговара на подобра подреденост на системот - ентропиjата се намалува. На пример, при кондензациjа на гасот во течна состоjба, а потоа со втврднување на течноста, доаѓа до поголема подреденост на молекулите, а со тоа и до намалување на ентропиjата Слика 0.2. Во термодинамиката се сретнуваат поимите повратни и неповратни процеси. Ако термодинамички систем преминуваjќи низ различни состоjби, повторно се враќа во своjата првобитна состоjба се вели дека е извршен повратен процес. Во природата нема такви процеси. За да егзистира ваков процес механичките претворби треба да се одвиваат без триење, при што секоj пат се ослободува топлина. Затоа сите процеси каj кои има триење, отпор или нееластичен судир по своjата природа се

8 неповратни процеси. Сите биолошки процеси се неповратни. Искуствата со топлотните машини даваат можност за повеќе формулации на вториот термодинамички принцип. Неговата формулациjа е дадена од Клаузиус: Топлината сама од себе не може да премине од тело со пониска, кон тело со повисока температура. Друг облик на вториот принцип на термодинамиката е даден од Томсон: Не е можен таков периодичен процес, чиjшто единствен резултат би бил претварање на топлината во работа само како последица на ладење на едно тело или: Перпетуум мобиле од втор ред е невозможно. Во топлинските машини се врши работа за сметка на предадената топлина, но притоа дел од топлината мора да се предаде и на ладилникот. Коефициентот на корисно деjство на топлотните машини е претставен со односот на извршената работа и количеството на топлина добиена од греjачот: µ = A Q, односно според A = Q 1 Q 2 од каде следува следната нормализациjа: µ = Q 1 Q 2 Q 1. Кога системот се враќа во почетната состоjба тоа е тнр. кружен процес или циклус. Проучуваjќи карактеристичен кружен процес (што се состои од две изотерми и две адиабати) францускиот научник С. Карно покажал дека коефициентот на полезно деjство на систем од идеален гас (работна средина) кому се предава топлина од греjач при температура T 1, а потоа тоj предава топлина на ладилник при температура T 2 е еднаков на : µ = T 1 T 2 T 1. 0.1.3 Живиот организам како термодинамички систем Сите видови на енергиjа во организмот во краjна линиjа се претвараат во топлина. Топлината што не се користи за вршење на некоjа работа се зрачи (емитира) од организмот. Дифузионите процеси секоjпат се одвиваат од области со поголе-

9 ми кон области со помали концентрации, а топлината се предава од потоплото кон поладното тело. Температурен градиент во услови на термодинамичка рамнотежа не постои. Во согласност со вториот термодинамички принцип, во изолиран систем сите процеси се одвиваат во правец на намалување на градиентите, т.е. имаат тенденциjа на урамнотежнување. За биолошките процеси тоа е парадокс, затоа што биолошките системи се отворени системи кои со околината разменуваат енергиjа и супстанциjа. Тие можат да се проучуваат со помош на методите на нерамнотежна термодинамика. Ако биолошките системи се третираат просто како топлотни машини каде што за сметка на топлотната енергиjа се врши работа, би се добиле сосема нелогични заклучоци. Така на пример, ако се земе дека коефициентот на корисно деjство на мускулите е µ = 02, температурата T 1 = 37 0 С, тогаш температурата на средината T 2 = 0.8 T 1 = 29.6 0 С. Земен е случаjот T 2 < T 1. Но, може да се земе дека температурата на средината е поголема од онаа на организмот T 2 > T 1 (што е можно особено во летни горештини). Во таков случаj би се добило T 2 = 42.6 0 С, а на оваа температура сите ткива просто би се свариле. Се разбира, ова не се случува затоа што во биолошките системи не се одвива процес на директна претворба на топлинската, туку на хемиската енергиjа во механичка работа. Основни видови на работа што се вршат во живиот организам се: Хемиската работа се врши при разни хемиски реакции како на пример, синтеза на високомолекуларни од нискомолекуларни соединениjа. Синтезата на вакви соединениjа е поврзана со загуба на енергиjа поради што се врши работа. Механичката работа се врши за сметка на преместување на тела или органи со помош на механички сили. Тоа се обавува со помош на контракциjата и движењето на мускулите, во локомоторниот и другите системи. Осмотска работа се врши при пренесување на разни супстанции низ една или повеќе мембрани, од области со пониска, кон области со повисока концентрациjа. Овие процеси се реализираат со помош на специjален механизам за активен транспорт, со помош на дифузиони сили, при кои се поjавува загуба на енергиjа поради активноста на клетките. Електричната работа се врши при пренос на наелектризирани честички (jо-

10 ни) во електрично поле, при што се создава електричен потенциjал и електрична струjа. Во организмите електричната работа се користи при генерирање на биопотенциjали и спроведување на нервни надразнувања. Овоj тип на работа е карактеристичен каj одреден тип на животни кои имаат специjални органи за генерирање, прием или акумулациjа на електрична енергиjа. Слична е состоjбата и со организмитзе кои имаат способност за емитирање на светлина. Во продукциjата на светлинската енергиjа учествува и хемиската работа. Основен извор на енергиjа каj организмите при извршување на сите видови на работа е хемиската енергиjа од хранливите продукти коjа се издвоjува при процесите на варење. Сончевата енергиjа каj растениjата се трансформира при процесите на фотосинтезата. Истата енергиjа понатаму индиректно се користи од животните кои се хранат со растениjа. Енергиjата добиена од Сонцето и храната не може директно да се трансформира во други облици на енергиjа. Неопходни се посебни услови и процеси таа да се трансформира во: механичка, осмотска, електрична или некоj друг вид на енергиjа. При тоа многу важна улога има аденозин трифосфатот (АТФ), коj дифундираjќи во составните делови на клетките, се користи за извршување на сите видови на работа. Поради тоа АТФ е наречен универзално горивно средство на клетките. Во тек на целиот своj живот во организмот се создава енергиjа во вид на топлина. При непрекинато вршење на работа во организмот постоjано се создава примарна и секундарна топлина. Создавањето на секундарна топлина е пропорционално со активноста на ткивата.

11 0.1.4 Термометриjа Некое тело поседува внатрешна енергиjа коjа е збир од сите видови енергии кои зависат само од внатрешната состоjба на телата, а не и од нивната положба или движењето во однос на околните тела. Внатрешната енергиjа е во врска со температурата на телата, коjа е пропорционална со средната квадратна брзина на молекулите v 2. Според молекуларно-кинетичката теориjа, средната енергиjа е дадена со изразот: mv 2 = 3 2 2 kt, каде k = R/N е Болцмановата константа. Молекуларно механичката енергиjа сама преминува од место со повисока кон место со пониска температура. На таков начин температурата може да се дефинира како физичка величина коjа дава можност да се определат брзините и насоката на протокот на молекуларно механичката енергиjа наречена уште и топлински проток. Според тоа, произлегува дека топлината е енергиjа коjа преминува од еден на друг обjект поради нивните температурни разлики. Количеството топлина кое треба да се даде или одземе од некое тело, за да му се промени температурата за 1 0 С се вика топлински капацитет (С) на тоа тело. Специфичен топлински капацитет е количество на топлина кое на маса од 1kg од некое тело jа променува температурата за 1 0 С. Ако со m се означи масата на телото, а со С специфичниот топлински капацитет, тогаш количеството топлина Q со коjа може да се промени температурата од t 1 на t 2 ќе биде: Q = Cm(t 2 t 1 ). Во Меѓународниот систем (SI) единица за количество топлина е 1J (Џул), што претставува мерка за енергиjата предадена од едно на друго тело низ топлински процес. Единица за специфичен топлински капацитет е J/(kgK). Уредите што служат за определување на специфичниот топлински капацитет се викаат калориметри. Слика 0.3 прикажува пример за процесот на калориметриjа. Со помош на електричен греjач се менува топлината во медиумот, а со мешалката се распоредува топлината насекаде низ медиумот. Со термометарот се отчитува топлината во медиумот, преку коjа се одрдува специфичниот топлински капа-

12 Сл. 0.3: Пример за калориметар. цитет. Во биомедицинските истражувања се користат тн. биокалориметри, каде цел биолошки организам (пр. мало животно) се поставува во една комора и со мерење на температурата во однос на друга комора, се одрдува специфичниот топлински капацитет. Термометри Термометри се уреди што се состоjат од осетлив елемент во коj се реализира термометриското своjство и мерен прибор (дилатометар, манометар, галванометар, потенциометар итн.). Во зависност од мерниот интервал на температури, наjраспространети се термометрите со течност, гасните термометри, отпорните термометри, термопари и пирометри. За мерење на температурата во медицината се користи живин термометар коj jа мери максималната температура на организмот Слика 0.4. Тоа е условено со неговата конструкциjа; резервоарот со жива е одделен од градуираната капилара со стеснување кое што не дозволува на живата при ладењето да се врати во резервоарот. Поради своjата економичност, лесно ракување и помали можности за повреда при користење, се повеќе се користат електронски термометри (всушност базирани на топлински електроелементи) Слика 0.4 или пак термометри базирани на ласерско Слика 0.4 зрачење кои се значително попрецизни и се користат при мерења на субjекти кои тешко може да се задржат стационарни при мерење како каj бебињата.

13 Сл. 0.4: Примери за живин (лево) и електронски (средина) и ласерски (десно) термометар. За мерење на температурата со голема точност (0,01 0 C) во мал интервал служи метастатички термометар составен од резервоар на течност и тенка капилара. Интервалот е само 5 0 C, но тоj може да се избере околу било кои температури. Ниските температури во последно време, имаат широка примена во медицината. Тоа особено се однесува на чувањето на одделни органи и ткива за трансплантациjа при што доволно долго се зачувани виталните функции на таквите органи. Криогената техника се користи за разрушување на израстоци итн. Пренос на ткиво во микрохирургиjата се врши со метални уреди на ниски температури итн. Криогената медицина, криотерапиjа, криохирургиjа се користат широко во современата медицина. 0.1.5 Топлоспроводност Телата со повисока температура оддаваат молекуларно-механичка енергиjа, коjа се прима од телата кои имаат пониска температура (или кога различни делови на едно тело имаат различна температура). Обратен процес не е можен. Топлоспроводноста се одвива без зебележливо движење (пренос) на материjата. Во теориjата на топлоспроводноста се воведува поимот топлински поток dq/dt што го претставува количеството внатрешна енергиjа што се пренесува во единица време. Топлински поток ќе постои само ако во телата постои температурен градиент dt/dx (однос на разликата на температурите T 1 и T 2 во две точки x 1 и x 2 и нивното меѓусебно растоjание) при што за мала разлика на x 1 и x 2 формално може да се смета дека dt dx = T 2 T 1 x 2 x 1.

14 За тврдите тела топлоспроводноста е дадена со законот на Фурие: dq dt = ks dt dx, каде што S е попречниот пресек на патот нормален на x оската, k е коефициентот на топлоспроводност коj зависи од физичките карактеристики на материjалот. Димензиjата на коефициентот k во SI -системот е W m 1 K 1. Карактеристични коефициенти на топлоспроводност Експериментално добиените вредности за k покажуваат дека топлопроводноста е различна: наjголема е каj металите, а наjмала каj гасовите. За бакарот на пример, k=380 W m 1 K 1, а за плута околу 0,043 W m 1 K 1. Дрвото, стаклото, тулите имаат мала топлоспроводност: затоа тие се основни градежни материjали. Топлоспроводноста на биолошките ткива е исто така мала, затоа кожата и масните ткива имаат улога на топлинска заштита. Мускулните ткива, крвта, лимфата, церебро-спиналната течност имаат топлопроводност блиска по вредност до онаа на водата. Човековата кожа во зависност од надразнувањата и местото има различна моќ на емисиjа на топлина. Оваа способност зависи од промената на брзината на циркулациjата на крвта или абнормални промени на процесите во некои клетки. Постоjат повеќе начини за определување на емисионата моќ на топлината од кожата на човечкиот организам. Термоскопиjата е еден од методите за следење на интензитетот на зрачење на топлина од различни точки на површината на човечкото тело. Зрачењето на човечкото тело се наоѓа во инфрацрвената област од електромагнетниот спектар и се состои од бранови со должини од 5-20µm, со максимален интензитет во подрачjе 9µm. Апсорпционата способност за топлина на човечкото тело изнесува 97% од апсорпционата способност на апсолутно црна површина. Испитувањата покажуваат дека зголемените физички и интелектуални активности придонесуваат за зголемување на емисиjата на топлина од организмите. Експериментално е утврдено дека човечкиот организам за 24 часа оддава на околната средина 7,1 kj топлина; така наликува на топлинска машина со коефициент

15 на корисно деjство од 13%. Остатокот од внесената енергиjа служи за одржување на броjни процеси во организмот. Топлината во човечкиот организам се пренесува преку движењето на крвта. Ако температурата на надворешната средина е пониска, човечкиот организам губи големо количество топлина (наjмногу преку респирациjата). Се смета дека човекот може да поднесе долна температурна граница на средината од -50 0 С. 0.1.6 Основни гасни закони За проучување на гасната состоjба неопходно е воведување на поимот идеален гас: молекулите на гасот се претставени со материjални точки, а средното меѓусебно растоjание помеѓу нив е многу поголемо од нивните димензии. Поради тоа нивното заемнодеjство е занемарливо. Реалните гасови при незначителен притисок имаат блиски своjства до идеалните. Со зголемување на вредностите на притисокот, своjствата на реалниот гас се оддалечуваат од своjствата на идеалниот гас. Според тоа, при проучувањата идеалниот гас може да се користи како модел за проучување на реалниот гас. Состоjбата на гасот, во општ случаj се карактеризира со температурата T, волуменот V и притисокот p. Овие три величини се основните параметри на макроскопската состоjба на гасот. Тие се зависни меѓу себе и меѓу нив постои определена врска: F (p, V, T ) = 0. Релациjата со коjа се изразува функционалната зависност меѓу трите параметри се вика равенка на состоjбата на гасот. Во општ случаj, од трите параметри два можат да бидат дадени, а третиот од нив може да се определи. Притисокот на гасот е резултат од зголеменото удирање на молекулите во ѕидот на садот. Овие судири се зголемуваат или со зголемување на температурата на гасот, или со намалување на неговиот волумен (зголемување на густината). При вршење на промена на гасните параметри се вели дека се одвива гасен процес. Промената на состоjбата на гасот може да се следи кога еден од параметрите се одржува константен. Во тоj случаj станува збор за изопроцес. Во зависност од тоа коj параметар се одредува во однос на другите два параметри, се користат посебни физички закони.

16 Сл. 0.5: Ефект на климатска стаклена бавча. 0.1.7 Ефект на стаклена бавча и озонска обвивка Енергиjата што Земjата jа добива од Сонцето влегува во климатскиот систем и повторно се емитира како зрачење со поголеми бранови должини. За да се постигне стабилност на температурата на површината на Земjата, неопходно е да се воспостави рамнотежа помеѓу зрачењето што доаѓа на планетата и зрачењето што jа напушта. Во спротивно површината на Земjата ќе продолжи да се загрева или лади во зависност од односот на пристигната и емитираната енергиjа. Ефектот на стаклена бавча е искористен како модел за климатскиот систем на Земjата. Сончевата енергиjа навлегува во атмосферата на Земjата како зрачење главно од видливото и блиското инфрацрвено спектрално подрачjе Слика 0.5. Дел од тоа зрачење се рефлектира или апсорбира од атмосферата, но наjголем дел пристигнува до површината на Земjата. Пристигнатата енергиjа до земjината површина се претвора во топлина. Дел од неа се емитира назад во атмосферата како зрачење со поголема бранова должина. Молекулите на гасовите од замислената стаклена обвивка (CO 2, CH 4, H 2 O водената пареа), кои природно постоjат во тропосферата, го апсорбираат долгобрановото (топлинско) зрачење. Дел од топлинското зрачење излегува низ т.н. инфрацрвен прозорец за зрачења со бранова должина од 8-12 µm. Без стакленикот температурата на земjината тропосфера би била под нула (-15 0 С). Ефектот на стаклената бавча е природен феномен на коjшто се должи фактот што нашата планета е потопла за 33 0 С во однос на состоjба без стаклена бавча. Cо овоj

17 ефект се создадени можности погодни за живот. Во последната децениjа, концентрациjата на CO 2 и CH 4 во атмосферата значително се зголеми и со тоа е нарушен составот на озонскиот слоj коj jа сочинува озонската обвивка. Атмосферскиот озон O 3 е форма на елементарен кислород коj наместо вообичаените два има три атоми во своjот молекул. Озонот е исклучително редок во атмосферата и просечно на секои 10 милиони молекули доаѓаат по 3 молекули на озон. Кога сите озонски молекули би се натрупале на површината на земjата озонскиот слоj би имал дебелина од 3 mm. Иако сончевата ултравиолетова (UV) енергиjа постоjано произведува нов озон, постоечкиот озон континуирано е уништуван од низа каталитички реакции од страна на соединениjа кои содржат: O 2, N 2, H 2... Во 70-те години е покажано дека хлоро-флуоро-jаглеводородите, класа на широко користени и многу инертни (нерастворливи во вода) гасови по пат на конвекциjа се транспортираат во стратосферата и таму испуштаат слободен Cl коjшто го уништува O 3. Главна последица од смалувањето на озонскиот слоj е зголемување на ултравиолетовото зрачење В (UV-B) на површината на земjата. Како резултат од ова зголемување кое е дел од сончевото ултравиолетово зрачење покраj UV-А и UV-C, доаѓа до зголемен ризик за поjава на меланом - рак на кожа, катаракта на очите, оштетување на генетската ДНК, намалување на ефикасноста на имунолошкиот систем, нарушување на екосистемот (посебно на морскиот) итн. На местата каде што озонскиот слоj е смален или уништен има поjава позната како озонска дупка, доаѓа до зголемено присуство на УВ зрачењето. Од посебна загриженост е сè поголемото загревање на атмосферата и Земjината површина со штетна емисиjа на штетни загреани гасови. Овоj ефект се нарекува глобално затоплување и е директна последица од преголемото индустриско производство, зголемено загревање заради истото и испуштање на штетни гасови во атмосферата. 0.1.8 Физиолошко деjство на топлината врз организмите Живите организми имаат процеси кои се одвиваат во определен температурен интервал. При поголеми температури расте брзината со коjа се одвиваат биолошките и други процеси, се достигнува максимум и натамошното зголемување

18 на температурата доведува до прекинување на животните процеси. Посебна осетливост на температурата покажува jадрото на клетката. При температури 45 0 С настанува коагулациjа на клеточната протоплазма. Интензитетот на оддавање на топлина каj човекот зависи од: температурата на средината, влажноста, подвижноста, површинската температура, расположението, волуменот на просториjата и сл. Човекот во мирна лежечка состоjба ослободува 80W, при физичка работа (активност) 300-500W, а за максимална мускулна работа е измерена вредност од скоро 2000W. Ако активноста придонесува да се зголеми топлината (+ Q), тогаш станува збор за суфицит, а кога ќе се намали (- Q) за топлински дефицит. Со снижување на температурата биохемиските процеси се забавуваат, вискозноста расте, текот на физиолошките процеси се забавува. Високите или ниски температури доведуваат до промена на колоидната состоjба на протоплазмата што често доведува до оштетување на клетките. Сите ткива во организмот имаат соодветна топлоспроводност, што овозможува непрекинато пренесување на топлината кон површината на телото. Од друга страна непрекинатото движење на артериjалната крв во насока од внатре кон перифериjата, исто така обезбедува пренесување на значително количество на топлина по пат на конвекциjа. Како резултат на релативно малата топлоспроводност на ткивата, нивниот удел во пренесувањето на топлина по пат на топлоспроводност е мал во споредба со конвекциjата коjа го придружува течењето на крвта. Оддавање на топлина по пат на зрачење, конвекциjа и испарување се менува во зависност од активноста на организмот и околната температура. При температура на околниот воздух од 20 0 С, од топлопродукциjата во мирување по пат на зрачење се оддава 65%, со конвекциjа 15%, а преку испарување 20%. При зголемување на температурата на околниот воздух на 35 0 С, оддавањето на топлина преку зрачење и конвекциjа е скоро незабележливо. Во такви услови процесите на испарување од површината на телото и белите дробови jа намалуваат температурата и jа одржуваат во нормални граници. Истото се случува и при зголемена физичка активност. Пресметано е дека преку 1m 2 од кожата на човекот во нормални услови за 24 часа се оддаваат од 3500-6200 kj топлина.

19 Испарувањето на водата од површината на кожата игра голема улога во топлинската размена меѓу организмот и околната средина. Ова може да се потврди и со големата вредност на специфичниот топлински капацитет на испарување на водата коj во нормални услови изнесува 2250 J/kg. Вкупното количество на топлина што се оддава од организмот зависи од површината на телото. Емпириски таа површина може да се пресмета според релациjата: P = 2 3 KM, каде со M е претставена масата на телото изразена во kg, а К е константа коjа за човечкото тело има вредност 12,3. Според тоа, се покажува дека ефективната површина, во зависност од положбата на телото, се движи помеѓу 50 и 80%, од геометриската површина.