Біологічна фізика. Перезавантаження і невагомість, теплота

При прискореному русі системи можуть виникнути особливі стани, що називаються перевантаженнями і невагомістю.

Для біологічних об'єктів невагомість – незвичайний стан, хоча і в буденному житті зустрічаються короткочасні періоди часткової невагомості: стрибки, гойдалки, початок руху вниз швидкісного ліфта і т.п.

Потік випромінювання, що випускається 1м² поверхні, називають енергетичним випромінюванням Re. Воно виражається у ватах на квадратний метр (Вт/м²).

Нагріте тіло випромінює електромагнітні хвилі різної довжини хвилі. Виділимо невеликий інтервал довжин хвиль від λ до λ + dλ. Енергетичне випромінювання, відповідне цьому інтервалу, пропорційне ширині інтервалу:

dR_λ = r_λdλ, (6.39)

де r_λ – спектральна щільність енергетичного випромінювання тіла, що дорівнює відношенню енергетичного випромінювання вузької ділянки спектру до ширини цієї ж ділянки, Вт/м.

Залежність спектральної щільності енергетичного випрмінювання від довжини хвилі називають спектром випромінювання тіла.

Здатність тіла поглинати енергію випромінювання характеризують коефіцієнтом поглинання, що дорівнює відношенню потоку випромінювання, що поглинається тілом, до потоку випромінювання, що падає на нього:

α = Ф_погл/Ф_пад. (6.40)

Тіло, коефіцієнт поглинання якого рівний одиниці для всіх частот, називають чорним.

Тіло, коефіцієнт поглинання якого менший одиниці і не залежить від довжини хвилі світла, що падає на нього, називають сірим.

Теплообмін відбувається за допомогою теплопровідності, конвекції, випаровування і випромінювання (поглинання).

δ = ασ – приведений коефіцієнт випромінювання.

Re = δT⁴ - закон Стефана - Больцмана.

Застосуємо закон Стефана-Больцмана до нерівноважного випромінювання, до якого, зокрема, відноситься випромінювання тіла людини.

Якщо роздягнена людина, поверхня тіла якого має температуру Т₁, знаходиться у кімнаті з температурою Т₀, то його втрати випромінюванням можуть бути обчислені таким чином. Людина випромінює зі всієї відкритої поверхні тіла площі S потужність Р₁ = SδT⁴_1. Одночасно людина поглинає частину випромінювання, що потрапляє від предметів кімнати, стін, стелі і т.п. Якби поверхня тіла людини мала температуру, рівну температурі повітря у кімнаті, то випромінювані потужності, що поглинаються, були б однакові і рівні:

Р₀ = SδT0⁴, (6.41)

Така ж потужність поглинатиметься тілом людини і при інших температурах поверхні тіла. На підставі двох останніх рівнянь одержуємо потужність, що втрачається людиною при взаємодії з навколишнім середовищем за допомогою випромінювання:

Р = Р₁ – Р₀ = Sδ (Т₁⁴ - Т₀⁴). (6.42)

Для одягненої людини під Т₁ слід розуміти температуру поверхні одягу. Приведемо кількісний приклад, що пояснює роль одягу.

При температурі навколишнього середовища 18⁰С (291 К) роздягнена людина, температура поверхні шкіри якої 33⁰ С (306 К), втрачає щомиті за допомогою випромінювання з площі 1,5м ² енергію:

Р = 1,5•5,1•10^-8(306⁴- 291⁴) Дж/с ≈ 122 Дж/с. (6.43)

При тій же температурі навколишнього середовища у бавовняному одязі, температура поверхні якої 24⁰С (297 К), щомиті втрачається за допомогою випромінювання енергія:

Р_од = 1,5•4,2•10^-8(297⁴ -291⁴) Дж/с ≈ 37 Дж/с. (6.44)

Сила світла  - характеристика джерела світла – виражається у канделах (кд).

Кандела – сила світла, що спускається поверхнею площі 1/600000  м² повного випромінювача у перпендикулярному напрямі при температурі випромінювача, рівній температурі твердіння платини, та тиску 101 325 Па.

Світловим потоком Ф називають середню потужність випромінювання, що оцінюється по світловому відчуттю, яке вона створює.

Одиницею світлового потоку є люмен (лм). Люмен – світловий потік, що випромінюється точковим джерелом у тілесному куті 1 ср при силі світла 1  кд.

Світимістю називають величину, яка рівна відношенню світлового потоку, що спускається поверхнею, до площі цієї поверхні:

R = Ф_випр/S. (6.45)

Для оцінки випромінювання або віддзеркалення світла у заданому напрямі вводять світлову величину, що називається яскравістю. Яскравість визначають як відношення сили світла dI елементарної поверхні dS у заданому до проекції поверхні на площину, перпендикулярну цьому напряму:

, (6.46)

де  - кут між перпендикуляром до поверхні, що світиться, і заданим напрямом.

Одиниця яскравості – кандела на квадратний метр (кд/м²). Світловий еталон за сформульованих вище умов відповідає яскравості 6·10⁵ кд/м².

Джерела, яскравість яких однакова в усіх напрямах, називають ламбертовськими; строго кажучи, таким джерелом є тільки чорне тіло.

Освітленістю називають величину, що дорівнює відношенню потоку, падаючого на дану поверхню, до площі цієї поверхні:

Е = Ф_пад/S. (6.47)