- Năng lượng bức xạ nhiệt phát ra của vật có nhiệt độ T tỷ lệ với T4 - Quá trình trao đổi nhiệt của một vật đặt trong môi trường có nhiệt độ TA được biểu diễn bởi hệ thức: dQ = dQfát xạ
Trang 1SỰ ĐIỀU HOÀ NHIỆT LƯỢNG Ở CƠ THỂ SỐNG
1 Cơ chế vật lý của quá trình trao đổi nhiệt
1.1 Truyền nhiệt
Thanh kim loại l tiết diện S được nối với hai vật (cách nhiệt với môi trường ngoài) có T1 > T2
có dòng nhiệt lượng từ vật có T1 chuyển sang vật có nhiệt độ T2
Thông lượng nhiệt φ: Nhiệt lượng tải qua một đơn vị diện tích trong 1 đơn vị thời gian φ ∼ gradT mà
1
T gradT = −
nên
l
T
( 1− 2
= λ φ
λ − độ dẫn nhiệt
1.2 Sự đối lưu (Trao đổi nhiệt bằng đối lưu)
Đối lưu tự nhiên: Hiện tượng chuyển động ngược chiều nhau xảy ra là do phần chất lưu có nhiệt
độ cao hơn nhường chỗ cho phần chất lưu có nhiệt độ thấp hơn
Đối lưu cưỡng bức: là hiện tượng đối lưu tự nhiên được tăng cường khi chất lưu được đặt trong
dòng khí Do chất lưu được tiếp xúc nhiều hơn với nguồn nhiệt tốc độ trao đổi nhiệt tăng Thông lượng nhiệt sẽ tỷ lệ thuận với độ chênh lệch giữa nhiệt độ nguồn (T) và nhiệt độ chất lưu (TA)
) ( A
=
φ
Kc phụ thuộc bản chất chất lưu Độ dẫn nhiệt Kc tăng đáng kể trong trường hợp đối lưu cưỡng bức
1.3 Trao đổi nhiệt bằng bức xạ
- Sóng điện từ lan truyền mang theo năng lượng
- Các vật đều có thể phát xạ điện từ: nếu nhiệt độ không quá cao, vật sẽ phát bức xạ hồng ngoại,
và chỉ phát sáng khi nhiệt độ đủ cao
- Năng lượng bức xạ nhiệt phát ra của vật có nhiệt độ T tỷ lệ với T4
- Quá trình trao đổi nhiệt của một vật đặt trong môi trường có nhiệt độ TA được biểu diễn bởi hệ thức: dQ = dQfát xạ + dQhấp thụ
dQ tỷ với chênh lệch nhiệt độ của vật với môi trường và tỷ với TA3
1.4 Vai trò các cơ chế khác nhau đối với cơ thể sống
Nhiệt lượng truyền từ trong cơ thể ra bên ngoài bằng truyền nhiệt trong các mô, tổ chức và bằng đối lưu nhờ hệ thống tuần hoàn Trao đổi nhiệt giữa da và môi trường phụ thuộc nhiều yếu tố Thông thường, đối lưu và bức xạ giữ vai trò chính vì dẫn nhiệt trong không khí thực tế không đáng kể Trường hợp người ngâm trong nước thì đối lưu là cơ chế quan trọng nhất, hiệu quả hơn trong không khí tới 20 lần
2 Mô hình quá trình cân bằng nhiệt trong cơ thể người
Trang 2Để xem xét quá trình này ta xét 1 mô hình đơn giản nhất theo quan điểm năng lượng.
Nhiệt độ T được duy trì đồng nhất trong toàn bộ hệ thống sống Hệ thống này được đặt trong môi trường có nhiệt độ TA Gọi Q là nhiệt lượng của cơ thể ở thời điểm t
- Quá trình trao đổi chất sinh nhiệt lượng tuỳ theo chất lượng thức ăn Giả sử quá trình trao đổi chất là ổn định thì lượng nhiệt sản sinh trong một đơn vị thời gian:
M dt
dQ
=
Nhờ có nhiệt lượng này, nhiệt độ cơ thể tăng lên nếu không có sự mất mát nhiệt nào ở ngoại biên
do tiếp xúc với môi trường
- Cơ thể tồn tại trong môi trường có nhiệt độ TA
nhiệt lượng trao đổi với môi trường trong 1 đơn vị
thời gian:
( A)
P
T T k dt
dQ =− −
trong đó, dấu (-) cho thấy cơ thể bị mất nhiệt lượng
Hằng số k tỷ lệ với diện tích bề mặt cơ thể, phản
ánh mức độ cách nhiệt của hệ thống sống, k được
gọi là hệ số truyền nhiệt
2.1 Chế độ tĩnh
Chế độ tĩnh là chế độ mà quá trình trao đổi chất cũng như nhiệt độ môi trường ổn định (M = const, TA = const)
Ở chế độ này, trạng thái cân bằng giữa 2 dòng nhiệt lượng vào và ra khỏi cơ thể >0
M dt
dQ
và
0
<
P
dt
dQ
được thiết lập dẫn đến nhiệt độ cân bằng T: T = T A +
k M
Như vậy nhiệt độ ở chế độ tĩnh T phụ thuộc nhiệt độ môi trường T A, tăng theo nhiệt lượng sản
sinh do trao đổi chất M và giảm nếu k tăng (môi trường kém cách nhiệt).
2.2 Chế độ truyền nhiệt (chế độ động)
Chế độ truyền nhiệt hay còn gọi là chế độ động là chế độ có trao đổi nhiệt
Xét hệ trong đó một trong các tham số thay đổi:
Ở thời điểm ban đầu t = 0 M = M 1 (trạng thái tĩnh)
Ở thời điểm t M = M 2 (trạng thái hoạt động)
Cân bằng bị phá vỡ và hệ sẽ tiến từ trạng thái có T = T A +
k
M1 sang trạng thái có T = T A +
k
M2
Quá trình dẫn đến trạng thái cân bằng nhiệt mới có liên quan đến sự biến thiên nhiệt lượng của
hệ Sau khoảng thời gian dt biến thiên nhiệt của là: dQ = C.dT với C- nhiệt dung của hệ.
T
M
dt
dQ
TA
Trang 3Phương trình cân bằng nhiệt: dQ = dQ M + dQ P
Kết quả thu được khi giải phương trình này cho ta nhận xét: hệ tiến đến trạng thái cân bằng mới với nhiệt độ là T phụ thuộc:
nhiệt độ môi trường TA
sự trao đổi chất M1, M2
tốc độ điều chỉnh tuân theo hàm số mũ phụ thuộc điện dung C và hệ số truyền nhiệt k
2.3 Hạn chế của mô hình
Mô hình trên cho phép chúng ta hình dung quan hệ ảnh hưởng giữa các tham số và mối liên hệ giữa chúng So sánh với thực tế, mô hình trên gặp một số hạn chế sau:
- Khi TA thay đổi M sẽ được điều chỉnh để duy trì T ổn định tối đa Quá trình điều chỉnh này có giới hạn vì M chỉ có thể giảm tới một giá trị xác định gọi là nhiệt lượng cơ bản cần thiết để thực hiện các chức năng của cơ thể
- Biến thiên nhiệt độ do trao đổi chất theo tính toán ở TT nghỉ và TT gắng sức là quá lớn (cỡ 200C)
- Khoảng thời gian thích nghi với sự thay đổi nhiệt độ khá lớn (cỡ 3 giờ)
Điều đó cho thấy rõ ràng còn tồn tại nhiều cơ chế khác để duy trì nhiệt độ 37oC
3 Cơ chế giới hạn sự biến thiên nhiệt độ ở cơ thể
3.1 Toả nhiệt bằng cách đổ mồ hôi
Khi T>37oC, cơ thể phản ứng thông qua các tuyến mồ hôi Vì sự hoá hơi sẽ cần chi phí năng lượng, do đó sẽ góp phần phân tán một phần năng lượng nhiệt và làm giảm nhiệt độ Hiện tượng này mạng lại hiệu quả rất rõ rệt
Khi nhiệt độ môi trường tăng, chuyển hoá trong cơ thể không dẫn đến sự tăng nhiệt độ cơ thể đáng kể (tăng cỡ 0,40C)và thời gian tiến tới TT mới cũng giảm rõ rệt (trong khoảng vài giây) Tầm quan trọng của cơ chế này thấy rất rõ nếu nó bị ức chế Ví dụ, khi môi trường ngoài có nhiệt
độ cao và ẩm sẽ hạn chế sự hoá hơi
Mô hình trên mô tả khá tốt phản ứng của cơ thể khi nhiệt độ môi trường tăng lên (nhiệt độ môi trường tăng lên thì chuyển hoá cũng tăng lên) Tuy nhiên, khi cơ thể ở trong môi trường có nhiệt
T
T
1
T2
M
M
1
M2
t
Trang 4độ thấp thì mô hình này không thiết lập được nhiệt độ ổn định Cần xem thêm một số cơ chế khác
3.2 Cơ chế tự nguyện (chủ động)
Một số cơ chế cho phép điều chỉnh nhiệt độ cơ thể:
- Tập thể dục: khi đó M tăng nên T tăng
- Giảm hệ số k: mặc thêm quần áo
3.3 Cơ chế không tự nguyện (không chủ động)
Có một số cơ chế tồn tại ngoài ý thức chủ quan của cơ thể cho phép điều chỉnh nhiệt độ mà có bản chất giống như các cơ chế chủ động
- Hoạt động của cơ (rùng mình…): sinh nhiệt
- Cơ chế giảm mất mát nhiệt (giảm k): động vật xù lông (có thêm lớp không khí cách nhiệt)
Cơ chế không chủ động quan trọng hơn trong trường hợp phản ứng với các sự trao đổi nhiệt trên
bề mặt cơ thể bằng cách thay đổi sự tưới máu ở da
Chúng ta coi nhiệt độ cơ thể là đồng nhất và sự thay đổi so với môi trường được xác định bởi hệ
số (T - TA) Thực tế, khi tiếp xúc với môi trường có nhiệt độ thấp hơn, máu lạnh đi và nhiệt độ cân bằng của da nằm giữa khoảng T và TA, do đó có một sự biến thiên liên tục của nhiệt độ giữa các cơ quan bên trong T1 và da TP, sự biến thiên này càng lớn khi TA càng nhỏ
Dòng nhiệt lượng giữa cơ thể (T1) và môi trường (TA) phụ thuộc tính chất cách nhiệt của da so với không khí Nhìn chung, da cách nhiệt kém không khí và nhiệt độ cân bằng của nó TP nằm giữa TA và T1: sự trao đổi nhiệt với không khí chủ yếu là đối lưu (vì độ dẫn nhiệt kém của không khí)
Vậy, cơ thể có thể hạ nhiệt độ TP của da so với nhiệt độ T1 của cơ thể như thế nào? Đó là nhờ thay đổi tuần hoàn dưới da
- Nếu sự tưới máu dưới da giảm, tính cách nhiệt của lớp biểu bì cho phép giảm nhiệt độ ngoại biên và do đó sự mất mát nhiệt sẽ giảm dần cho đến bên ngoài
- Nếu sự tưới máu tăng, nhiệt độ ngoại biên tăng dẫn đến sự mất mát nhiệt tăng
Tuần hoàn dưới da cho phép điều chỉnh dòng nhiệt lượng trao đổi qua da nhờ vai trò dẫn nhiệt của các mô và vai trò đối lưu của máu Nhiệt độ cân bằng của da xác định bởi dòng nhiệt lượng đối lưu trong không khí
4 Cơ chế duy trì nhiệt độ cơ thể không đổi là điều kiện cần thiết của sự sống
4.1 Nguyên tắc vật lý của bộ điều nhiệt (tương đương với mạch của lò sưởi điện).
- Một lò sưởi điện cung cấp nhiệt đặt trong môi trường Hệ được điều khiển bằng bộ ổn nhiệt Nếu nhiệt độ môi trường T < Tchuẩn (T0) (Thực tế là hiệu T0 - ∆T0, trong đó ∆T0 là dao động nhiệt
Trang 5cho phép) thì lò sưởi sẽ được cấp dòng và bức xạ nhiệt cho đến khi T đạt được giá trị T0 Khi nguồn điện bị ngắt, T bắt đầu giảm nhanh hay chậm tuỳ thuộc khả năng cách nhiệt của hệ
Để điều khiển T, cần phải đo T, nghĩa là phải
sử dụng hiệu ứng có phụ thuộc nhiệt độ và tác
động vào hệ tuỳ theo độ lệch của nhiệt độ so
với Tchuẩn Mối liên hệ ngược này là rất quan
trọng trong hệ điều khiển
T < T0 – ΔT0 : đóng mạch
T > T0 : Ngắt mạch
4.2 Áp dụng cho cơ chế điều hoà thân nhiệt.
TI cơ thể người được điều khiển sao cho chỉ dao động quanh 370C Để điều khiển TI tới T0, cơ thể cần đo TI và so sánh với T0 Như vậy hệ cần có:
- Bộ phận cảm nhiệt nhạy với TI để mã hoá và đưa thông tin tới trung tâm điều khiển
- Trung tâm tổng hợp nhận thông tin và quyết định tác động để điều khiển TI thay đổi hướng tới T0 (não: hypotalamus)
- Hệ vận động (thực hiện) các quyết định của trung ương
Bên cạnh sơ đồ nguyên lý như vậy, chúng ta thấy, vấn đề trao đổi nhiệt ngoại biên và đo nhiệt độ của da rất quan trọng Những yếu tố này có liên quan đến môi trường bên trong và dòng nhiệt lượng truyền qua da do đó tham gia vào quá trình sản sinh hay toả nhiệt (co, dãn mạch và đổ mồ hôi)
T0 – ∆T0
T0 Nhiệt kế
T
Cảm biến nhiệt TI
T0 chuẩn TW thần kinh
Hypotalamus
Chuyển hoá, hoạt động cơ, mạch máu ngoại biên,
đổ mồ hôi
Cảm biến nhiệt ngoại biên TP
Cơ thể
Cơ
Da
Môi trường trong T
A
Trang 6Khi T0 thay đổi, ví dụ: cơ thể viêm nhiễm trùng làm nhiệt độ tăng (sốt), nếu hệ điều nhiệt làm việc tốt, sự sai khác so với T0 chuẩn sẽ sinh ra các triệu chứng hoàn toàn có thể hiểu được
Khi cơ thể nhiễm trùng T0’ > T0, do đó TI phải điều chỉnh theo T0’:
- T0 đạt T0’> T0
- Trước đó TI ∼ T0 thì bây giờ TI < T0’: cơ thể phản ứng bằng các hình thức để làm ấm cơ thể (rùng mình, co mạch)
- Trạng thái cân bằng mới thiết lập với TI ∼ T0’
- Khi cơ thể trở về T0, thì TI > T0 → cơ thể phản ứng để có thể hạ nhiệt độ cơ thể (đổ mồ hôi, dãn mạch)