11482

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНОГО ПРОЦЕССА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ В БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТКАНИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРО-ПРОВОДНОСТИ

Лабораторная работа

Биология и генетика

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № I ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНОГО ПРОЦЕССА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ В БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТКАНИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ Цель работы: Изучение нестационарных тепловых полей в биологических тканях. Тепл

Русский

2013-04-08

113 KB

11 чел.

PAGE  4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА  № I

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНОГО ПРОЦЕССА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ В БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТКАНИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ

Цель работы:   Изучение нестационарных тепловых полей в биологических тканях.

Тепловой эффект является одним из распространенных следствий воздействия на биологические объекты физических полей различной природы (электромагнитных, акустических и др.). Он обусловлен преобразованием энергии воздействующего поля в тепловую энергию и дальнейшими процессами теплообмена тканей организма. В зависимости от параметров воздействующего поля (например, частоты) указанное преобразование может происходить либо во всем объеме биоткани, подверженной воздействию, либо в поверхностном слое, в котором эффективно поглощается основная часть энергии поля. И в том, и в другом случаях установившееся в биотканях тепловое поле определяется, наряду с параметрами поля, совокупностью процессов теплопередачи (излучения, конвекции, теплопроводности). Последний процесс играет особенно важную роль при передаче тепловой энергии от поверхностных слоев к внутренним тканям и органам. Так как изменение температуры поверхности тела часто имеет периодический характер, то процесс теплопроводности носит обычно нестационарный характер и может быть описан нестационарным уравнением теплопроводности, имеющим в одномерном случае следующий вид:

         (1)

где    - плотность, Сp - удельная теплоемкость,  K - коэффициент теплопроводности биологической ткани, которые в дальнейшем будем считать постоянными величинами.

Решение уравнения (I), записанного в стандартном виде:

          (2)

зависит от одного параметра    - коэффициента температуропроводности и определяется видом граничных и начальных условий.

Рассмотрим периодический источник тепла, действующий на поверхности тела (координата х = 0, рис. 1).

                  (3)

Будем рассматривать эту функцию как действительную часть функции:

        (4)

Рисунок 1.

В этом случае решение уравнения теплопроводности (2), обращающееся в 0 при имеет вид:

        (5)

где

        (6)

тогда

       (7)

и отделяя действительную часть находим:

      (8)

Это решение периодически зависит от времени, но его амплитуда

         (9)

экспоненциально убывает с глубиной с коэффициентом затухания

         (10)

зависящим от частоты изменения температуры поверхности, при этом запаздывание по фазе также зависит от коэффициента затухания и возрастает с увеличением глубины х. На глубине  фаза становится противоположной фазе температуры на поверхности, а амплитуда уменьшается в отношении . Эти изменения с глубиной тем быстрее, чем меньше период колебаний.

В данной работе предлагается выполнить изучение характера теплового поля в образце биологической ткани, образуемого за счет нестационарного процесса теплопередачи при периодическом нагревании поверхности образца. В качестве образца выбрана жировая ткань, играющая важную роль в процессе теплообмена организма млекопитающих с окружающей средой. Периодическое нагревание поверхности образца осуществляется периодическим прикладыванием к нему поверхности ладони имеющей стабильную температуру TЛ, превышающую комнатную температуру примерно на 10° С. Фиксация температурного поля производится с помощью терморезистора (термистора), помещаемого в полость ткани на глубине ХК от поверхности.

Порядок выполнения работы

  1.  Подключите терморезистор к омметру и запишите его показания при контакте терморезистора с окружающим воздухом ( RВ) и ладонью ( RЛ). Данные запишите в таблицу 1.
  2.  Поместите терморезистор в полость жировой ткани, расположенную на расстоянии х1    8мм от поверхности и запишите показания омметра через промежуток времени  510 мин, необходимый для частичного установления теплового равновесия.
  3.  Периодически прикладываем ладонь к поверхности образца и убирая ее, создайте периодический нагрев данной поверхности (время нагрева Н равно времени остывания 0 = 2 мин). При этом записывайте показания омметра через каждые 30 с, фиксируя кроме того минимальные Rmin и максимальные Rmax периодически повторяющиеся показания прибора. Измерения проводить в течение времени ( Т 60) необходимого для установления стационарных колебаний температуры. Результаты измерений запишите в таблицу 2.
  4.  Повторите измерения пункта 3, увеличив инвервалы времени Н и 0 в 2 раза. Данные запишите в таблицу 2.
  5.  Постройте графики изменения сопротивления со временем для двух указанных случаев. Сравните их друг с другом и с графиком изменения сопротивления терморезистора на поверхности.
  6.  Определите из построенных графиков амплитуды колебаний сопротивлений  и температур .

Примечание: Температурная зависимость сопротивления терморезистора R(T) определяется соотношением:

При небольших интервалах изменения температуры можно считать, что разность сопротивлений     пропорциональна разности температур .

Следовательно,   

Занести значения в таблицу.

Используя формулу (9) по отношению амплитуд колебаний температур  при х1 =     мм рассчитать коэффициенты затухания 1 и 2 для двух периодов изменения температуры ( 1 = 4 мин и 2 = 8 мин). Из соотношения (10) рассчитать значение коэффициента тенпературопроводности h(1).

  1.  По отношению амплитуд колебаний температур на двух частотах 1 и 2 рассчитать значение коэффициента, температуропроводности h(2). Данные занести в таблицу 3.
  2.  Используя табличные значения параметров жировой ткани   960 кг/м3, Ср  2000 Дж/кград , К= 0,2 Вт/мК , рассчитать значение коэффициента температуропроводности  hT и сравнить с определенными экспериментально результатами.   ∆Ro=Rв – Rл =

Таблица 1

Rв , Ом

RЛ , Ом

Тв , 0 С

ТЛ , 0 С

, 0 С     

Таблица 2

1 = 4 мин      нагр = 1 мин       охл. = 3 мин       w1=2p/1 = 

 

t , мин

  0             0,5          1,0            1,5            2,0                  2,5             3,5            4,0

R , Ом

t , мин

  4,5            5            5,5             6               6,5                 7               7,5              8

R , Ом

2 = 8 мин          нагр = 2мин       охл. = 6мин       w2=2p/2   =   

t , мин

   0             1              3               4                  5               6               7               8  

R , Ом

t , мин

    9          10              11            12               13              14             15              16

R , Ом

Таблица 3

, Ом

, К

, м-1

h(1), мс1/2

h(1), мс1/2

hТ, мс1/2

1 = 4 мин

2 = 8 мин

Контрольные вопросы:

  1.  Какую роль играют процессы теплопроводности в теплообмене живых организмов?
  2.  Оцените период колебаний температуры поверхности тела, при котором, жировой слой толщиной 2 см будет эффективно экранировать колебания температуры.

Литература:

Г. Джеффрис, Г.Свирлс. Методы математической физики. М., "МИР", 1970, ч. 3.


EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

0

x

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

t


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

13988. Урок. Как выбрать правильную гитару 73.5 KB
  Как выбрать правильную гитару У вас есть желание купить себе качественную гитару На первый взгляд это не проблема. Бытует мнение что тот у кого толстый бумажник имеет огромные преимущества. Узнавая все новые тонкости и мелочи в процессе выбора гитары самодовольн...
13989. Обзор музыкальной жизни Франции 19 века. Берлиоз. Франк 45 KB
  Лекция двенадцатая. Тема: Обзор музыкальной жизни Франции 19 века. Берлиоз. Франк. Начало 19 века. Первая половина. Главный жанр опера. В конце 17 века основан театр в Париже. В 30е годы складывается жанр большая опера. Джакомо Мейербер. Оперы: Робертдьявол Г
13990. История музыкальной культуры. Конспект лекций 1.32 MB
  Музыкальная культура Древнего мира История музыки это наука так как по методу она связана с логикой исторического процесса. Каждое музыкальное явление рассматривается ею в пространстве и во времени. Лишь с этих позиций мы можем объективно оценить значимость творчес
13991. Древнерусская музыкальная культура 40 KB
  3 Древнерусская музыкальная культура Развивалась она прежде всего как вокальная музыка. Истоки ее в народной русской песне. В народной песне отражалась вся жизнь народа труд быт вера и т.д.. Из самых древних песен известны колыбельные календарные песни...
13992. Особенности плана счетов бухгалтерского учета строительной организации 152.5 KB
  Строительство как отрасль экономики участвует в создании основных фондов для всех отраслей хозяйства. При изучении особенностей применения плана счетов в строительстве, следует иметь в виду, что принятие к бухгалтерскому учету возведенных основных средст
13993. Музыка. Что за прелесть эти сказки. Урок музыки в 4 классе 136.35 KB
  1. Урок музыки. 4 класс Раздел: День полный событий. Тема: Что за прелесть эти сказки Три чуда. Дидактическая цель: целенаправленно формировать способность воспринимать музыку как искусство выразительное по своей природе; расширить представления учащихся о свя...
13994. Вивчення нової пісні «Веселий музикант» слова Т.Волгіної, муз. А.Філіпенка, прослуховування пісні Українських троїстих музикантів та пісні «Ходить сон біля вікон» 16.15 KB
  Тема. Вивчення нової пісні Веселий музикант слова Т.Волгіної муз. А.Філіпенка прослуховування пісні Українських троїстих музикантів та пісні Ходить сон біля вікон. Мета. Вчити дітей словам нової пісні продовжувати роботу над формуванням вокально хорових навичо...
13995. КОНСПЕКТЫ И МАТЕРИАЛЫ ПО МУЗЫКАЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЕ ЗАРУБЕЖНЫХ СТРАН 446.5 KB
  КОНСПЕКТЫ И МАТЕРИАЛЫ ПО МУЗЫКАЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЕ ЗАРУБЕЖНЫХ СТРАН IV СЕМЕСТР Импрессионизм Клод Дебюсси 18621918 Симфоническое творчество Дебюсси К. Дебюсси. Прелюдии Морис Равель 18751937 М. Равель. Болеро. Джакомо Пуччини 18581924 Дж. Пуччини. Опера Богем
13996. Конспекты уроков по музыке для детей 744.5 KB
  Программное содержание. Познакомиться с детьми вызвать у них интерес к музыкальным занятиям желание слушать музыку выполнять простейшие движения чувствовать свое тело. Материал. Красиво оформленная коробка; кукла. Ход...