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

10 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

20336. ПОНЯТИЙНЫЕ ОСНОВЫ ФИЛОСОФИИ ТЕХНИКИ. ПРОБЛЕМА ОБЪЕДИНЯЮЩЕГО ПОНИМАНИЯ ТЕХНИКИ. УЗКОЕ И ШИРОКОЕ ПОНИМАНИЕ ТЕХНИКИ И ФИЛОСОФИИ ТЕХНИКИ. ПРОБЛЕМА ФУНКЦИЙ ТЕХНИКИ И ОБЪЕКТА ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ. ОБЪЕДИНЯЮЩЕЕ ПОНИМАНИЕ ТЕХНИКИ 72 KB
  ПРОБЛЕМА ОБЪЕДИНЯЮЩЕГО ПОНИМАНИЯ ТЕХНИКИ. УЗКОЕ И ШИРОКОЕ ПОНИМАНИЕ ТЕХНИКИ И ФИЛОСОФИИ ТЕХНИКИ. ПРОБЛЕМА ФУНКЦИЙ ТЕХНИКИ И ОБЪЕКТА ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ.
20337. ПОНЯТИЙНЫЕ ОСНОВЫ ФИЛОСОФИИ ТЕХНИКИ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ. ТЕХНИЧЕСКИЙ ИЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ? ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОСФЕРЫ. ОБЪЕКТ И ПРЕДМЕТ ФИЛОСОФИИ ТЕХНИКИ 65.5 KB
  ОБЪЕКТ И ПРЕДМЕТ ФИЛОСОФИИ ТЕХНИКИ. Философия техники или философия технологии Технический или технологический университет Философия техники как философия техносферы. Объект и предмет философии техники.
20338. Объективная и субъективная диалектика. Теоретическое и обыденное сознание и диалектика. Софистика, эклектика, релятивизм и диалектика 62.5 KB
  Но поскольку человек только часть бесконечного объективного мира то это богатство именно относительно. Беднее поскольку отражение объективного в субъективной форме не есть тождественное отражение. Ее всеобщность уже была Вам представлена поскольку изложение начальных вопросов философии ее предмета основных философских направлений не обошлось без диалектики например практически вечная борьба в философии материализма и объективного идеализма. релятивизме относительности даже полном релятивизме когда на каждое да возможно нет...
20339. ФИЛОСОФИЯ И МИРОВОЗЗРЕНИЕ. РАЗДЕЛЫ ФИЛОСОФСКОГО ЗНАНИЯ. ФУНКЦИИ ФИЛОСОФИИ В ДУХОВНОЙ КУЛЬТУРЕ ЧЕЛОВЕКА И ЧЕЛОВЕЧЕСТВА 43 KB
  ФУНКЦИИ ФИЛОСОФИИ В ДУХОВНОЙ КУЛЬТУРЕ ЧЕЛОВЕКА И ЧЕЛОВЕЧЕСТВА. Какой из возможных видов сравнения взять за начало Сравнение философии с другими видами мировоззрений. Это позволит с одной стороны показать специфику философии на фоне других мировоззрений с другой стороны выйти на разделы философского знания. Темы раздела: диалектика противоположности законы диалектики качество количество Вопросы: отличие диалектики от метафизики специфика диалектического снятия История философии собрание всей мудрости.
20340. СОЦИАЛЬНО-ИСТОРИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И ПРЕДПОСЫЛКИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ФИЛОСОФИИ. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ФИЛОСОФСКОЙ КУЛЬТУРЫ 50 KB
  Социальноисторические условия и предпосылки возникновения философии. Необходимым условием возникновения философии выступает рост производительных сил общва техники трудовых умений и знаний. Из истории вы должны знать какие причины видят в основании греческого чуда которое в частности привело к возникновению философии.
20341. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИСТОРИЧЕСКИХ ЭТАПОВ ВЗАИМООТНОШЕНИЯ ФИЛОСОФИИ И НАУКИ. СОВРЕМЕННОЕ ПОНИМАНИЕ ФИЛОСОФИИ КАК НАУКИ, ЕЕ МЕСТА В СИСТЕМЕ НАУЧНОГО ЗНАНИЯ. НАУКА, ФИЛОСОФИЯ, ЦЕННОСТЬ 44 KB
  СОВРЕМЕННОЕ ПОНИМАНИЕ ФИЛОСОФИИ КАК НАУКИ ЕЕ МЕСТА В СИСТЕМЕ НАУЧНОГО ЗНАНИЯ. Наука в это время в целом входит в лоно философии. Одни социальноэкономические условия способствовали появлению философии и науки атмосфера демократии возможность существования теоретического абстрактного знания.
20342. ПРИЧИНЫ И ЗНАЧЕНИЕ ПЛЮРАЛИЗМА ФИЛОСОФСКИХ УЧЕНИЙ. ОСНОВНОЙ ВОПРОС ФИЛОСОФИИ И ОСНОВНЫЕ ФИЛОСОФСКИЕ НАПРАВЛЕНИЯ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЛОСОФИИ КАК НАУКИ 38 KB
  ОСНОВНОЙ ВОПРОС ФИЛОСОФИИ И ОСНОВНЫЕ ФИЛОСОФСКИЕ НАПРАВЛЕНИЯ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЛОСОФИИ КАК НАУКИ. Для многих это признак слабости философии. В философии сегодня наиболее полно представлена самобытность человека.
20343. СПЕЦИФИКА ОБЪЕКТИВНОГО ИДЕАЛИЗМА. ОБЪЕКТИВНЫЙ ИДЕАЛИЗМ, РЕЛИГИЯ, РЕЛИГИОЗНАЯ ФИЛОСОФИЯ. ОБЪЕКТИВНЫЙ ИДЕАЛИЗМ ПЛАТОНА, ФОМЫ АКВИНСКОГО, Г. ГЕГЕЛЯ. ПЕРСПЕКТИВЫ ОБЪЕКТИВНОГО ИДЕАЛИЗМА 52 KB
  Но размышляя он приходит к выводу что известный тезис христианства о творении мира из ничто ничего нужно понимать так: есть некое Ничто существующее независимо от Бога. Но Бердяев считал что в таком случае никак нельзя обосновать свободу какая это свобода если все в мире подконтрольно Богу и все грехи мира падают на Бога. Но лишает христианского Бога роли господина всего существующего что для большинства христиан абсолютно неприемлемо. мы в силу общественной привычки и обучения часто без особых доказательств не говоря уже о...
20344. СПЕЦИФИКА СУБЪЕКТИВНОГО ИДЕАЛИЗМА. СОФИСТИКА, СКЕПТИЦИЗМ И СУБЪЕКТИВНЫЙ ИДЕАЛИЗМ. ИСТОРИЯ СТАНОВЛЕНИЯ СУБЪЕКТИВНОГО ИДЕАЛИЗМА ОТ БЕРКЛИ К КАНТУ. ОСНОВНЫЕ ТЕМЫ И ОСНОВЫ КРИТИКИ СУБЪЕКТИВНОГО ИДЕАЛИЗМА 63.5 KB
  Си философское направление обостренно воспринимающее проблему тему ограниченности человеческого опыта знания откуда для него объективно вытекает что сознание человека творит мир. Для крайнего последовательного СИ это означает не только познавательно гносеологически творит мир т. человек своим сознанием делает то что мы называем считаем материальным миром. В античности склонялись либо к простому релятивизму у каждого свои взгляды на мир либо к благоразумию критика философских взглядов одновременно не отвергала а наоборот...