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