Фиг. 1.1.1. Графична връзка между най-често използваните температурни скали

Фиг. 1.1.2. Принципна схема на калориметър

Температурата може да се определи и чрез измерване на електричното напрежение на термодвойка или съпротивлението на резистор. Термодвойката представлява два проводника, направени от различни метали, метални сплави или полупроводници, които са съединени в единия си край (работна точка). Например, при желязо-константановата термодвойка, единият проводник е от желязо, а другия от сплавта константан. Ако работната точка е при температура (t), по-висока от температурата на двата свободни края (t_o), между свободните краища на термодвойката се генерира електрично напрежение с големина U = k. (t – t_o). Това напрежение се измерва и представя направо в ^оС. Главното предимство на този термометър е, че размерите и масата на работната точка са много малки, което позволява измерване температурата на малки обекти, на повърхността на тела (например кожна температура), на подвижни обекти и др. Полупроводниковите термодвойки генерират много по-високо напрежение от металните, но не могат да работят при по-високи температури. За по-голяма чувствителност, вместо една термодвойка понякога се използват голям брой термодвойки, свързани последователно в еднакъв ред (термобатерия). Използват се и полупроводникови термобатерии, които генерират по-високо напрежение от металните.

При съпротивителните термометри се използва зависимостта на съпротивлението от температурата. Чувствителният им елемент е метално или полупроводниково съпротивление (резистор). Платиновият термометър представлява резистор от тънка навита платинена нишка. Електричното съпротивление на този резистор нараства с температурата практически линейно. Това съпротивление се измерва чрез мост на Уитстоун (схема от четири резистора, един от които е платиненото съпротивление). Получената стойност е градуирана направо в ^оС. С този термометър се измерват температури в много широк обхват (от -100^оС до +1200^оС) с точност около ±0.01°C. В някои случаи, вместо платинено съпротивление се използва полупроводников резистор (термистор), който има по-висока чувствителност.

Температурата на повърхността на тялото може да се определи и чрез нанасяне на тънък слой от подходящ по състав течен кристал (естери на холестерола). В зависимост от локалната температура, той променя структурата си и придобива характерен цвят. Получената цветова картина може да се фотографира и запази като документ.

Физиологичните системи на човека могат да функционират правилно само в тесни граници около нормалната телесна температура от 36.7^оС. За кратко време поносими са отклонения в телесната температура между 33 и 42^оС - температурни граници на живот при човек. Над 43^оС бързо настъпва смърт на клетките и некроза на тъканите. Хипертермията (43^оС и повече) се използва като техника за локално некротизиране на туморна маса. Под 33^оС (дълбока хипотермия) се нарушава говора и чуването, свиването на сърцето и мускулите. Под 20^оС се прекъсва провеждането на нервни импулси. Това се прилага за локално анестезиране при микрохирургия на окото, зъбите, нерви окончания и др. При хипотермията се забавя рязко метаболизма и изразходването на хранителни вещества. Това се използва при операции на мозъка, когато е необходимо да се спре временно неговото кръвообращение - криохирургия. Ниски температури (+4^оC) се използват за съхранение на банки за кръвопреливане без криопротектори. Отрицателни температури от -10 -30^оС се използват за продължително съхраняване на клетки (кръвни клетки, полови клетки), тъкани и органи в незамръзващи среди, съдържащи криопротектори (глицерин, DMSO, етилен гликол). Свръхниски температури (течен азот) се прилагат за локална некроза на повърхностни тумори.

Всяко едно тяло се състои от огромен брой градивни частици (атоми, молекули, йони). Вътрешната енергия на едно тяло представлява сбора от всички видове енергии, които се съдържат в градивните частици на тялото, т.е това е сборът от:

1. Кинетичната енергия на всички частици, известна още като термична енергия на тялото. Тук се включва кинетичната енергия на постъпателното движение, въртене и трептене на молекулите.

2. Потенциалната енергия на всички частици - зависи от силите, които действат между частиците и от разстоянията между тях;

3. Химичната енергия на всички частици - енергията на химичните връзки вътре в молекулите на тялото;

4. Вътреатомната енергия на частиците - енергията на електроните и ядрата на атомите. Обикновено тя не се отчита, защото се променя само в специални случаи.

Химичната енергия на дадено тяло се мени при извършване на химични превръщания на неговите молекули. При това, променя се вътрешната енергия и се отделя (или поглъща) топлина, която се измерва с уреди, наречени калориметри. Калориметърът съдържа два съда А и Б (Фиг.1.1.2), контактуващи помежду си и изолирани термично от околната среда. В съда А се намира изследваното тяло, което отделя топлина Q, а в съда Б – еталонното тяло (обикновено вода), което поема топлината Q. По промяната на температурата на еталонното тяло се изчислява Q използвайки горното уравнение. С такива калориметри е измерена топлината на пълно изгаряне на различни вещества в кислородна атмосфера до CO₂, H₂O и N₂. Същата величина, отнесена спрямо 1 kg маса от изследваното вещество се нарича специфична топлина на горене, а при хранителните вещества тя се нарича калоричност на хранителните вещества. В табл. 1.1.3 е показана калоричността на някои основни храни.

Вещество	Cp ( kJ / (kg . K))	Вещество	Cp ( kJ / (kg . K))
Парафин	1,6	Хартия	1,5
Парафин течен	3,0	Дърво	1,2
Плексиглас	1,5	Тухли	0,88
Полиетилен	2,5	Пясък речен	0,84
Гипс	1,06	Глицерин	2,35
Стъкло прозоречно	0,67	Масло растително	1,5 – 2,0
Бетон	0,84	Вода	4,2

Друг по-съвършен тип калориметри са т.н. диференциални калориметри. Те се състоят от два еднакви съда А и Б, изолирани термично един от друг и от околната среда (Фиг 1.1.3). В съда А се намира изследваното тяло, което отделя топлината Q. В съда Б е поставен електричен нагревател, който отделя същото количество топлина Q, така че разликата между температурите на двата съда да бъде нула. Q се изчислява като се измери електричния ток през нагревателя.

Вещество	Енергия (kcal/kg)	Вещество	Енергия (kcal/kg)
Ябълки	580	Агнешко бутче	3130
Бял хляб	2700	Прясно мляко	650
Говежда пържола	4730	Печени картофи	930
Масло	7160	Свинско	4100
Мътеница	360	Спанак	230
Печено пиле	2490	Захар	3850
Фасул	3490	Бензин	11500

С нарастване на температурата Т, топлинното движение на атомите и молекулите се усилва и поради това всички метаболитни процеси увеличават своята скорост. Температурната зависимост на скоростта К на протичане на голям брой процеси (физични, транспортни и биологични процеси, химични реакции) се описва с уравнението на Сванте Арениус К = А.ехр (– Е_акт / RT). В това уравнение А е честотен фактор и Е_акт е активационна енергия. Отделните частици участват в топлинното движение с различна енергия, освен това те непрекъснато обменят помежду си топлинна енергия чрез взаимни сблъсквания. При тези взаимни удари в някои частици се натрупва значително по-голяма енергия от средната. Е_акт има смисъл на онази минимална енергия, която трябва да се предаде на дадена частица (атом или молекула) за да се приведе тя в активирано състояние, когато ще бъде възможно да се транспортира или претърпи химично превръщане. Тъй като тази енергия се предава чрез взаимни удряния между частиците, честотният фактор А има смисъл на онзи среден брой сблъсъци, в които трябва да участва частицата, преди да се активира. Този закон предсказва, че едно слабо нарастване на температурата на процеса ще доведе до силно нарастване на скоростта на процеса, толкова повече колкото Е_акт има по-голяма стойност. Е_акт се определя от експерименталните стойности на скоростта К на процеса, измерени при две различни температури. Стойностите на Е_акт за някои процеси са дадени в табл. 1.1.3.

Вид на процеса	Еакт (kJ/mol)
Свободна дифузия	Около 20
Дифузия на йони през липиден бислой	Около 50
Ензимно катализирани метаболитни реакции	20-25
Топлинна денатурация на мономерни белтъци	350 – 800

Без външна намеса, топлината винаги се предава от по-нагрятата част на едно тяло към по-студената, или от по-нагрятото тяло към друго по-студено тяло. Количеството топлина Q, което се пренася през дадена повърхност с площ S за единица време t се нарича поток на топлината Ф. Под плътност на топлинния поток H се разбира топлинния поток Ф, който се пренася през единица площ, т.е, H = Q / (S. t).

Нормалната, физиологична температура във вътрешността на човешкото тяло е строго постоянна, равна на 36.7  0.5^оC (температурна хомеостаза). Поради различната скорост на метаболитните процеси в отделните тъкани и органи на човешкото тяло, основното топлообразуване в тях обаче е различно. Най-голямо е топлообразуването в черния дроб, главния мозък и сърцето, където се потребява основното количество кислород и глюкоза. Допълнително, при съкращение на мускулите, рязко нараства и активното топлообразуване в тях. Въпреки това, при физиологичен покой и активна работа, човешкото тяло се намира в т.н. стационарно състояние. То се характеризира с относителна еднаквост и постоянство на температурата вътре в цялото тяло и равенство между вътрешното топлообразуване и изходящия навън поток топлина. Например, нормалната физиологична разлика в температурите на вътрешните органи е не-повече от 0.5^оС. Поддържането на постоянна телесна температура е жизнено важен процес и неговото нарушаване е опасно за живота. Това изисква да се познават механизмите за пренос на топлина и уеднаквяване на температурата в цялото тяло и нейното поддържане в нормални граници.

Преносът на топлина между телата (топлообмена), се извършва по следните четири механизма:

1) Топлопроводност – пренос на молекулна кинетична енергия (топлина) чрез хаотично топлинно движение на молекулите. Това е основен механизъм при твърдите и течните тела (Фиг. 1. 2. 1). Топлината преминава от единия, по-топъл край на тялото до другия (по-студен) край като се предава от една негова частица към друга без при това частиците да променят своето местоположение. Най-лесно това става при твърдите кристални тела, чийто градивни частици (молекули, атоми, йони) са разположени във възлите на една правилна твърда решетка. При всяка една температура, тези градивни частици участват в топлинното движение като трептят около равновесните си положения във възлите на кристалната решетка. Амплитудата на трептене нараства с температурата, но обикновенно не превишава 0.1 Å, което е около 5 % от равновесното разстояние между възлите. Топлинното трептене на частиците в по-горещия край на тялото е по-интензивно и се предава на съседните частици поради силите на взаимодействие между тях. Така се пренася топлина, без да се пренася (размества) вещество. В този случай H = k. T/x, където T/x = (T₂-T₁)/(x₂-x₁) - градиент на температурата, к - коефициент на топлопроводност (Фиг. 1.2.1)



Фиг. 1.2.1. Пренос на топлина по механизма на топлопроводност

Топлопроводността на течните тела и водата е значително по-ниска, отколкото при кристалите, защото топлинното трептене на техните молекули повлиява много слабо околните молекули. При газовете енергията може да бъде предавана от една молекула на друга и то не много ефективно, само при взаимен сблъсък помежду им. Така, от всички материали най-ниска топлопроводност к имат газовете и въздуха, защото разстоянието между техните молекули е толкова голямо, че те рядко се сблъскват помежду си. Самите те, както и твърдите шуплести материали, съдържащи много въздушни шупли (платове, слоеве от пера и косми, дървен материал, строителни материали), служат като топлоизолатори. Биологичните тъкани имат топлопроводност, близка до тази на водата. Мастните тъкани имат три пъти по-ниска топлопроводност от тази на водата - те са топлоизолатори. Повечето метали имат стотици пъти по-висока топлопроводност спрямо водата. Наличието в тях на свободни електрони обуславя тяхната висока топло и електропроводност.

Някои вещества (кварцов пясък, езолит, разтопен парафин) имат голяма топлоемкост и много ниска топлопроводност. Това ги прави подходящи за контактно топлолечение, при което те се нагряват до 70^оС и се допират до тялото на пациента. Поради високата си топлоемкост, те акумулират в себе си голямо количество топлина. От друга страна, ниската им топлопроводност осигурява бавно и безопасно предаване на тази топлина през кожата на пациента.

3) Топлинно излъчване (Фиг. 1. 2. 2). При този механизъм не е необходима материална среда, защото предаването на топлина от тялото с по-висока температура Т₁ към по-хладния радиационен екран с температура Т₂ става чрез електромагнитни вълни от инфрачервения диапазон, известни като топлинно лъчение. За температури близки до 37^оС, H = r. (T₁ - T₂). Тук r е коефициент на радиационен пренос.

4) Изпарение - при изпарението на 1 g вода, намираща се върху топла повърхност на дадено тяло, се отнемат 2520 J топлина, което води до силно охлаждане на тялото. В този случай, отнемането на топлина зависи силно от парния натиск Р на водната пара в близост до повърхността на тялото. При този механизъм, H = e. (P₁ - P₂), където P₁ и P₂ са парциалните налягания на водните пари до повърхността на тялото и далеч от него (Фиг. 1. 2. 3). Това е единственият механизъм, който позволява отнемане на топлина от тялото, даже когато околната среда е по-гореща от него. Във влажен въздух (P₁  P₂) изпарението е затруднено или невъзможно. В този случай, ако температурата на околната среда е равна или по-голяма от физиологичната, топлопроводността и конвекцията няма да могат да отведат топлината, произведена вътре в тялото и температурата на тялото ще нарастне надкритично – ще настъпи топлинен удар.

Фиг. 1.2.3. Пренос на топлина по механизма на изпарение.

Нека означим с Q топлината, която се отделя вътре в човешкото тяло за време t, съответно Q/t ще бъде скоростта на топлообразуване вътре в човешкото тяло. Нека да означим с Ф_in топлинният поток, пренасян от вътрешността на тялото към неговата повърхност и с Ф_ex - външния поток топлина, пренасян от повърхността на тялото към околната среда. В стационарно състояние тези величини трябва да са равни помежду си, за да бъде постоянна телесната температура, т.е.,

Q / t = Ф_in = Ф_ex