То, что раз­лич­ные тела об­ла­да­ют раз­ной спо­соб­но­стью про­во­дить тепло, т. е. раз­ной теп­ло­про­вод­но­стью, было из­вест­но давно, од­на­ко ин­стру­мен­таль­ные ис­сле­до­ва­ния на­ча­лись лишь в конце XVIII в. Ж.-Б.-Фурье пред­ло­жил спо­соб, по­ка­зан­ный на ри­сун­ке: в стерж­не AB, один конец ко­то­ро­го на­гре­вал­ся, на рав­ном рас­сто­я­нии вы­свер­ли­ва­лись не­боль­шие от­вер­стия под тер­мо­мет­ры (a, b, … f). Вна­ча­ле тем­пе­ра­ту­ра каж­до­го тер­мо­мет­ра под­ни­ма­лась, но затем подъём пре­кра­щал­ся, уста­нав­ли­ва­лось ста­ци­о­нар­ное рас­пре­де­ле­ние тем­пе­ра­ту­ры вдоль стерж­ня. Луч­шей теп­ло­про­вод­но­стью об­ла­дал тот ма­те­ри­ал, для ко­то­ро­го раз­ли­чие между по­ка­за­ни­я­ми двух со­сед­них тер­мо­мет­ров было наи­мень­шее. Ис­поль­зуя эту идею, Г. Ви­де­ман и Р. Франц по­лу­чи­ли дан­ные о теп­ло­про­вод­но­сти ме­тал­лов и спла­вов, со­по­ста­вив их с элек­тро­про­вод­но­стью. Ре­зуль­та­ты опы­тов в от­но­си­тель­ных еди­ни­цах пред­став­ле­ны в табл. 1 (наи­луч­шая про­во­ди­мость  — у се­реб­ра; наи­худ­шая  — у вис­му­та).

На­ря­ду с теп­ло­фи­зи­че­ски­ми свой­ства­ми про­вод­ни­ков, изу­ча­лись и ана­ло­гич­ные свой­ства теп­ло­изо­ля­то­ров. Граф Б.-Т. Рум­форд ис­сле­до­вал теп­ло­про­вод­ность ма­те­ри­а­лов, ис­поль­зу­е­мых для одеж­ды. Он по­ме­щал тер­мо­метр в стек­лян­ную труб­ку с окон­ча­ни­ем в виде сферы так, чтобы шарик тер­мо­мет­ра был в её цен­тре. Про­стран­ство между стек­лян­ной сфе­рой и тер­мо­мет­ром за­пол­ня­лось ис­сле­ду­е­мой ма­те­ри­ей. Вся труб­ка сна­ча­ла по­ме­ща­лась в го­ря­чую воду, про­гре­ва­лась до тех пор, пока не уста­нав­ли­ва­лась не­из­мен­ная тем­пе­ра­ту­ра, затем при­бор по­ме­щал­ся в смесь толчёного льда и соли и охла­ждал­ся. В опы­тах из­ме­ря­лось время по­ни­же­ния тем­пе­ра­ту­ры для каж­до­го ма­те­ри­а­ла на 135 ºF (57,2 ºС). Дан­ные, по­лу­чен­ные Рум­фор­дом, пред­став­ле­ны в табл. 2.

На­ря­ду с экс­пе­ри­мен­таль­ной базой в XIX в. были за­ло­же­ны и ос­но­вы тео­рии теп­ло­про­вод­но­сти.

Теп­ло­об­мен тела че­ло­ве­ка с окру­жа­ю­щей сре­дой может осу­ществ­лять­ся, путём всех трёх видов теп­ло­пе­ре­да­чи (теп­ло­про­вод­но­сти, кон­век­ции и из­лу­че­ния), а также за счёт ис­па­ре­ния воды с по­верх­но­сти тела.

Пе­ре­нос тепла в слу­чае теп­ло­про­вод­но­сти прямо про­пор­ци­о­на­лен раз­но­сти тем­пе­ра­ту­ры тела и тем­пе­ра­ту­ры окру­жа­ю­щей среды. Чем боль­ше раз­ность тем­пе­ра­тур, тем ин­тен­сив­нее про­ис­хо­дит теп­ло­от­да­ча энер­гии живым ор­га­низ­мом в окру­жа­ю­щую среду. Кроме того, боль­шое зна­че­ние имеет ко­эф­фи­ци­ент теп­ло­про­вод­но­сти окру­жа­ю­щей среды. Из­вест­но, что ко­эф­фи­ци­ент теп­ло­про­вод­но­сти для воды (при 20 °C) равен 2,1 кДж/(ч·м·°С), а для су­хо­го воз­ду­ха – при­мер­но 0,08 кДж/(ч·м·°С). По­это­му для че­ло­ве­ка теп­ло­про­вод­ность через воз­дух со­став­ля­ет очень не­зна­чи­тель­ную ве­ли­чи­ну.

Теп­ло­от­да­ча из­лу­че­ни­ем для че­ло­ве­ка в со­сто­я­нии покоя со­став­ля­ет 43–50% всей по­те­ри тепла. Из­лу­че­ние че­ло­ве­че­ско­го тела ха­рак­те­ри­зу­ет­ся дли­ной волны от 5 до 40 мкм с мак­си­маль­ной дли­ной волны в 9 мкм.

Ис­па­ре­ние поз­во­ля­ет охла­ждать тело даже в том слу­чае, когда тем­пе­ра­ту­ра окру­жа­ю­щей среды выше, чем тем­пе­ра­ту­ра тела. При низ­кой тем­пе­ра­ту­ре воз­ду­ха кон­вен­ция и из­лу­че­ние с по­верх­но­сти тела че­ло­ве­ка со­став­ля­ют около 90% общей су­точ­ной теп­ло­от­да­чи, а ис­па­ре­ние при ды­ха­нии – 9–10%. При тем­пе­ра­ту­ре 18–20 °C теп­ло­от­да­ча за счёт кон­вен­ции и из­лу­че­ния умень­ша­ет­ся, а за счёт ис­па­ре­ния уве­ли­чи­ва­ет­ся до 25–27%.

При тем­пе­ра­ту­ре воз­ду­ха 34–35 °C ис­па­ре­ние пота ста­но­вит­ся един­ствен­ным путём, с по­мо­щью ко­то­ро­го ор­га­низм осво­бож­да­ет­ся от из­бы­точ­но­го тепла. На каж­дый литр ис­па­рив­ше­го­ся пота кожа те­ря­ет ко­ли­че­ство теп­ло­ты, рав­ное 2400 кДж, она ста­но­вит­ся хо­лод­нее, охла­жда­ет­ся и про­те­ка­ю­щая через неё кровь.

Если при тем­пе­ра­ту­ре окру­жа­ю­щей среды 37–39 °C по­те­ря воды с потом со­став­ля­ет около 300 г/ч, то при тем­пе­ра­ту­ре 42 °C и более она по­вы­ша­ет­ся до 1–2 кг/ч. Ис­па­ре­ние эф­фек­тив­но толь­ко тогда, когда воз­дух сухой и по­движ­ный. Если воз­дух влаж­ный и не­по­движ­ный, ис­па­ре­ние про­ис­хо­дит очень мед­лен­но. Вот по­че­му осо­бен­но тя­же­ло пе­ре­но­сит­ся жара во влаж­ных суб­тро­пи­ках.

Самый про­стой и наи­бо­лее эф­фек­тив­ный спо­соб охла­жде­ния ор­га­низ­ма путём ис­па­ре­ния (при не­вы­со­кой фи­зи­че­ской ак­тив­но­сти) – уси­ле­ние ды­ха­ния. Ведь лёгкие ра­бо­та­ют ещё и в ка­че­стве хо­ло­диль­ни­ка. Вы­ды­ха­е­мый воз­дух все­гда имеет сто­про­цент­ную влаж­ность, а на ис­па­ре­ние воды с гро­мад­ной по­верх­но­сти лёгких ухо­дит боль­шое ко­ли­че­ство из­бы­точ­но­го тепла. Имен­но так охла­жда­ют свой ор­га­низм мно­гие жи­вот­ные.

Про­чи­тай­те текст и вы­пол­ни­те за­да­ния 16, 17 и 18.

Ра­дио­ак­тив­ность ми­не­раль­ных вод была об­на­ру­же­на в на­ча­ле ХХ века, среди пер­во­от­кры­ва­те­лей был Дж. Дж. Том­сон. Ра­дио­ак­тив­ность вод обу­слов­ле­на, в ос­нов­ном, на­ли­чи­ем в них радия (Ra) и рас­творённого газа  — ра­до­на (Rn). За еди­ни­цу ак­тив­но­сти (А), на­зван­ной в честь А. Бек­ке­ре­ля, при­нят один бек­ке­рель (1 Бк), ха­рак­те­ри­зу­ю­щий ак­тив­ность ве­ще­ства, в ко­то­ром за одну се­кун­ду про­ис­хо­дит в сред­нем один ра­дио­ак­тив­ный рас­пад. В слу­чае ис­точ­ни­ков вод ис­поль­зу­ют еди­ни­цы 1 Бк/дм3 = 1 Бк/л.

Наи­бо­лее ра­дио­ак­тив­ные воды вы­хо­дят из гра­нит­ных пород, со­дер­жа­щих за­мет­ное ко­ли­че­ство Ra. Для ме­ди­ци­ны зна­че­ние имеют ра­до­но­вые воды, в ко­то­рых рас­творён ра­дио­ак­тив­ный Rn (пе­ри­од по­лу­рас­па­да 3,82 сут.). Эти воды при­ня­то ха­рак­те­ри­зо­вать по ак­тив­но­сти ра­до­на, см. таб­ли­цу 1.

В на­ча­ле ХХ века опре­де­ле­ние ак­тив­но­сти было ос­но­ва­но на иони­за­ции воз­ду­ха под воз­дей­стви­ем ра­дио­ак­тив­но­го из­лу­че­ния и из­ме­ре­нии ско­ро­сти раз­ряд­ки элек­три­че­ски за­ря­жен­но­го тела вслед­ствие про­во­ди­мо­сти воз­ду­ха. Для этого в за­мкну­тый за­землённый ме­тал­ли­че­ский кон­тей­нер (сосуд) по­ме­ща­ли за­ря­жен­ное тело, со­единённое с элек­тро­мет­ром, и впус­ка­ли, на­при­мер, Rn. При этом по­ка­за­ния элек­тро­мет­ра в те­че­ние пер­вых 3–4 ч воз­рас­та­ли, а затем па­да­ли. Воз­рас­та­ние по­ка­за­ний свя­зы­ва­ли с ра­дио­ак­тив­ным налётом, об­ра­зо­ван­ным твёрдыми про­дук­та­ми рас­па­да Rn:

Пер­вые два шага це­поч­ки со­про­вож­да­ют­ся ис­пус­ка­ни­ем α-ча­сти­цы, ра­до­но­вые воды α-ра­дио­ак­тив­ны. Ослаб­ле­ние ак­тив­но­сти налёта пред­став­ле­но в таб­ли­це 2. За ак­тив­ность ра­до­но­вых вод при­ни­ма­ют ве­ли­чи­ну, из­ме­ря­е­мую при­бо­ром через 3–4 ч после вве­де­ния Rn.

Для опре­де­ле­ния ра­дио­ак­тив­но­сти ми­не­раль­но­го ис­точ­ни­ка либо через из­вест­ный объём воды про­ду­ва­ли воз­дух, либо взбал­ты­ва­ли его с воз­ду­хом. При этом бо́льшая часть Rn пе­ре­хо­ди­ла в воз­дух, ко­то­рый ис­сле­до­вал­ся в при­бо­ре. При опре­де­ле­нии окон­ча­тель­но­го зна­че­ния, ха­рак­те­ри­зу­ю­ще­го ак­тив­ность ис­точ­ни­ка, вво­ди­лись по­прав­ки, свя­зан­ные с тем, что не весь Rn пе­ре­хо­дит в воз­дух и не все α-ча­сти­цы, ис­пу­щен­ные при рас­па­де Rn, иони­зу­ют воз­дух. 10

Rn может со­дер­жать­ся не толь­ко в при­род­ной воде, но и в воз­ду­хе, по­сту­пая в жилые по­ме­ще­ния как с во­до­про­вод­ной водой, так и с бы­то­вым газом. При этом пре­дель­но до­пу­сти­мые кон­цен­тра­ции Rn в воз­ду­хе для жилой ком­на­ты 0,2 кБк/м³, для кухни  — 3 кБк/м³, для ван­ной ком­на­ты  — 8,5 кБк/м³.

Изу­че­ние ак­тив­но­сти мно­гих сотен ис­точ­ни­ков ми­не­раль­ных вод по всему миру в на­ча­ле ХХ века, в том числе и в Рос­сии (см. таб­ли­цу 3) было свя­за­но с тем, что, от­клик­нув­шись на новое яв­ле­ние, врачи по­ла­га­ли, что мно­гие хро­ни­че­ские бо­лез­ни можно из­ле­чить, при­ни­мая ра­до­но­вые ванны. Се­год­ня на­зна­ча­ют 10–15-ми­нут­ные ра­до­но­вые ванны с ак­тив­но­стью воды 1,4–4,5 кБк/л.