Исследовательский проект по физике "Тепловая мощность человека"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Березовская средняя общеобразовательная школа

Карачевского района Брянской области

Тема учебно –исследовательской работы:

«Тепловая мощность человека»

Предметное направление: Секция точных наук - физика

Ф.И.О. автора:

Качановская Александра Андреевна, 8 класс

Руководитель: Карсекина Ольга Владимировна,

учитель физики

МБОУ Березовская СОШ Карачевского района

п. Березовка

2021

Содержание

1. Введение.

2.Цели.

3.Методика исследования.

4. Результаты исследований.

А)Эксперимент

Б) Тепловая мощность человека.

5.Вывод.

6.Заключение.

7.Литература.

1. Введение

Меня в школе часто, еще с младших классов, интересовал вопрос, почему с утра при отключенном отоплении в классе холодно, а в течение дня, концу школьных уроков в классах становится теплее.

В 8 классе я изучила тему по физике «Количество теплоты» и понимаю, что тепловые процессы нагревания воздуха связаны с изученным разделом физики. И вот теперь понимаю, что я могу рассчитать, какое количество теплоты ученики передают классу (воздуху), какова тепловая мощность тела человека.

В качестве участников эксперимента выступал 7 класс. Я брала две классные комнаты: самую большую и холодную, самую маленькую и теплую.

Об использовании тепловой энергии человека я искала сведения в литературе и Интернете. Оказывается, данная тема широко используется и достаточно изучена. Поэтому для теоретических расчетов я брала уже известные формулы.

Актуальность:

Выбранная мной тема достаточно актуальна, так как человечество ищет альтернативные экологические источники энергии. А тепловая энергия человека –экологична и вечна пока живет человек.

Цели работы: 

1. Узнать тепловую мощность человека опытным путём и рассчитать её с помощью теоретических расчётов.

2. Выяснить, насколько тепловая мощность человека может иметь практическую значимость в жизни.

Методика исследований:

В работе необходимо измерить изменение температуры воздуха в классе, при наличии в нем некоторого количества людей несколько часов.

Рассчитать количество теплоты, переданное людьми воздуху и найти тепловую мощность 1 человека.

Сравнить полученный результат с результатами теоретических расчетов.

Узнать границы применения полученных данных.

Результаты исследований.

В интервале температур от -40 ⁰С до +60 ⁰С удельную теплоемкость сухого воздуха при постоянной температуре можно считать постоянной с=1006 Дж/ кг*⁰С.

Согласно уравнению теплового баланса, Qполученное=Qотданное.

Отдают (выделяют) тепло учащиеся, получает тепло воздух в классе.

Q _{всех учащихся}=N*P₁*t_вр, где t_вр –время нахождения в классе учеников, Р₁ – мощность 1 человека.

Q_{полученное}=с*m*(t₂-t₁)

Эксперимент

Тогда приступим к эксперименту. Проведу 2 опыта.

Опыт 1. Классная комната № 9

Начальная температура воздуха в классе t ₁=19 ⁰С. Время нахождения 14 детей с 1 учителем t_вр=1,5 часа=5400 с. Комната нагрелась на Δ t =2 ⁰С.

Масса воздуха в комнате m=p*V. Комната имеет размеры 10м*6м*2,7м. V=162 м³.

m=р*V=1,29 кг/м³*162 м³=209 кг.

Тогда N*P₁*t _вр=с*m*(t₂-t₁).

Р₁= с*m*(t₂-t₁)\ N*t _вр=1006*209*2/15*5400= 5 Вт.

Опыт 1. Классная комната № 4 (более теплая – в середине здания школы)

Начальная температура воздуха в классе t ₁=21 ⁰С. Время нахождения 14 детей с 1 учителем t_вр=45 мин=2700 с. Комната нагрелась на Δ t =3 ⁰С.

Масса воздуха в комнате m=p*V. Комната имеет размеры 5м*5м*2,7м. V=67,5 м³.

m=р*V=1,29 кг/м³*67,5 м³=87 кг.

Тогда N*P₁*t _вр=с*m*(t₂-t₁).

Р₁= с*m*(t₂-t₁)\ N*t _вр=1006*87*3/15*2700= 6,5 Вт.

В опытах, очевидно, результат будет занижен, т.к. не учитывалось потребление тепла человека стенами и мебелью. В тоже время, радиаторы отопительной системы комнаты не обогревали (сентябрь).

Тепловая мощность человека. Чтобы рассчитать тепловую мощность человека нужно знать среднюю теплоотдачу человека в единицу времени.

Теплоотдача — это теплообмен между поверхностью тела человека и окружающей средой. В сложном процессе сохранения теплового баланса организма регуляция теплоотдачи имеет большое значение. Применительно к физиологии теплообмена теплоотдача рассматривается как переход теплоты, освобождаемой в процессах жизнедеятельности, из организма в окружающую среду. Теплоотдача осуществляется в основном излучением, конвекцией, кондукцией, испарением. В условиях теплового комфорта и охлаждения наибольшую долю занимают потери тепла радиацией и конвекцией (73—88% общих теплопотерь). В условиях, вызывающих перегревание организма, преобладает теплоотдача испарением.

Радиационный теплообмен. В любых условиях жизнедеятельности человека между ним и окружающими телами происходит теплообмен путем инфракрасного излучения (радиационный теплообмен). Человек в процессе своей жизнедеятельности часто подвергается нагревающему воздействию инфракрасных излучений с разными спектральными характеристиками: от солнца, нагретой поверхности земли, зданий, отопительных приборов, и т. д. В производственной деятельности с радиационным нагреванием человек сталкивается, например, в горячих цехах металлургической, стекольной, пищевой промышленности и др.
Излучением человек отдает тепло в случаях, когда температура ограждений, окружающих человека, ниже температуры поверхности тела. В окружающей человека среде часто встречаются поверхности, имеющие температуру значительно ниже температуры тела (холодные стены, застекленные поверхности). При этом потери тепла излучением могут быть причиной местного или общего охлаждения человека. Радиационному охлаждению подвергаются строительные рабочие, рабочие, занятые на транспорте, обслуживающие холодильники и др.
Теплоотдача излучением в комфортных метеорологических, условиях составляет 43,8—59,1% общих теплопотерь. При наличии в помещении ограждений с температурой более низкой, чем температура воздуха, удельный вес теплопотерь человека излучением возрастает и может достигать 71%. Этот способ охлаждения и нагревания оказывает более глубокое воздействие на организм, чем конвекционный.

Передача тепла излучением пропорциональна разности четвертых степеней абсолютных температур поверхностей тела человека и окружающих предметов. При небольшой разности температур, что практически наблюдается в реальных условиях жизнедеятельности человека, уравнение для определения потерь тепла радиацией можно

записать так:

где а_рад — коэффициент излучения, Вт/(м²°С); S_paд — площадь поверхности , тела человека, участвующей в радиационном теплообмене, м2; t1 — температура поверхности тела (одежды) человека, °С; t2 — температура поверхности окружающих предметов, °С.
 Коэффициент излучения а_рад при известных значениях t1 и t2 может быть определен по таблице ниже.
 Поверхность тела человека, участвующая в радиационном теплообмене, меньше всей поверхности тела, так как некоторые части тела взаимно облучаются и не принимают участия в обмене. Поверхность тела, участвующая в обмене тепла, может составлять 71—95% всей поверхности тела человека. Для людей, находящихся в положении стоя или сидя, коэффициент эффективности излучения с поверхности тела составляет 0,71; в процессе движения человека он может увеличиваться до 0,95.

Потери тепла радиацией с поверхности тела одетого человека Q_рад, Вт, могут быть определены также по уравнению выше.

Конвекционный теплообмен. Передача тепла конвекцией осуществляется с поверхности тела человека (или одежды) движущемуся вокруг него (нее) воздуху. Различают конвекционный теплообмен свободный (обусловленный разностью температур поверхности тела и воздуха) и принудительный (под влиянием движения воздуха). По отношению к общим теплопотерям в условиях теплового комфорта теплоотдача конвекцией составляет 20—30% . Существенно возрастают потери тепла конвекцией в условиях ветра.

С использованием суммарного значения коэффициента теплоотдачи (арад.конв) могут быть определены значения радиационно-конвективных теплопотерь (О_{рад.конв}) по уравнению О_{рад.конв} = О_{рад.конв} (tод—tв).

Кондукционный теплообмен. Теплоотдача от поверхности тела человека к соприкасающимся с ним твердым предметам осуществляется проведением (кондукцией). Потери тепла кондукцией в соответствии с законом Фурье могут быть определены по уравнению:

Как видно из уравнения, отдача тепла кондукцией тем больше, чем ниже температура предмета, с которым соприкасается человек, чем больше поверхность соприкосновения и меньше толщина пакета материалов одежды.
В обычных условиях удельный вес потерь тепла кондукцией невелик, так как коэффициент теплопроводности неподвижного воздуха незначителен. В этом случае человек теряет тепло кондукцией лишь с поверхности стоп, площадь которых составляет 3% площади поверхности тела. Но иногда (в кабинах сельскохозяйственных машин, башенных кранов, экскаваторов и т. д.) площадь соприкосновения с холодными стенами может быть довольно большой. Кроме того, помимо размера контактирующей поверхности имеет значение и подвергающийся охлаждению участок тела (стопы, поясницы, плеч и т. д.).
Теплоотдача испарением. Важным способом теплоотдачи, особенно при высокой температуре воздуха и выполнении человеком физической работы, является испарение диффузионной влаги и пота. В условиях теплового комфорта и охлаждения человек, находящийся в состоянии относительного физического покоя, теряет влагу путем диффузии (неощутимой перспирации) с поверхности кожи и верхних дыхательных путей. За счет этого человек отдает в окружающую среду 23—27% общего тепла, при этом 1/3 потерь приходится на долю тепла испарением с верхних дыхательных путей и 2/3 — с поверхности кожи. На влагопотери путем диффузии оказывает влияние давление водяных паров в воздухе, окружающем человека. Поскольку в земных условиях изменение давления водяных паров невелико, влагопотери вследствие испарения диффузионной влаги принято считать относительно постоянными (30—60 г/ч). Несколько колеблются они лишь в зависимости от кровоснабжения кожи.

Потери тепла путем испарения диффузионной влаги с поверхности кожи Qисп.д, Вт, могут быть определены по уравнению:

Теплоотдача при дыхании. Потери тепла вследствие нагревания вдыхаемого воздуха составляют небольшую долю по сравнению с другими видами потерь тепла, однако с увеличением энерготрат и со снижением температуры воздуха теплопотери этого вида увеличиваются.
Потери тепла вследствие нагревания вдыхаемого воздуха Qдых.н, Вт, могут быть определены по уравнению Q_дых.н=0,00 12Qэ.t (34—tв),

где 34 — температура выдыхаемого воздуха, °С (в комфортных условиях) .
В заключение следует отметить, что приведенные выше уравнения для расчета составляющих теплового баланса позволяют лишь ориентировочно оценить теплообмен человека с окружающей средой. Существует также ряд уравнений (эмпирических и аналитических), предложенных разными авторами и позволяющих определить необходимую для расчета теплового сопротивления одежды величину радиационно-конвективных теплопотерь (фрэд конв).
В связи с этим в исследованиях наряду с расчетными применяются экспериментальные методы оценки теплообмена организма. К ним относятся методы определения общих влагопотерь человека и потерь влаги испарением путем взвешивания раздетого и одетого человека, а также определения радиационно-конвективных теплопотерь с помощью тепломерных датчиков, размещаемых на поверхности тела.
Помимо прямых методов оценки теплообмена человека используются косвенные, отражающие влияние на организм разницы между теплоотдачей и теплопродукцией в единицу времени в конкретных условиях жизнедеятельности. Это соотношение определяет тепловое состояние человека, сохранение которого на оптимальном или допустимом уровне является одной из главных функций одежды. В связи с этим показатели и критерии теплового состояния человека служат физиологической основой как проектирования одежды, так и ее оценки.

Для расчетов тепловой мощности человека для вычисления радиационных тепловых потерь с 1 м² поверхности тела можно было воспользоваться законом Стефана—Больцмана для серого тела (излучающие тела (кожа человека, одежда) будем считать серыми): Р_изл = а_стТ⁴.

Значения коэффициентов поглощения а некоторых серых тел приведены:

Максимум спектральной плотности энергетической светимости тела человека при температуре поверхности кожи 32 °С (305 К), в соответствии с законом Вина приходится на длину волны 9,5 мкм:

Применим закон Стефана — Больцмана к излучению тела человека в неравновесных условиях (температура поверхности тела человека Т_ч не равна температуре окружающей среды Т₀).

Человек излучает со всей поверхности S тела поток энергии Ф_изл = aoT_ч⁴*S. Одновременно его тело поглощает часть излучения, попадающего на него от окружающих предметов (стен, потолка и т.п.), равную Ф_погл = aoT₀⁴*S, поэтому реальные тепловые потери человека составляют лишь разницу этих потоков энергий: Ф_потерь = ao(T_ч⁴ –Т₀⁴)*S. Если человек одет, то под Т_ч следует понимать температуру поверхности одежды. Раздетый человек, со средней температурой поверхности кожи 33 °С (306 К) и площадью поверхности тела 1,5 м² при температуре окружающей среды 18 °С (291 К), теряет ежесекундно вследствие теплового излучения:

При той же температуре окружающей среды, но в хлопчатобумажной одежде, температура поверхности которой 24 °С (297 К), его тепловые потери будут значительно меньше:

Таким образом, одежда играет роль теплоизолятора: уменьшает тепловые потери при пониженной температуре окружающей среды и предохраняет тело от избыточного перегрева при слишком высокой окружающей температуре. Тот же расчет мощности более наглядно выглядит так:

Физика человека. Тепловыделение человека, в Вт в зависимости от вида нагрузки. Сухое=явное и скрытое тепло. В таблице ниже приведено суммарное метаболическое тепловыделение, а также примерное его распределение на сухое (явное) и скрытое тепло для различных видов активности человека. Таблица опирается на показания сухого термометра, что не вполне корректно для скрытого тепла, но, тем не менее, это отличный инструмент для проектных расчетов.

Вывод.

Опытным путем определила тепловую мощность подростка со средней массой тела 45 кг. По реальным данным опыта она оказалась 5-6,5 Вт.

Где это можно применять в перспективе? Порывшись в различных источниках, оказалось, что ученых и инженеров давно интересует данный альтернативный источник энергии.

Тепло человеческого тела – источник бесплатной энергии

Независимо от нашего желания, количества съеденной еды или состояния здоровье человеческое тело постоянно выделяет тепло. Как правило, впустую, но недавно начались первые эксперименты по использованию данной тепловой энергии.

  Тело взрослого здорового человека с нормальной температурой в состоянии покоя выделяет тепло. Если он занимается легкой физической работой, например, пешей ходьбой, то это значение увеличивается.

На обогрев непосредственно тела и его органов идет достаточно небольшая часть это тепла – не более 50%. Остальное просто рассеивается в атмосфере, независимо от нашего желания. Наиболее рациональное применение этому теплу – нагрев воздушной прослойки под зимней одеждой или одеялом. В остальных случаях можно говорить о бесполезном расходе.

Поверхность человеческого тела выделяет тепло неравномерно и подключить к ней теплообменники весьма проблематично. Да и КПД такой системы будет оставлять желать лучшего, так как человек не может все время заниматься интенсивной физической работой. До недавнего времени воспользоваться теплом человека для хозяйственных нужд было проблематично. Но вот один из примеров эксперимента «Стокгольмский эксперимент». Центральное здание Стокгольмского железнодорожного вокзала превращено в своеобразный экспериментальный полигон. Из основных залов убрали кондиционеры, стены оснастили слоем теплоизоляции, а дверные и оконные проемы сделали менее воздухопроницаемыми. Внутри системы вентиляции установили теплообменники и подключили их к системе теплоснабжения соседнего здания.

Ежесуточно через здание вокзала проходит около 250 тыс. человек, который выделяют до 25 МВт тепловой энергии. Большая ее часть в виде нагретого воздуха собирается в вентиляции и через теплообменники энергия передается на нагрев воды в системе отопления другого здания. Остывший, но насыщенный CO ₂ воздух поступает наружу, а на его место закачивается свежий и пока еще прохладный с улицы.

Подсчитать эффективность работы такой системы проблематично, но по приблизительным оценкам она позволяет экономить до 25% энергии, расходуемой на отопление здания. При этом сооружение подобного нагревателя не требует особых капиталовложений, а установить его можно в самых разных местах скопления людей – в метро, в супермаркетах, в банках и т.д.

Заключение.

Теплоотдача человека имеет большое значение в медицине, промышленности, науке. В медицине изучают теплографию человека и др.

В промышленности, например, производят ткани и материалы, сохраняющие тепло человека и наоборот. Это важно и в повседневной жизни и при учете разных профессиональных условий работы человека.

Для космонавтов материалы и одежда должны регулировать температурный баланс внутри скафандра при выходе в открытый космос. Теплообмен должен быть строго рассчитан, чтобы не было ни перегрева, ни переохлаждения.

Литература и источники.
1. Иванов К. П. Основные принципы регуляции температурного пзмео-стаза/В кн. Физиология терморегуляции. Л., 1984. С. 113—137.
2. Малышева A. E. Гигиенические вопросы радиационного теплообмена человека с окружающей средой. М., 1963.
3. Колесников П. А. Теплозащитные свойства одежды. М., 1965

4. Интернет сайты: Зарядпроектэнергиябудущего Zaryad.com, технические таблицы TehTab.ru

Приложения. Фото1. Кабинет № 9

Фото 2 Кабинет № 9 Фото 3 Кабинет № 4

Фото 4. Кабинет № 4

Фото 5. Температуры 19 ⁰С и 21 ⁰С в кабинете № 9

Температуры 21 ⁰С и 24 ⁰С в кабинете № 4

2