Sunday, December 23, 2012

溫血動物 能維持一定的體溫，代謝作用可以不受周遭 溫度的影響，而以一適宜的速率進,缺點：需要相當多的食物和氧氣以維持體熱

溫血動物：哺乳類、鳥類


優點：能維持一定的體溫，代謝作用可以不受周遭 溫度的影響，而以一適宜的速率進行。

缺點：需要相當多的食物和氧氣以維持體熱。

冷血動物：爬蟲類、兩棲類、魚類


優點：代謝率很低，容易和四周的環境交換熱量。


(一)、熱量的傳播


    當物體和外界的溫度不相一致時，就會有熱的轉換產生。
    熱量的傳播方式：傳導(Conduction)、 對流(Convection)、 幅射(Radiation)
  • 討論：
      人體適宜溫度(18℃~22℃)

熱傳導(Conduction)


    當物質的兩端存在於不同溫度下時，平均熱能會由高溫流向低溫。
    熱傳導速率 dQ/dt = k A*(TH-TL)/d
    Q：熱能，t：時間， k ：熱傳導係數 [W/m℃]，A：截面積， TH-TL ： 溫差， d ：厚度
  • 討論：
      (1)、熱傳導係數:銅(385 W/m℃) > 水(0.556 W/m℃) > 空氣(0.024 W/m℃) ；金屬 > 液體 > 氣體
      (2)、K=人體皮下脂肪/皮膚;A=人體表面積;d=體毛
      (3)、厚大衣 vs 雪衣 vs 薄紗

血液的熱傳導 皮膚表層的溫度都比體溫低很多(手溫：血液由較高溫的體內，逐漸降溫流向低溫的手指頭後，又再昇溫回到心臟。) 離開皮膚表面的熱流會將周圍的空氣加溫。由於空氣是不良的熱傳導體，因此熱傳導所散失的熱量只用來加熱皮膚表層一小段空氣。( 衣服和絕熱 )

熱對流(Convection)


    不同溫度的流動流體和固定表面間的熱量傳遞。
    物體表面(分子擴散) vs 遠離物體表面(流體整體運動)
    熱對流速率 dQ/dt = h A*(TH-TL)
    Q：熱能，t：時間， h ：平均熱對流係數 A：截面積，TH-TL：溫差
    離開皮膚表面的熱流會將周圍的空氣加溫，當皮膚表層的空氣溫度升高時，空氣的密度也跟著減少了(波義耳定律) 。密度減少了，『熱』空氣便會往上昇，『冷』空氣進來彌補，形成空氣的流動，同時也將熱能帶走，形成對流現象，於是皮膚感覺四周很冷。
  • 討論 ： 室內空氣的循環

電扇的熱對流 自然對流: 無風時，人的皮膚溫度為31 ℃。 強制對流: 若風速=2m/s，皮膚的溫度會降低7℃ ；
若風速=6m/s，皮膚的溫度會降低22 ℃。

熱幅射(Radiation)


    我們的身體會向四周輻射熱能（熱輻射--電磁波），四周的環境也會輻射電磁波讓你的身體所吸收。因此當你四周的環境有處於極高溫或較低溫的情況時，熱輻射成為主要影響熱量變化的因素。
    輻射功率 P = e σT4 A
    e：發射率；黑體(e=1)，T：溫度，A：表面積。 σ：Stefan-Boltzmann常數 [w/m2K4]
  • 討論： 絕對溫度：太陽(5800 K) vs 人體(310 K) vs 地表(278 K)
    熱幅射：夏季(大) vs 冬季(小)
    效應：白天(直接) vs 夜晚(間接)

衣服的熱幅射
  • 理想『黑體』能夠吸收所有輻射到表面的電磁輻射波，也能夠 最有效率的輻射出電磁波，其 發射率為 1.0；光滑的『白色』表面幾乎反射所有的電磁輻射波，本身也不對外產生熱輻射，發射率為 0。 (Janet’s Cabinet)




    • (二)、動物的體溫


      溫血動物：哺乳類、鳥類

      優點：能維持一定的體溫，代謝作用可以不受周遭 溫度的影響，而以一適宜的速率進行。
      缺點：需要相當多的食物和氧氣以維持體熱。

      冷血動物：爬蟲類、兩棲類、魚類

      優點：代謝率很低，容易和四周的環境交換熱量。
      缺點：容易因氣溫的變化而冷死或熱死。 討論:溫血動物(靈活度高) vs 冷血動物(動作遲緩)
    • 討論： 獵人 vs 獵物

    哺乳類-溫血動物


      哺乳類是溫血動物，最大特徵是具有毛髮和乳線，多數種類的體溫在攝氏三十六點七至三十八點九度之間。可維持相當高且穩定的體溫，使其代謝作用可以不受周遭溫度的影響，而以一適宜的速率進行，所以需要相當多的食物和氧氣以維持體熱。藍鯨為最大的哺乳類動物，全長可達三十公尺。
    • 討論： 魚類是冷血動物

    北極熊 北極熊是軀體最大的肉食性動物之一，雄性的身長達二點五公尺，體重達一噸，其皮毛和脂肪甚厚，可耐寒至攝氏零下八十度。 (珍禽異獸錄) 討論：
    傳導:脂肪 K,皮毛 d 對流:皮毛阻礙對流
    大猩猩 大猩猩是靈長類中軀體最大的動物，雄性大猩猩以四肢著地時高達一七五公分，比人類的平均身高還高，如果他直立起來，約有二公尺的高度，體重可達二七五公斤；雌性身高及體重較小。(珍禽異獸錄)

    鳥類


      鳥類是溫血動物，體溫較哺乳類高一至八度，其心搏快速，代謝率很高，因此必需攝取大量食物，且多半是高熱量的，例如昆蟲、小動物、果食、種子等。散熱表面積小，體溫高。

    帝雉 羽毛具保溫及防水功能。(珍禽異獸錄)
    禿鷹
    		美國於一七八二年採用禿鷹作為國印的標記，禿鷹的身長介於五十至九十公分之間，兩翼張開在二公尺左右，體重四至六公斤，雌性的身驅大於雄性。(珍禽異獸錄)

    爬蟲類


      爬蟲類是冷血動物，皮膚表面覆蓋著乾燥的角質鱗，以阻止體內水份的散失。

    大海龜
    		大海龜是食草性的爬蟲類動物，頸子可以伸得很長，這使牠能夠摘食較高的樹葉，其動作緩慢，壽命可達百年已上。由於牠不耐低溫，因此冬季便成群自海邊爬行至火山帶的平原，而棲於植物繁茂的湖泊。(珍禽異獸錄)
    恒河鱷 冷血動物的好處為代謝率很低，譬如鱷魚一年不進食也不致死亡；其壞處是因為本身不具調節體溫的功能，因此容易因氣溫的變化而冷死或熱死。恒河鱷全長七公尺，尾巴一掃，可把牛的腿骨打斷。(珍禽異獸錄)

    兩棲類


      兩棲類是冷血動物，其皮膚甚薄且血管很多，蒸發作用旺盛，水份喪失很快。因此牠必需停留在潮濕地帶，而無法在完全乾燥的環境中生活。

    盲螈 盲螈長約20~30公分。(珍禽異獸錄)
    金蛙 冷血動物的體溫與周遭的環境相近，且隨之變化，當氣溫降至某一程度，其代謝作用即減低至不能活動。因此冬季必需藏身於不會結冰之處，並進入一種休眠狀態，是為冬眠。 (珍禽異獸錄)




    (三)、日常生活的熱現象


    人體的散熱 平常一個休息中的人約每小時產生 80 千卡 (約100W)的熱量。在人多的室內，每一個人相當於100W燈泡的熱源，若室內有2,400人，相當於有24萬瓦的熱源，難怪缺乏空調時會覺得悶熱。這還只是靜態時所產生的熱能，如果有更激烈的活動則會產生更多的熱能。 (天下雜誌)
    耳溫槍 人體的溫度範圍所輻射出的電磁波主要在紅外線的範圍，耳溫槍即是應用紅外線的的例子。將耳溫槍的偵測口對準耳朵內部，便可以偵測出耳朵內的溫度。由於只要接收到足夠感測的信號便可以，測量時間可以不到一秒鐘，便可得知耳內的溫度。( 紅外線的應用)
    手中的熱蛋
    		從開水裏剛取出的蛋有濕氣且熱，水分一面從蛋的表面蒸發，一面冷卻蛋殼，因此不覺得燙手，但這只發生在蛋殼表面由濕到完全乾的一瞬間，若蛋殼表面的水份一乾，立刻就能感到蛋的高溫。 討論：
    一克的水蒸發為水蒸氣，需要 539 卡的熱量，所以可帶走極大的熱。
    房屋的絕熱 房屋希望能達到冬暖夏涼的目標，簡單的說就是維持恆溫(用厚重材料作熱絕緣，K小、d大) 現代房屋採用玻璃纖維(k=0.038 W/m℃)纏繞阻絕空氣(k=0.024 W/m℃)的流通，塞於四周牆壁內，會是好的隔熱材料。而且它又不怕火，是良好的選擇。
    腳下的四季 雙腳所踏的地面下，絕對沒有如地面上的四季。因為土是非常難傳熱的的物質，地面上所發生的溫度變化，要隔很久一段時間才會傳到地下各層。地下越深處溫度的變化不僅越慢，而且越小。 討論：
    (1)、列寧格勒地下3公尺處，從地面上傳熱，最熱溫度約76天到達，最冷溫度約108天到達。
    (2)、巴黎天文台下28公尺處，溫度為-11.7 ℃，歷時150年不變。
    開水不能使水沸騰？
    		懸浮沸水中的小瓶，瓶內的水雖然會變熱，但卻不會沸騰，因為鍋中的開水，並沒有達到能使瓶中水沸騰的溫度。100 的溫度並不能使水沸騰，要使水變成水蒸氣，需要給水更大的熱量才行。 討論：
    (1)、相變化(539卡/克)
    (2)、提高沸點:鍋中灑鹽


    (四)、討論


    1.原本我以為人體是以體溫(37℃)為 冷熱 判斷標準 後來修正為 18~22 ℃(與一位物理系學弟討論的結果) 後來又聽到新的說法,人體適宜的溫度約 24~28℃，想想也蠻合理的(因一般假設室溫為25℃), 只是不知道這些根據源於何處?

    2.黃教授在 衣服和絕熱 文章中提到:夏天穿淡色衣服;冬天穿服白色衣服 與筆者據認知之冬天穿黑色衣服 不同; 也有一新的說法:夏天應穿 黑(內)+白(外) ;冬天應 白(內)+黑(外)...

    3.小型動物(如鳥)體溫 較 大型動物(如人)高,是否僅與表面積有關? 因有人提到:若半徑加倍,則體積增8倍,而表面積增4倍而已不知體溫與 體積是否也有關?

    4.我看書上寫寒帶地區女性 以 面紗裹臉以保暖(因夾空氣層) 可是 中東沙漠地帶的婦女也是如此裝備, 那是否也可以此解釋(夾熱傳導不良之空氣層)呢?

    5.一樣是人,黑人體溫是否 白人/黃人 較高(我猜的)? 若這假設是真的,那是否與熱幅射有關哩?

    6.白天 許多物體 直接吸收到 太陽的熱幅射,晚上 許多物體 慢慢釋放熱幅射, 這是我歸納的結果,不知這樣的說法對不對?




    (五)、參考資料







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    作者：許績勳 中研所電腦輔助系統研究室

    最後修訂時間：1998年4月7日 19:12
    since 2011/06/20
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