Dane INFORMACYJNE Nazwa szkoły:

Prezentacja na temat: "Dane INFORMACYJNE Nazwa szkoły:"— Zapis prezentacji:

1

2 Dane INFORMACYJNE Nazwa szkoły:
Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych w Drezdenku ID grupy 1: 97/62_mf_g2 Opiekun: mgr Edyta Dobrychłop. Kompetencja: Matematyczno - fizyczna Temat projektowy: „ Patrząc okiem fizyka na człowieka.” Semestr/rok szkolny: semestr 5 /

3 Dane INFORMACYJNE Nazwa szkoły 2 :
Zespół Szkół Komunikacji im. Hipolita Cegielskiego ID grupy 2: 97/61_mf_g1 Opiekun 2: mgr Grzegorz Koralewski.

4 Patrząc okiem fizyka na człowieka

5 Spis Treści : 1. Przepływ cieczy. 2. Prawo Pascala.
3. Prawo Bernoulliego. 4. Powietrze. 5. Rzuty. 6. Zasady Dynamiki Newtona. 7. Tarcie. 8. Energia. 9. Temperatura. 10. Prawa fizyki a organizm człowieka. 11. Literatura.

6 ruch płynu, podstawowe pojęcie z zakresu kinematyki płynów
ruch płynu, podstawowe pojęcie z zakresu kinematyki płynów. W ujęciu ogólnym przepływ można scharakteryzować tzw. metodą Eulera przez podanie pola prędkości płynu czyli zależności prędkości od współrzędnych przestrzennych i czasu. Przepływ cieczy- Metoda Eulera – sposób rozwiązywania równań różniczkowych , opierający się na interpretacji geometrycznej równania różniczkowego. Podstawowa metoda Eulera Równanie postaci                          o warunkach początkowych                                         , kolejne punkty z krokiem h na osi x. Zatem:                                 Ponieważ - z definicji pochodnej                    czyli zarazem                                              Po przekształceniu:                                    Ponieważ szukamy wzoru na yn + 1, zatem do wzoru yn + 1 = yn + Δy podstawiamy wyżej wyliczone Δy i otrzymujemy ostatecznie równanie:                                                

7 Rodzaje przepływów: Przepływ stacjonarny (ustalony) – przepływ, w którym w każdym punkcie obszaru zajętego przez płyn jego prędkość nie zmienia się. Przy takim założeniu równania opisujące ruch płynu (Naviera-Stokesa i ciągłości przepływu) przybierają prostsze formy. Przepływ laminarny (warstwowy) - przepływ stanowi zespół warstw przemieszczających się jedna względem drugiej bez ich mieszania (wirów). Występuje przy małych prędkościach przepływu płynu lub dla płynu o dużej lepkości. Bezwymiarowym parametrem decydującym o laminarności lub o obecności turbulencji jest Liczba Reynoldsa. Przepływ turbulentny (wirowy) - w płynie występuje mieszanie, powstają wiry - stąd też określenie przepływu turbulentnego, który ze swej natury jest zmienny w czasie. Prędkość przestaje wtedy być prostą funkcją położenia.

8 Liczba Reynoldsa zdefiniowana jest w sposób:
                 lub równoważnie:              -gęstość płynu (kg/m³), -prędkość charakterystyczna płynu (m/s), Osborne Reynolds -wymiar charakterystyczny zagadnienia (m), - lepkość dynamiczna płynu (Pa·s lub N·s/m² lub kg/m·s), - lepkość kinematyczna płynu (m²/s).

9 Równanie Naviera-Stokesa:
(nazwane na cześć Claude-Louis Naviera i George Gabriel Stokesa) to zestaw równań w postaci równań ciągłości, opisujące zasadę zachowania masy i pędu dla poruszającego się płynu. Według nich zmiany pędu elementu płynu zależą jedynie od zewnętrznego ciśnienia i wewnętrznych sił lepkości w płynie. Ogólna forma równania Ogólna forma równań Naviera-Stokes'a dla zasady zachowania pędu:                         Gęstość płynu Operator Stokesa zwany też pochodną substancjalną -wektor prędkości -wektor przyspieszenia płynu (sił masowych), -tensor naprężeń wewnętrznych w elemencie płynu

10 Prawo Pascala Jeżeli na płyn (ciecz lub gaz) w zbiorniku zamkniętym wywierane jest ciśnienie zewnętrzne, to (pomijając ciśnienie hydrostatyczne) ciśnienie wewnątrz zbiornika jest wszędzie jednakowe i równe ciśnieniu zewnętrznemu. Przykładowe zastosowania prawa Pascala: -pompowanie dętki, materaca, układy hamulcowe, dmuchanie balonów, młot pneumatyczny, działanie urządzeń pneumatycznych (prasa pneumatyczna) -działanie urządzeń hydraulicznych (układ hamulcowy, podnośnik hydrauliczny, prasa hydrauliczna, pompa hydrauliczna) Blaise Pascal- twórca Prawa Pascala

11 Prawo Bernoulliego Jedno z podstawowych równań hydrodynamiki płynów idealnych, sformułowane przez Daniela Bernoulliego w 1738 roku. Równanie Bernoulliego opisuje zachowanie gęstości energii całkowitej na linii prądu. Wynika z zasady zachowania energii i według intencji jego autora stanowić powinno jej zapis za pomocą parametrów hydrodynamicznych. Ogólna postać równania                             - energia potencjalna jednostki masy, której w warunkach ziemskich odpowiada              - entalpia przypadająca na jednostkę masy (entalpia właściwa)                 przy czym    - energia wewnętrzna płynu. Daniel Bernoulli

12 Z równania Bernoulliego dla sytuacji przedstawionej na rysunku zachodzi prawidłowość:
                                        Paradoks hydrodynamiczny – paradoks związany z mechaniką płynów. Jeżeli w rurze, przez którą przepływa płyn (ciecz lub gaz), występuje zwężenie, to (zgodnie z doświadczeniem i teorią) w zwężeniu ciśnienie statyczne jest niższe niż przed i za zwężeniem, co wydaje się niezgodne ze zdrowym rozsądkiem.

13 Powietrze atmosferyczne.
Powietrze atmosferyczne (łac. āēr) – jednorodna mieszanina gazów, stanowiąca atmosferę ziemską. Powietrze jest: bezbarwne, bezwonne, bez smaku, słabo rozpuszczalne w wodzie. skroplone powietrze jest bladoniebieskie. gęstość powietrza zależy od ciśnienia, temperatury oraz składu; dla suchego powietrza, przy ciśnieniu atmosferycznym, na poziomie morza, w temperaturze 20 °C wynosi 1,2 kg/m³. Temperatura topnienia zestalonego powietrza wynosi około −213 °C, a temperatura wrzenia około −191 °C.

14 Składnik % ppm azot 78,084 780 840 tlen 20,946 209 460 argon 0,934
Objętościowy skład czystego powietrza w troposferze do wysokości 13 km ponad powierzchnią Ziemi Zawartość głównych składników powietrza nie zmienia się – zwane są one składnikami stałymi; zawartość niektórych składników zmienia się – zwane są one składnikami zmiennymi. Składnik % ppm azot 78,084 tlen 20,946 argon 0,934 9340 para wodna 4,0 - 0,5 dwutlenek węgla 0,0360 360 neon 0,00181 18,18 hel 0,00052 5,24 metan 0,00017 1,70 krypton 0,00011 1,14 wodór 0,00005 0,50 ksenon 0,000008 0,087

15 Powietrze zawiera różną, zależną od warunków otoczenia, ilość pary wodnej. Zawartość pary wodnej w powietrzu zmienia się w zakresie 0–4%. Do oceny stopnia wilgotności powietrza stosuje się dwie wielkości: wilgotność bezwzględną, określającą ilość wody w gramach zawartej w 1 m³ powietrza, przy określonym jego ciśnieniu i temperaturze wilgotność względną, określającą stosunek ilości pary wodnej zawartej w 1 m³ powietrza, przy określonym ciśnieniu i temperaturze, do ilości pary wodnej nasyconej w tej samej temperaturze i ciśnieniu powietrza.

16 zanieczyszczenia powietrza
Głównymi źródłami zanieczyszczeń są: uprzemysłowienie i wzrost liczby ludności, przemysł energetyczny, przemysł transportowy, źródła naturalne (największe źródło). pyły. źródłami zanieczyszczeń powietrza są m.in.: chemiczna konwersja paliw, wydobycie i transport surowców, przemysł chemiczny, przemysł rafineryjny, przemysł metalurgiczny, cementownie, składowiska surowców i odpadów, motoryzacja. zanieczyszczenia powietrza Naturalne źródła zanieczyszczeń powietrza to: wybuchy wulkanów, wietrzenie chemiczne skał, pożary lasów i stepów, wyładowania atmosferyczne, pył kosmiczny, procesy biologiczne.

17 Rzuty -W rzucie ukośnym mamy do czynienia z lotem ciała wyrzuconego z poziomu zerowego (y0 = 0). Ciału jest nadawana prędkość o wartości v0, skierowana pod kątem α do poziomu. Ciało porusza się łukiem, by po pewnym czasie opaść na ziemię. Wygodnie jest umieścić rysunek rzutu ukośnego w układzie współrzędnych, co ułatwia orientację w nazwach zmiennych i pozwala na wyprowadzenie równania toru. Rzut ukośny Równanie toru rzutu ukośnego lub

18 Początkowe położenie:
x = 0 y = 0 Kąt, jaki prędkość początkowa tworzy z poziomem:   α Prędkość początkowa ma wartość v0 Prędkość pocz. pozioma: v0x = v0 · cos α Prędkość pocz. pionowa: v0y = v0 · sin α Przyspieszenie  ma wartość g. Przyspieszenie w tym ruchu jest stałe i jest skierowane pionowo w dół. Odległość jaką przebywa ciało w poziomie do momentu upadku na poziom początkowy nazwiemy zasięgiem (Z) rzutu ukośnego.

19 W przypadku gdy nie musimy uwzględniać oporu powietrza, torem ruchu ciała jest parabola. Ruch ciała rozkłada się wtedy na dwa ruchy prostsze: ruch w poziomie (współrzędna X-owa) – odbywa się ze stałą prędkością o wartości składowej poziomej prędkości początkowej v0X ruch w pionie (współrzędna Y-owa) – jest w istocie rzutem pionowym, czyli ruchem jednostajnie zmiennym z prędkością początkową równą składowej pionowej v0Y.

20 Wzory opisujące rzut ukośny
Prędkość pozioma vx (w dowolnej chwili czasu t): vx = v0X = const Prędkość pionowa vy po czasie t: vy = v0·sin α - g·t Wysokość na jakiej znajduje się ciało po czasie t:                                Czas lotu do momentu upadku na poziom początkowy:                                       Czas wznoszenia do osiągnięcia maksymalnej wysokości:

21 Tor rzutu ukośnego ma kształt paraboli skierowanej ramionami w dół:

22 W rzucie pionowym mamy do czynienia z lotem ciała wyrzuconego pionowo do góry z poziomu zerowego (wysokość początkowa = 0). Ciału jest nadawana pionowa prędkość początkowa o wartości v0 skierowana do góry. pionowy Rzut

23 W przypadku gdy nie musimy uwzględniać oporu powietrza opis ruchu jest następujący:
początkowo ciało wznosi się po linii prostej do góry ruchem jednostajnie opóźnionym z opóźnieniem równym g. na ułamek sekundy zatrzymuje się w momencie osiągnięcia maksymalnej wysokości (w zasadzie formalnie rzecz biorąc czas trwania tego zatrzymania wynosi zero) by następnie ruchem jednostajnie przyspieszonym opadać na ziemię z przyspieszeniem równym g. po upadku na powierzchnię ziemi (lub innej planety) ciało zatrzymuje się. Nieraz jednak rozważa się problemy wynikające z założenia, że w ciało może spadać dalej (bo np. początkowo ciało startowało z platformy niesionej przez balony).

24 Wzory opisujące rzut pionowy Wzory na prędkość i osiągniętą wysokość:
Prędkość po upływie czasu t od wyrzucenia w górę: v = v0 - g·t Wysokość na jakiej znajduje się ciało po upływie czasu t od wyrzucenia w górę:                               Maksymalna osiągnięta wysokość: Umowny kierunek dodatni jest skierowany do góry. Oznacza to więc, że dodatni wynik prędkości odpowiada wznoszeniu, a ujemny opadaniu. Czas wznoszenia do osiągnięcia maksymalnej wysokości: Czas lotu do momentu upadku na poziom początkowy:

25 3 ZASADY DYNAMIKI NEWTONA W jakich przypadkach możemy mówić o sile?
Odpowiedź na to pytanie nie jest prosta. Dlatego podejdziemy do problemu trochę na raty. Na początek trzeba trochę porozmawiać o sytuacjach, w których pojawia się siła.  Do tego, aby w jakiejś sytuacji można było mówić o sile, musimy mieć:  - przynajmniej dwa ciała - pomiędzy tymi ciałami musi istnieć oddziaływanie Zapamiętajmy!                Pojedyncze ciało, choćby nie wiem jak wielkie i nawet bardzo szybko się poruszające nie "stanowi" jeszcze siły - może ono mieć duży pęd, dużą prędkość, wreszcie w stosownej sytuacji może kiedyś później zadziałać dużą siłą na inne ciało, ale dopóki nie ma ono na co działać - dotąd siły w tej sytuacji nie ma(!).

26 Niezrównoważona siła może:
Gdy działa siła Gdy na ciało zaczyna działać niezrównoważona siła. - ciało zmieni swój stan ruchu - zacznie przyspieszać, zwalniać, ew. zmieniać kierunek ruchu. Niezrównoważona siła może: 1. przyspieszyć ciało  gdy działa zgodnie ze zwrotem prędkości                                                        2. opóźnić ruch ciała  gdy działa przeciwnie do prędkości                                                    3. zmienić kierunek ruchu ciała gdy działa pod kątem w stosunku do prędkości                                         

27 - I zasada dynamiki Newtona :
Jeżeli na ciało nie działa żadna siła, lub siły działające równoważą się ( siła wypadkowa jest równa zero ) to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym. - II zasada dynamiki Newtona : Jeżeli na ciało działa siła, lub siły działające nie równoważą się ( siła wypadkowa jest różna od zera ) to ciało porusza się ruchem zmiennym, z przyspieszeniem którego wartość jest wprost proporcjonalna do wartości siły wypadkowej , a odwrotnie proporcjonalna do masy tego ciała. Kierunek i zwrot przyspieszenia jest zgodny z kierunkiem i zwrotem siły wypadkowej . Isaak Newton - III zasada dynamiki Newtona : Każdej akcji towarzyszy reakcja.

28 Tarcie to całość zjawisk fizycznych towarzyszących przemieszczaniu się względem siebie dwóch ciał fizycznych (tarcie zewnętrzne) lub elementów tego samego ciała (tarcie wewnętrzne) i powodujących rozpraszanie energii podczas ruchu. Tarcie zewnętrzne występuje na granicy dwóch ciał stałych. Tarcie wewnętrzne występuje przy przepływie płynów, jak i deformacji ciał stałych, pomiędzy obszarami przemieszczającymi się względem siebie.

29 TARCIE KINETYCZNE Zacznijmy najpierw rozważania od siły tarcia kinetycznego. Wiadomo z życia codziennego jak i z doświadczenia, że im powierzchnie trące są bardziej chropowate, tym większe są siły tarcia. Poza tym, zależą one od siły wzajemnego nacisku. Im powierzchnie trące są bardziej do siebie dociskane, tym większe są siły tarcia. W wielu przypadkach, ale nie zawsze, siła nacisku jest równa ciężarowi ciała. Gdybyśmy natomiast ciągnęli dwa klocki jak na rys. wtedy okazuje się, że siła pokonująca siły tarcia jest taka sama, co świadczy o tym, że siły tarcia nie zależą od wielkości powierzchni trących. Ostatecznie: Siły tarcia nie zależą od wielkości powierzchni trących tylko od ich rodzaju i wzajemnego nacisku (wprost proporcjonalne). Można to zapisać wzorem : Tk=fk*N gdzie fk- współczynnik tarcia kinetycznego

30 TARCIE STATYCZNE Trochę bardziej skomplikowana jest sytuacja  z tarciem statycznym. Gdy na ciężką szafę podziałamy względnie małą siłą, to okazuje się, że jest ona w spoczynku. Dlaczego tak jest? Dlaczego nie rusza z miejsca? Każdy odpowiada, że przeszkadza  temu siła tarcia. Jaka ona jest w stosunku do działającej siły zewnętrznej? Wiele osób sugeruje, że jest ona większa od siły jaką my działamy i dlatego szafa nie rusza. Takie tłumaczenie jest jednak sprzeczne z 1-szą zasadą dynamiki ( aby ciało pozostawało w spoczynku działające siły powinny się równoważyć). Poza tym, gdyby tak było to, z drugiej zasady dynamiki wynikałoby, że na ciało działałaby wtedy wypadkowa siła skierowana przeciwnie do siły zewnętrznej i szafa ruszyłaby na osobę pchającą. ( W przypadku szafy nie byłoby to takie groźne, ale wyobrażam sobie, co by było gdybym chciał pchnąć walec drogowy?) Ostatecznie z tego wynika, że siła tarcia statycznego musi być dokładnie równa sile zewnętrznej. Gdy siła zewnętrzna rośnie, to siła tarcia statycznego także rośnie, co ilustruje nam zamieszczony poniżej rysunek.

31 gdzie fs- współczynnik tarcia statycznego
Proces zachodzi aż do osiągnięcia przez siłę tarcia pewnej maksymalnej wartości. Gdy siła zewnętrzna będzie od niej większa, ciało ruszy z miejsca. Ta maksymalna siła tarcia statycznego może być obliczona ze wzoru Tsmax=fs*N gdzie fs- współczynnik tarcia statycznego Maksymalna siła tarcia statycznego jest o kilka procent większa od siły tarcia kinetycznego, o czym możemy przekonać się choćby podczas próby ruszenia sanek z miejsca. /Na początku musimy działać dużą siłą, aby je ruszyć, a później jest dużo łatwiej. Stąd Tsmax>Tk więc fs>fk Zależność siły tarcia od siły zewnętrznej można zilustrować wykresem :

32 ZASTOSOWANIE SIŁ TARCIA STATYCZNEGO
Większa wartość siły tarcia statycznego od kinetycznego została wykorzystana w samochodach, w których zastosowano ABS. Jest to system uniemożliwiający blokowanie się kół podczas hamowania. Dzięki temu po naciśnięciu hamulców koła nie ślizgają się po jezdni. Występuje wtedy między oponami a jezdnią tarcie statyczne, które jest większe od kinetycznego, dzięki czemu droga hamowania jest krótsza. Podobnie jest podczas wchodzenia na oblodzoną górę. Stawiamy względnie wolno nogi, aby występowało tarcie statyczne Ts równoważące siłę ściągającą Fs.

33 Energia Jeżeli dla jakiegoś ciała wyznaczymy sumę jego energii kinetycznej i potencjalnej, to uzyskamy w ten sposób energię mechaniczną. Emechaniczna = Epotencjalna + Ekinetyczna  Energia mechaniczna dla ciała w polu grawitacyjnym Emechaniczna = Epotencjalna_ciężkości + Ekinetyczna  Dla prostego przypadku energii mechanicznej ciała mającego prędkość v i znajdującego się na wysokości h nad powierzchnią Ziemi wartość energii mechanicznej można obliczyć ze wzoru:

34 Układ izolowany Układ izolowany, jest to taki układ (czyli zestaw ciał, obiektów), który nie kontaktuje się z innymi układami (obiektami). Prawdę mówiąc do obowiązywania zasady zachowania energii całkowita izolacja układu nie jest nawet konieczna. Wystarczy tylko, jeżeli tenże układ nie wymienia energii z otoczeniem. Zasada zachowania energii całkowitej jest podobna do zasady zachowania energii mechanicznej. Różnica polega tylko na większym zakresie rozpatrywanych energii. W tym przypadku mówimy już nie tylko o energii kinetycznej i potencjalnej mechanicznej, ale także np. o energii jądrowej, chemicznej, czy elektrycznej.

35 Zasada zachowania energii całkowitej
To, że energia jest tak ważną wielkością wynika z jednego podstawowego faktu – obowiązuje zasada zachowania energii. Gdyby powyższa zasada nie obowiązywała, a więc gdyby energia zmieniała się bez istotnego powodu, to nie byłoby sensu uczyć się, ani wzoru na energię kinetyczną, ani na potencjalną, ani na żadną inną, bo i tak nie wiadomo byłoby czy w danym momencie ta wielkość jeszcze ma poprzednio znaną wartość. Zasada zachowania energii jest jedną z zasad podstawowych w fizyce. Oznacza to, że ma ona zastosowanie do wszystkich działów fizyki, a także że sprawdza się z bardzo daleko posuniętą dokładnością .

36 Zasada zachowania energii
Energia całkowita Energia całkowita, to po prostu energia zawierająca wszystkie możliwe jej postacie: kinetyczną, potencjalną ciężkości, potencjalną sprężystości, elektryczną, magnetyczną, chemiczną, jądrową, świetlną itd. Zasada zachowania energii Postarajmy się więc zrozumieć istotę tego fundamentalnego prawa przyrody. Oto jego treść : Sformułowanie 1: W dowolnym procesie całkowita energia układu izolowanego jest stała. Sformułowanie 2: Całkowita energia izolowanego układu jest taka sama przed, jak i po wystąpieniu przemian w tym układzie. Sformułowanie 3: Zmienić energię izolowanego układu można tylko poprzez dostarczenie jej z zewnątrz, lub w wyniku wyemitowania jej poza układ.

37 Przypadki szczególne zasady zachowania energii
Zasada zachowania energii całkowitej jest zasadą podstawową. Po ograniczeniu dostępnych rodzajów energii do jakiegoś ograniczonego podzbioru dostajemy inne znane prawa fizyki, związane z konkretnymi działami fizyki i zjawiskami. Energie brane pod uwagę Nazwa szczegółowego prawa zachowania energii Energia kinetyczna, potencjalna ciężkości, potencjalna sprężystości zasada zachowania energii mechanicznej Ciepło bilans cieplny Energia wewnętrzna, praca, ciepło I zasada termodynamiki Energia kinetyczna, energia kwantu promieniowania elektromagnetycznego, praca wyjścia z metalu Wzór Millikana-Einsteina Energia kinetyczna cieczy, energia potencjalna ciężkości cieczy, praca objętościowa wykonana nad cieczą Równanie Bernoulliego

38 Co wynika praktycznie z zasady zachowania energii?
Teraz wyjaśnimy co z powyższych sformułowań wynika. Załóżmy, że rozpatrywany przez nas układ posiada tylko dwa rodzaje energii: energię kinetyczną i potencjalną. Wtedy, z faktu, że wzrosła energia kinetyczna, możemy od razu wywnioskować o zmaleniu energii potencjalnej - bo suma tych dwóch składników musi być stała. I w ten sposób zazwyczaj stosuje się w zadaniach zasadę zachowania energii - jeśli znamy całkowitą energią w pewnym momencie, a następnie tylko jeden ze składników w innym momencie, to możemy obliczyć wartość tego brakującego składnika.

39 Temperatura Jedna z podstawowych wielkości fizycznych (parametrów stanu) w termodynamice, będąca miarą stopnia nagrzania ciał. Temperaturę można ściśle zdefiniować tylko dla stanów równowagi termodynamicznej, bowiem z termodynamicznego punktu widzenia jest ona wielkością reprezentującą wspólną własność dwóch układów pozostających w równowadze ze sobą. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii.

40 Temperatura w kinetycznej teorii gazów
Temperatura jest miarą stanu cieplnego danego ciała. Jeśli dwa ciała mają tę samą temperaturę, to w bezpośrednim kontakcie nie przekazują sobie ciepła, gdy zaś temperatura obu ciał jest różna, to następuje przekazywanie ciepła z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej – aż do wyrównania się temperatury obu ciał. Temperatura w kinetycznej teorii gazów Temperatura bezwzględna T układu złożonego z atomów jak i kilkuatomowych cząsteczek jest w teorii kinetycznej gazów określona jako średnia energia kinetyczna <E> ruchu pojedynczej cząsteczki (mierzona względem środka masy układu), przypadająca na jeden stopień swobody ruchu: gdzie: f – liczba stopni swobody cząstki, kB współczynnik proporcjonalności pomiędzy jednostkami temperatury i energii nazywany stałą Boltzmanna, jego wartość liczbowa wynosi k = 1,38·10−23 J/K.

41 Temperatura a równowaga termodynamiczna
Właściwości temperatury są przedmiotem analizy termodynamiki i mechaniki statystycznej. Temperatura układu w stanie równowagi termodynamicznej jest zdefiniowana przez zależność pomiędzy różniczką ciepła δQ wprowadzanego do systemu w czasie nieskończenie wolnej kwazistatycznej przemiany termodynamicznej, a różniczką δS jej entropii podczas tej przemiany. W odróżnieniu od entropii i ciepła, których mikroskopowe definicje obowiązują także w stanie nierównowagi termodynamicznej, temperatura może być zdefiniowana tylko w stanie równowagi lub lokalnej równowagi termodynamicznej.

42 Skale temperatury Pierwsi konstruktorzy termometrów i skal temperatury opierali swe skale na znanych im zjawiskach, najczęściej przyjmowano, że zmiana temperatury jest proporcjonalna do zmiany objętości cieczy (alkoholu, rtęci). W skalach tych, jako punkty odniesienia, przyjmowano wartości temperatury dwóch zjawisk zachodzących w dobrze określonych warunkach. W skali Celsjusza przyjmuje się, że 0 °C odpowiada temperaturze zamarzania wody, a 100 °C, to temperatura wody wrzącej pod normalnym ciśnieniem (choć Celsjusz pierwotnie przyjmował odwrotnie). W tak skonstruowanych skalach mogą występować wartości ujemne temperatury

43 TERMOMETR Podział termometrów ze względu na zasadę działania
– przyrząd do pomiaru temperatury metodą pośrednią, na podstawie zmiany pod wpływem temperatury właściwości termometrycznej ciała termometrycznego zastosowanego w termometrze. TERMOMETR Podział termometrów ze względu na zasadę działania termometr gazowy – czynnikiem roboczym jest gaz, mierzy się parametry gazu np. objętość, przy stałym ciśnieniu lub ciśnienie przy stałej objętości. termometr parowy – wykorzystuje zależność ciśnienia pary nasyconej od temperatury, stosowany w termostatach np. samochodowych, termometr radiacyjny – działa na zasadzie pomiaru promieniowania emitowanego przez ciała (np. pirometr lub kamera termowizyjna) termometr elektryczny – wykorzystuje wpływ temperatury na właściwości elektryczne materiałów wykorzystywanych do budowy czujników. termometr cieczowy – wykorzystuje zjawisko rozszerzalności cieplnej cieczy (przeważnie rtęci albo alkoholu): termometr rtęciowy – dla temperatur od −38°C (temp. topnienia rtęci) do +356°C (temp. wrzenia rtęci); termometr alkoholowy – dla temperatur od −70 do +120 °C; np. termometr pokojowy termometr bimetalowy, w którym wykorzystuje się różnice w rozszerzalności cieplnej dwóch metali.

44 Podział termometrów ze względu na przeznaczenie
termometr lekarski – zakres temperatur: od 35 do 42 °C. Jego odmianą jest termometr owulacyjny. Są to termometry temperatury maksymalnej. termometr meteorologiczny – jest to zespół dwóch termometrów, maksymalnego i minimalnego. termometr zaokienny – zakres temperatur: od −50 do 50 °C; termometr pokojowy – zakres temperatur: od 0 do 40 °C; termometr laboratoryjny – zakres temperatur: bardzo różny (zazwyczaj od 0 do 150 °C Pierwszy termometr – zupełnie odmienny od znanych dziś – wynalazł w 210 roku p.n.e. grecki pisarz i znakomity inżynier – Filon z Bizancjum.

45 gazowy Zaokienny bimetaliczny laboratoryjne lekarski oporowy

46 Jednostki temperatury
W USA, w dalszym ciągu używa się stopni Fahrenheita. W tej skali temperatura zamarzania wody jest równa 32 °F a wrzenia 212 °F. Wzór przeliczający temperaturę w stopniach Fahrenheita na temperaturę w stopniach Celsjusza: Najczęściej używaną w Polsce i wielu innych krajach jednostką temperatury są stopnie Celsjusza. Wzór do przeliczania temperatury w stopniach Celsjusza na temperaturę w kelwinach jest następujący: Wzór przeliczający temperaturę w stopniach Celsjusza na temperaturę w stopniach Fahrenheita:                            gdzie t jest w °C

47 Porównanie temperatur w różnych skalach

48 Prawa fizyki a organizm człowieka.
Podstawowe prawa fizyki mają bardzo szerokie zastosowanie w organizmie człowieka nie tylko w ujęciu poszczególnych organów ale przede wszystkim całych układów. Nasz organizm porusza się dzięki m.in. odpowiedniej budowie i współdziałaniu układu mięśniowego i kostno-stawowego a dźwignie odgrywają w tym przypadku ogromne znaczenie. Zrozumienie fizycznej strony funkcjonowania organizmu człowieka może prowadzić do stosunkowo prostych odpowiedzi na pytanie „jak skorzystać z fizyki i chronić nasz organizm przed niektórymi schorzeniami czy kontuzjami”. Większość z nas pytań takich nie stawia sobie na co dzień a dopiero w trakcie wizyty u lekarza. Dzieje się tak dlatego, że organizm ludzki podlega prawom fizyki w taki sam sposób jak materia nieożywiona.

49 Podstawowym prawem fizyki któremu musi podlegać człowiek jest zasada zachowania energii.
Rozważmy więc bilans energetyczny naszego ciała. Energia dostarczona organizmowi w formie pożywienia jest przeznaczona na podtrzymanie pracy różnych narządów wewnętrznych (np. pracy serca, płuc), na wykonanie pracy mechanicznej oraz na utrzymanie stałej temperatury ciała. Badania biofizyków wykazały, że prawie cała energia dostarczona człowiekowi jest przeznaczona na utrzymanie ciepłokrwistości. W temperaturze 20°C około 31% ogólnej ilości pozyskanej energii cieplnej jest tracone w drodze konwekcji (unoszone przez będące w ruchu powietrze), 44% ciepła organizm wypromieniowuje do otoczenia, 22% jest zużywane na parowanie z powierzchni skóry. W prostym i bardzo przybliżonym modelu równowagi energetycznej organizmu założymy, że energia pobrana przez organizm wraz z pożywieniem E po jest w całości tracona w formie promieniowania E wy: Epo = E wy Niech P oznacza moc organizmu wyrażoną w kaloriach na dobę lub J/s ( czyli energię pobieraną lub traconą w jednostce czasu ).

50 Mamy więc P po = P wy Zapotrzebowanie na energię zależy od masy organizmu P po = Zm, Gdzie m jest masą organizmu, a Z współczynnikiem proporcjonalności (Z może być w ogólności także zależne od masy ciała). Współczynnik Z oznacza ilość energii pobranej przez organizm w jednostce czasu przypadającą na jednostkę jego masy. Będziemy go dalej nazywać „apetytem właściwym” organizmu. Jak „apetyt właściwy” zależy od rozmiarów organizmu? Dla uproszczenia rozważań zakładamy, że organizm ma kształt kuli. Wówczas ( stosując prawo promieniowania Stefana-Boltzmanna ) otrzymujemy: Z(r) = (3α/ρ)(ΔT/r) czyli Z(r) ~ (1/r)ΔT gdzie: r - promień kuli, α - współczynnik proporcjonalności ( w temperaturze pokojowej α = 2 ÷ 5 W/(m2 K) (w zależności od rodzaju powierzchni ciała).

51 Dla stałej różnicy temperatur (ciała i otoczenia) „apetyt właściwy” jest hiperboliczną funkcją rozmiaru organizmu (promienia). Im organizm jest większy, tym mniej musi spożywać pożywienia na jednostkę swojej masy, natomiast małe organizmy cechuje duży „apetyt właściwy”. Tak więc średnia masa ciała mieszkańców Finlandii wynosi około 70 kg, Amerykanów zamieszkujących południowe stany - 64 kg, a mieszkańców tropikalnego Wietnamu - 50 kg. Im klimat chłodniejszy, tym większa wartość ΔT w naszym wzorze, a tym samym większa wartość r (przy założeniu takiego samego „apetytu właściwego”). Oszacujmy teraz „apetyt właściwy” człowieka. Człowiek o masie około 80 kg spożywa w ciągu doby około 1 kg pożywienia dającego około 12 MJ energii. „Apetyt właściwy” człowieka wynosi więc /(24 x 3600 x 80) J/(kg s), czyli około 1,75 W/kg.

52 Mierzenie wartości energetycznej.
Wszystkie pokarmy dostarczane do organizmu są źródłem energii, służą do wzrostu oraz regeneracji komórek oraz do podtrzymania podstawowych procesów życiowych takich jak praca serca i utrzymanie odpowiedniej temperatury ciała. Energia zawarta w pokarmach zazwyczaj mierzona jest w kaloriach. Z definicji 1 kaloria oznacza ilość energii potrzebnej do ogrzania 1g wody o 1°C. W praktyce do opisu wartości energetycznych pokarmów używa się kilokalorii (kcal). Dziennie zapotrzebowanie energetyczne zależy od trybu życia. Jeżeli człowiek prowadzi aktywny tryb życia zapotrzebowanie energetyczne będzie sporo większe. Przeciętnie zapotrzebowanie energetyczne kobiety wynosi około 1300 kcal a mężczyzny około 1600 kcal. Mierzenie wartości energetycznej. Na początku XX wieku opracowano procedurę mierzenia wartości energetycznej, która pozostaje w użyciu do dziś. Badana żywność jest całkowicie spalana w kalorymetrze, a ciepło uwolnione w wyniku spalania jest mierzone. Ta wartość jest używana do określenia całkowitej wartości energetycznej żywności. Potem dokonuje się odpowiedniej korekty opartej na rzeczywistym sposobie przyswajania energii przez człowieka.

53

54 W organizmie ludzkim mają również zastosowania prawa przepływu cieczy ( Bernoulliego i Pascala) jak i zagadnienie temperatury. Pomiar ciśnienia tętniczego krwi jak i temperatury ciała ludzkiego mogą przyczynić się do wykrycia wielu nieprawidłowości oraz chorób. Temperatura u większości ludzi, mierzona pod pachą wynosi zwykle 36,4°-37,0°C. Wartość ciśnienia tętniczego : Dorosły: 120 mmHg – ciśn. skurczowe 80 mmHg – ciśn. rozkurczowe Dziecko (1–8 rok życia) 110 mmHg – ciśn. skurczowe 75 mmHg – ciśn. rozkurczowe

55 Pomiar ciśnienia tętniczego krwi.
Pomiar temperatury.

56 Ważnym badaniem dotyczącym organizmu człowieka – jego serca jest tzw
Ważnym badaniem dotyczącym organizmu człowieka – jego serca jest tzw. Elektrokardiografia (EKG) . Jest to zabieg diagnostyczny wykorzystywany w medycynie przede wszystkim w celu rozpoznawania chorób serca. Jest to metoda pośrednia polegająca na rejestracji elektrycznej czynności mięśnia sercowego z powierzchni klatki piersiowej w postaci napięć pomiędzy dwoma elektrodami, co graficznie odczytujemy w formie krzywej elektrokardiograficznej, na specjalnym papierze milimetrowym bądź na ekranie monitora. Spoczynkowe badanie EKG - zapis prawidłowy Rytm zatokowy 70/minutę. Przebieg pobudzeń prawidłowy.

57 Literatura : 1. J.Salach , M.Fiałkowski , K.Fiałkowski, B.Sagnowska „Fizyka dla szkół ponadgimnazjalnych” treści rozszerzające wyd. ZamKor Kraków2002 2. D.Halliday , R.Resnick „Fizyka” PWN Warszawa 1993 3. Encyklopedia Wikipedia 4. dr Armand Cholewka : „Łatwiej dbać o zdrowie rozumiejąc fizykę” 5. Wirtualny Wszechświat – Delta.

58