Skip to main content
Global

24.6: توازن الطاقة والحرارة

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    203150

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    أهداف التعلم

    • وصف كيفية تنظيم الجسم لدرجة الحرارة
    • اشرح أهمية معدل الأيض

    ينظم الجسم درجة حرارة الجسم بإحكام من خلال عملية تسمى التنظيم الحراري، حيث يمكن للجسم الحفاظ على درجة حرارته ضمن حدود معينة، حتى عندما تكون درجة الحرارة المحيطة مختلفة جدًا. تظل درجة الحرارة الأساسية للجسم ثابتة عند حوالي 36.5-37.5 درجة مئوية (أو 97.7-99.5 درجة فهرنهايت). في عملية إنتاج ATP بواسطة الخلايا في جميع أنحاء الجسم، يكون حوالي 60 بالمائة من الطاقة المنتجة في شكل حرارة تستخدم للحفاظ على درجة حرارة الجسم. التنظيم الحراري هو مثال على ردود الفعل السلبية.

    إن منطقة ما تحت المهاد في الدماغ هي المفتاح الرئيسي الذي يعمل كمنظم حرارة لتنظيم درجة حرارة الجسم الأساسية (الشكل\(\PageIndex{1}\)). إذا كانت درجة الحرارة مرتفعة جدًا، يمكن أن تبدأ منطقة ما تحت المهاد عدة عمليات لخفضها. وتشمل هذه زيادة الدورة الدموية إلى سطح الجسم للسماح بتبديد الحرارة عبر الجلد وبدء التعرق للسماح بتبخر الماء على الجلد لتبريد سطحه. على العكس من ذلك، إذا انخفضت درجة الحرارة إلى ما دون درجة الحرارة الأساسية المحددة، يمكن أن تبدأ منطقة ما تحت المهاد في الارتعاش لتوليد الحرارة. يستخدم الجسم المزيد من الطاقة ويولد المزيد من الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، سيحفز هرمون الغدة الدرقية المزيد من استخدام الطاقة وإنتاج الحرارة بواسطة الخلايا في جميع أنحاء الجسم. يُقال إن البيئة محايدة حراريًا عندما لا ينفق الجسم أو يطلق الطاقة للحفاظ على درجة حرارته الأساسية. بالنسبة للإنسان العاري، تبلغ درجة حرارة الهواء المحيط حوالي 84 درجة فهرنهايت، وإذا كانت درجة الحرارة أعلى، على سبيل المثال، عند ارتداء الملابس، يعوض الجسم بآليات التبريد. يفقد الجسم الحرارة من خلال آليات التبادل الحراري.

    الشكل\(\PageIndex{1}\): يتحكم المهاد في التنظيم الحراري. تتحكم منطقة ما تحت المهاد في التنظيم الحراري.

    آليات التبادل الحراري

    عندما لا تكون البيئة محايدة حراريًا، يستخدم الجسم أربع آليات للتبادل الحراري للحفاظ على التوازن: التوصيل والحمل الحراري والإشعاع والتبخر. تعتمد كل من هذه الآليات على خاصية الحرارة للتدفق من تركيز أعلى إلى تركيز أقل؛ لذلك، تختلف كل آلية من آليات التبادل الحراري في المعدل وفقًا لدرجة الحرارة وظروف البيئة.

    التوصيل هو نقل الحرارة بواسطة جسمين على اتصال مباشر مع بعضهما البعض. يحدث عندما يلامس الجلد جسمًا باردًا أو دافئًا. على سبيل المثال، عند حمل كوب من الماء المثلج، ستؤدي حرارة بشرتك إلى تدفئة الزجاج وبالتالي إذابة الثلج. بدلاً من ذلك، في يوم بارد، يمكنك الإحماء عن طريق لف يديك الباردة حول كوب قهوة ساخن. يتم فقدان حوالي 3 بالمائة فقط من حرارة الجسم من خلال التوصيل.

    الحمل الحراري هو نقل الحرارة إلى الهواء المحيط بالجلد. يرتفع الهواء الدافئ بعيدًا عن الجسم ويتم استبداله بهواء أكثر برودة يتم تسخينه لاحقًا. يمكن أن يحدث الحمل الحراري أيضًا في الماء. عندما تكون درجة حرارة الماء أقل من درجة حرارة الجسم، يفقد الجسم الحرارة عن طريق تسخين الماء الأقرب إلى الجلد، والذي يتحرك بعيدًا ليحل محله ماء بارد. تستمر التيارات الحرارية الناتجة عن التغيرات في درجات الحرارة في سحب الحرارة بعيدًا عن الجسم بسرعة أكبر من قدرة الجسم على استبدالها، مما يؤدي إلى ارتفاع الحرارة. يتم فقدان حوالي 15 بالمائة من حرارة الجسم من خلال الحمل الحراري.

    الإشعاع هو نقل الحرارة عبر موجات الأشعة تحت الحمراء. يحدث هذا بين أي كائنين عندما تختلف درجات حرارتهما. يمكن للرادياتير تدفئة الغرفة عن طريق الحرارة المشعة. في يوم مشمس، تعمل أشعة الشمس على تدفئة البشرة. نفس المبدأ يعمل من الجسم إلى البيئة. يتم فقدان حوالي 60 بالمائة من الحرارة التي يفقدها الجسم من خلال الإشعاع.

    التبخر هو نقل الحرارة عن طريق تبخر الماء. نظرًا لأن الأمر يتطلب قدرًا كبيرًا من الطاقة حتى يتحول جزيء الماء من سائل إلى غاز، فإن تبخير الماء (على شكل عرق) يستهلك قدرًا كبيرًا من الطاقة من الجلد. ومع ذلك، فإن معدل حدوث التبخر يعتمد على الرطوبة النسبية - يتبخر المزيد من العرق في البيئات ذات الرطوبة المنخفضة. التعرق هو الوسيلة الأساسية لتبريد الجسم أثناء التمرين، بينما أثناء الراحة، يحدث حوالي 20 بالمائة من الحرارة التي يفقدها الجسم من خلال التبخر.

    معدل الأيض

    معدل الأيض هو كمية الطاقة المستهلكة ناقص كمية الطاقة التي ينفقها الجسم. يصف معدل الأيض القاعدي (BMR) كمية الطاقة اليومية التي ينفقها البشر أثناء الراحة، في بيئة معتدلة محايدة، بينما في حالة ما بعد الامتصاص. يقيس مقدار الطاقة التي يحتاجها الجسم للنشاط اليومي العادي والأساسي. يأتي حوالي 70 بالمائة من إجمالي نفقات الطاقة اليومية من الوظائف الأساسية للأعضاء في الجسم. تأتي نسبة 20 في المائة الأخرى من النشاط البدني، أما الـ 10 في المائة المتبقية فهي ضرورية لتنظيم حرارة الجسم أو التحكم في درجة الحرارة. سيكون هذا المعدل أعلى إذا كان الشخص أكثر نشاطًا أو لديه كتلة جسم أكثر نحافة. مع تقدمك في العمر، ينخفض معدل الأيض الأساسي عمومًا مع انخفاض النسبة المئوية لكتلة العضلات الأقل هزيلة.

    مراجعة الفصل

    يتم استخدام بعض الطاقة من الطعام الذي يتم تناوله للحفاظ على درجة الحرارة الأساسية للجسم. يتم إطلاق معظم الطاقة المشتقة من الطعام كحرارة. يتم الاحتفاظ بدرجة الحرارة الأساسية حول 36.5-37.5 درجة مئوية (97.7-99.5 درجة فهرنهايت). يتم تنظيم ذلك بإحكام من خلال منطقة ما تحت المهاد في الدماغ، والتي تستشعر التغيرات في درجة الحرارة الأساسية وتعمل مثل منظم الحرارة لزيادة التعرق أو الارتعاش، أو تحفيز آليات أخرى لإعادة درجة الحرارة إلى مداها الطبيعي. يمكن للجسم أيضًا اكتساب الحرارة أو فقدها من خلال آليات التبادل الحراري. ينقل التوصيل الحرارة من جسم إلى آخر من خلال الاتصال الجسدي. ينقل الحمل الحراري الحرارة إلى الهواء أو الماء. ينقل الإشعاع الحرارة عبر الأشعة تحت الحمراء. ينقل التبخر الحرارة عندما تتغير حالة الماء من سائل إلى غاز.

    مراجعة الأسئلة

    س: يتم التحكم في درجة حرارة الجسم بواسطة ________. يتم الاحتفاظ بدرجة الحرارة هذه دائمًا بين ________.

    أ. الغدة النخامية؛ 36.5-37.5 درجة مئوية

    B. تحت المهاد؛ 97.7-99.5 درجة فهرنهايت

    C. تحت المهاد؛ 36.5-37.5 درجة فهرنهايت

    د. الغدة النخامية؛ 97.7-99.5 درجة فهرنهايت

    الإجابة: ب

    س: تزيد الحمى من درجة حرارة الجسم ويمكن أن تسبب قشعريرة للمساعدة في تبريد درجة الحرارة مرة أخرى. ما هي الآليات الأخرى الموجودة لتنظيم درجة حرارة الجسم؟

    أ. يرتجف

    ب. التعرق

    C. انتصاب الشعر على الذراعين والساقين

    د. كل ما سبق

    الإجابة: د

    س: تم نقل الحرارة التي تشعر بها على كرسيك عند الوقوف من بشرتك عبر ________.

    أ. التوصيل

    ب. الحمل الحراري

    جيم - الإشعاع

    د. التبخر

    الإجابة: أ

    س: ترتفع درجة حرارة الغرفة المزدحمة من خلال آلية ________.

    أ. التوصيل

    ب. الحمل الحراري

    جيم - الإشعاع

    د. التبخر

    الإجابة: ج

    أسئلة التفكير النقدي

    س: كيف يساعد تضيق الأوعية على زيادة درجة الحرارة الأساسية للجسم؟

    ج: عندما يتدفق الدم إلى الطبقات الخارجية من الجلد أو إلى الأطراف، يتم فقدان الحرارة للبيئة من خلال آليات التوصيل أو الحمل الحراري أو الإشعاع. سيؤدي ذلك إلى تبريد الدم والجسم. يساعد تضيق الأوعية على زيادة درجة حرارة الجسم الأساسية عن طريق منع تدفق الدم إلى الطبقة الخارجية من الجلد والأجزاء الخارجية من الأطراف.

    س: كيف يمكن أن يؤدي تناول الطعام إلى زيادة درجة حرارة الجسم؟

    ج: إن تناول الطعام يحفز عملية هضم ومعالجة الكربوهيدرات والبروتينات والدهون. يؤدي انهيار الطعام هذا إلى تحلل السكر ودورة كريبس وسلسلة نقل الإلكترون وأكسدة الأحماض الدهنية وتكوين الدهون وأكسدة الأحماض الأمينية لإنتاج الطاقة. الحرارة هي نتيجة ثانوية لتلك التفاعلات.

    مسرد المصطلحات

    معدل الأيض القاعدي (BMR)
    كمية الطاقة التي ينفقها الجسم أثناء الراحة
    التوصيل
    نقل الحرارة من خلال الاتصال الجسدي
    الحمل الحراري
    نقل الحرارة بين الجلد والهواء أو الماء
    تبخر
    نقل الحرارة الذي يحدث عندما يتغير الماء من سائل إلى غاز
    معدل الأيض
    كمية الطاقة المستهلكة ناقص كمية الطاقة التي ينفقها الجسم
    إشعاع
    نقل الحرارة عبر موجات الأشعة تحت الحمراء
    محايد حرارياً
    درجة الحرارة الخارجية التي لا يستهلك فيها الجسم أي طاقة للتنظيم الحراري، حوالي 84 درجة فهرنهايت
    التنظيم الحراري
    عملية تنظيم درجة حرارة الجسم