Miért nem fagy meg a madarak lába?
Az evolúció során a fajok sokféleképpen alkalmazkodtak, hogy fenntartsák a sejtjeik leghatékonyabb működéséhez szükséges ideális hőmérsékletet. A gázlómadarak lábában meglepően hatékony rendszer alakult ki a környezet felé történő hőveszteség minimalizálására. Artériáik és vénáik olyan szorosan futnak egymáson, hogy köztük számottevő hőcsere alakul ki. Az ellenáramú hőcserélő egy olyan rendszer, ahol a két áramló közeg áramlási iránya ellentétes egymással és ezáltal jelentősen hatékonyabb a hőcsere, mint a más struktúrájú rendszerekben. Dolgozatom alapja egy amerikai egyetemen végzett kísérlet mely ugyanezen jelenséget demonstrálta egyetemistáknak. Ezzel a dolgozattal és a hozzá készült kísérleti összeállítással leegyszerűsített formában igyekszem átadni ennek a számomra elképesztő evolúciós vívmánynak az elméleti hátterét, hogy ez középiskolások számára is érthető legyen.
A jelenség modellezésére készített kísérleti összeállítás felépítését tekintve két, illetve három hőtartályra osztható, melyek hőmérséklete folyamatosan monitorozás alatt áll. A bemeneti (meleg) hőtartályt egy Peltier-elem tartja állandó 40°C körüli (test-) hőmérsékleten. A második hőtartály maga a környezet, amelyben a hőcserélő rész is elhelyezkedik: ezen a szakaszon fut egymással érintkezve a vénás és az artériás ág. A harmadik (hideg) hőtartályban hajlik át az artériás ág a vénás ágba: ezen a ponton van a rendszerben a minimum hőmérséklet. Egy ennél is egyszerűbb modellben a hideg hőtartály azonos a környezettel. A visszatérő (vénás) ág kilépő hőmérsékletét megmérve meghatározhatjuk a hőcsere hatékonyságát.
Mint minden fizikai rendszerre, erre is leírható az energiamegmaradás törvénye. Jelen esetben ez azt jelenti, hogy a bemeneti ág hőenergiája és a kilépő folyadék hőenergiája közötti különbség a környezet felé történő hőáramláskor használódott el. Az artériás ágban áramló folyadékból három irányba történik hőátadás: a környezet felé, a folyás irányába és végül a vénás ág felé. A vénás ágban áramló folyadékból két irányba történik energiaveszteség: a környezet, valamint a folyás irányába. Mindezekből elméleti modellt készítettem.
A mért eredményeimet az elméleti modellel végzett számolásaimmal összevetve kijelenthetjük, hogy kísérleti modellünk helytálló.
Irodalom:
1. C. Loudon et al., „A laboratory exercise using a physical model for demonstrating countercurrent heat exchange”, Adv. Physiol. Educ. 36: 58-62, 2012
2. J.W. Mitchell and G.E. Myers, „An analytical model of the counter-current heat exchange phenomena”, Biophysical Journal 8: 897-911, 1968
szerző
-
Sinha Devkumar Gergely
Egyéb hazai egyetem
konzulens
-
Dr. Barócsi Attila
egyetemi docens, Atomfizika Tanszék