Energie
Teplota
Přenos tepla vedením (kondukcí)
Teplo prošlé kolmo plochou A za čas τ se nazývá tepelný tok (ekvivalent výkonu) a závisí na obsahu plochy A, tloušťky vrstvy d,součiniteli tepelné vodivosti λ:
Povrch těla organizmů je neustále ve styku s okolním vzduchem případně s vodou. Proto neustále dochází k výměně tepla s okolím kondukcí. Vzhledem k nízké tepelné vodivosti vzduchu kondukce dominuje především ve vodě. Při tom se výrazně uplatňuje povrch těla, který úzce souvisí s jeho tvarem a velikostí.
Kondukce limituje velikost a tvar těla v různých podmínkách na Zemi. Izolační vrstva tvořená srstí, peřím či podkožním tukem s nízkou hodnotou tepelné vodivosti a dostatečnou tloušťkou brání ztrátám tepla u endotermních živočichů.
Závislost kondukce na rozdílu teploty
Při přenosu tepla z povrchu těla vedením (kondukcí) u živočichů se obvykle spolupodílí
i proudění (konvekce).
Vrstva vzduchu nad povrchem těla slouží jako izolační vrstva. Tento vzduch je zahříván kondukcí úměrně vzdálenosti od povrchu těla. Tím se ve vrstvě vzduchu směrem kolmo na povrch těla vytvoří teplotní gradient na němž dále závisí velikost konvekce. Teplejší a tedy méně hustší vzduch těsně u povrchu stoupá vztlakovou silou vzhůru a dochází tak ke konvekci. Tím se opět zvětšuji teplotní gradient a zvyšuje se kondukce.
Konvekci snižujeme další pevnou izolační vrstvou – oblečením.
Závislost kondukce na velikosti plochy A, kterou teplo prochází
Větší relativní povrch u menších živočichů a menší tepelná kapacita jejich těla vysvětluje jejich větší náchylnost na teplotní změny.
1 Závislost ztrát tepla na tvaru těla
Pro ztráty tepla je důležitý poměr povrchu k objemu těla. Na velikosti povrchu závisí tepelná kondukce a na velikosti objemu tepelná kapacita. Nejmenší je tento poměr u koule. Proto zaujmutí kulového tvaru těla minimalizuje tepelné ztráty. Typicky je to vidět u hibernujících živočichů stočených do klubíčka, kteří minimalizují tepelné ztráty, stejnou polohu zaujímáme i my pokud nám je zima.
Současně s tím souvisí i Allenovo ekologické pravidlo podle kterého se tělní výrůstky u příbuzných živočichů zmenšují směrem k pólu. To můžeme vidět na příkladu příbuzných druhů lišek (polární - Vulpes lagopus, liška obecná - Vulpes vulpes v mírném pásmů a fenek - Vulpes zerda, obyvatel pouštních oblastí).
2 
3 
4 Tepelný tok (výkon) platí obecně pro rovinnou plochu:
Pokud je plocha zakřivená s poloměrem křivosti r a izolační vrstva d dostatečně velká vzhledem k r musíme vzorec upravit pomocí infinitezimálního počtu:
pro válcovou plochu pak platí:
Pro sférickou plochu platí
Kolik tepla ztratíme kondukcí a konvekcí, budeme-li stát bosí určitou dobu na sněhu?
Kolik tepla ztratíme, ponoříme-li paži po do nádrže se studenou vodou?
Jak tlustá musí být vrstva tuku vodních savců (a ryb) v závislosti na velikosti těla? Proč mají kytovci tak velká těla?
Závislost kondukce na součiniteli tepelné vodivosti λ
U endotermních živočichů najdeme základní 3 druhy izolačních materiálů: peří u ptáků, srst u savců a podkožní tuk vyvinutý zejména u vodních savců – kytovců.
Součinitel tepelné vodivosti λ pro různé materiály včetně tkání je v následující tabulce:
|
Součinitel teplelné vodivosti
(W/m°C)
|
Izolace = 1/Součinitel tepelné
vodivosti (m°C/W)
|
stříbro
|
418,000
|
0,002
|
měď
|
395,000
|
0,003
|
hliník
|
229,000
|
0,004
|
ocel
|
14,000
|
0,071
|
led
|
2,200
|
0,455
|
voda
|
0,600
|
1,667
|
lidská
tkáň (svaly, kosti)
|
0,420
|
2,381
|
suchá půda
|
0,321
|
3,117
|
lidský tuk
|
0,200
|
5,000
|
dřevo
|
0,160
|
6,250
|
srst skotu
|
0,128
|
7,792
|
rybí tuk
|
0,100
|
10,000
|
holubí
peří
|
0,065
|
15,429
|
ovčí vlna
|
0,050
|
20,000
|
srst psa
Husky
|
0,041
|
24,468
|
husí
prachové peří
|
0,026
|
38,462
|
vzduch
|
0,025
|
40,000
|
5
Následující graf ukazuje srovnání izolačních schopností srsti různých živočichů, na ose x je šířka vrstvy v mm, na ose y je převrácená hodnota součinitele tepelné vodivosti (m°C/W).
Nejlepší izolační schopnosti má vzduch. Proto peří i chlupy srsti jsou duté a vyplněné vzduchem (viz obrázek podélného řezu chlupem vpravo), stejně vzduch vyplňuje i prostory mezi chlupy zejm. pokud dojde k naježení srsti – čímž se zvýší současně i tloušťka izolační vrstvy. Díky chlupům je však sníženo proudění vzduchu.
Stejně fungují i tepelně izolující spacáky s tzv. dutými vlákny. Také termoprádlo je jednak pevně upnuté a obsahuje větší oka, aby se využila izolační schopnost vzduchu a zároveň snížila možná konvekce.
6 
7 Gradient teploty na povrchu těla pokrytého srstí ukazuje vedlejší obrázek.
Teplota těla je 37°C, okolní teplota je -10°C. Z křivky je patrné, že výrazně převažuje izolační schopnost srsti oproti kůži.
Savci i ptáci reagují i na sezónní změny teploty úpravou měrné tepelné kapacity a tloušťky vrstvy změnou ze zimní na letní srst (či u ptáků šat).
Zdroje obrázků a grafů :
[1]
[2] Vodrážka Z.: Biochemie, Academia, Praha 2002
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]