«Респирационные калориметры для изучения дыхательного газообмена и энергетических превращений у человека»

Вода опускается из этого резервуара по большой 2-дюймовой трубе к потолку лаборатории калориметрии, где она разделяется на три 1-дюймовые трубы, чтобы обеспечить подачу воды для трех калориметров, используемых одновременно, если это необходимо, и исключить влияние изменения скорости потока в одном калориметре на скорость потока в другом. Эти трубы опускаются вдоль внутренней стены помещения, примыкающего к холодильной камере, и часть водяного контура проходит через латунный змеевик, погруженный в охлаждающий бак в холодильной камере. С помощью байпаса можно получить воду любой температуры от 2° C до 20° C. Затем вода направляется по трубе под полом к калориметрической камере, проходит через поглотители и, наконец, измеряется в водяном счетчике.

Приведена схематическая зарисовка хода потока воды (рис. 14), где A — резервуар на верхнем этаже, управляемый поплавковым клапаном, а a — главный клапан, который регулирует подачу к охладителю B; путем настройки клапана b и клапана c можно получить любую желаемую смесь воды. Термометр C дает приблизительное представление о температуре воды, что помогает в получении надлежащей смеси. Затем вода проходит под полом лаборатории калориметрии и поднимается к аппарату D, который используется для нагрева ее до желаемой температуры перед входом в калориметр. Температура воды при входе в калориметр измеряется точно откалиброванным термометром E, после чего она проходит через систему поглотителей d d d, выходит из калориметра, проходит мимо термометра F, по которому считывается конечная температура. Затем она проходит по трубе и попадает в большой бак G, установленный на весах. Когда этот бак наполняется, вода на несколько минут перенаправляется в другой бак, а после взвешивания вода через клапан f направляется в канализацию.

Рассольный бак. — Система охлаждения для подачи воды состоит из бака, в который погружен железный змеевик, соединенный двумя клапанами с подающей и обратной магистралями рассола от центральной электростанции. Эти клапаны расположены непосредственно перед клапанами, управляющими охлаждающим устройством в холодильной камере, и позволяют пропускать рассол через змеевик, не заполняя большие змеевики для охлаждения воздуха в лаборатории калориметрии. Когда рассол проходит через этот змеевик, который не показан на рисунке, он охлаждает воду, в которую погружен, а вода, в свою очередь, охлаждает змеевик, через который проходит подача воды в калориметр. На рисунке показан только латунный змеевик. Система очень эффективна, и у нас нет трудностей с охлаждением воды до 2° C. На самом деле, наша главная трудность заключается в регулировании подачи рассола, чтобы не заморозить систему водоснабжения.

Смеситель воды. — Если клапан b открыт, вода течет через этот короткий отрезок трубы гораздо быстрее, чем через длинный змеевик, из-за большего сопротивления охлаждающего змеевика. При проведении этих экспериментов клапан c открывается полностью, и путем изменения степени открытия клапана b вода равномерно и легко смешивается. Термометр C на практике погружен в смеситель воды, сконструированный несколько по принципу смесителя внутри камеры, описанного на стр. 21. Все трубопроводы, включая те, что под полом, и подогреватель D покрыты войлоком и хорошо изолированы.

Клапаны расхода. — Оказалось чрезвычайно трудно подобрать какой-либо тип клапана, который даже при постоянном давлении воды обеспечивал бы постоянную скорость потока. В калориметре этого типа крайне желательно, чтобы скорость потока была как можно более постоянной час за часом, поскольку эта постоянная скорость потока существенно помогает поддерживать в калориметре равномерную температуру. Очевидно, что колебания скорости потока вызовут колебания температуры входящей воды и количества отводимого тепла. Это сильно нарушает температурное равновесие, которое обычно поддерживается довольно постоянным. Непосредственно перед тем, как вода поступает в подогреватель D, она проходит через клапан расхода, который в настоящее время представляет собой обычный пробковый кран. Сейчас мы экспериментируем с другими типами клапанов, чтобы, если возможно, добиться еще большей стабильности.

Электрический подогреватель. — Чтобы абсолютно контролировать температуру воды, входящей в E, планируется охлаждать воду, выходящую из смесителя C, несколько ниже желаемой температуры, чтобы ее необходимо было подогреть до нужного уровня. Это делается путем пропускания электрического тока через змеевик, вставленный в систему в точке D. Этот электрический подогреватель состоит из стандартного змеевика «Simplex», расположенного в медном баке таким образом, чтобы вода максимально циркулировала вокруг нагревателя. Все устройство тщательно изолировано войлоком. Подключив электрический подогреватель к реостату на пульте наблюдателя, можно легко контролировать количество электричества, проходящего через змеевик, и, следовательно, регулировать температуру входящей воды с точностью до нескольких сотых градуса.

Контроль количества тепла, отводимого из камеры, осуществляется либо (1) увеличением скорости потока, либо (2) изменением температуры входящей воды. Обычно достаточно только второго метода. В более старой форме аппарата был возможен третий метод, а именно изменение площади поглощающей поверхности системы охлаждения внутри камеры. Этот последний метод регулирования, который использовался почти исключительно в ранних экспериментах, требовал сложной системы экранов, которые могли быть подняты или опущены по желанию оператора снаружи, что требовало отверстия в камере, которое было довольно трудно сделать герметичным, а также значительно усложняло механизм внутри камеры. Более современный метод контроля путем регулирования температуры входящей воды с помощью электрического подогревателя был значительно усовершенствован и отлично зарекомендовал себя.

Изоляция водяных труб через стенку. — Изоляция водяных труб при их прохождении через металлические стенки калориметра и предотвращение любого охлаждающего эффекта, не измеряемого термометрами, представляли большие трудности. Устройство, применявшееся в камере в Мидлтауне, было относительно простым, но очень труднодоступным и источником тех или иных проблем, а именно: стеклянная трубка большого размера, заделанная в большую круглую деревянную пробку, с кольцевым пространством между стеклом и деревом, заполненным воском. В новых калориметрах была предпринята попытка обеспечить воздушную изоляцию путем использования стеклянной трубки большого размера, около 15 миллиметров внутреннего диаметра, проходящей через большую резиновую пробку, вставленную в латунную втулку, припаянную между цинковыми и медными стенками. (См. N, рис. 25.) Что касается изоляции, то это устройство было очень удовлетворительным, но, к сожалению, стеклянные трубки легко ломаются, и постоянно возникали трудности. Затем была предпринята попытка заменить стеклянную трубку трубкой из твердой резины, но она не оказалась эффективным изолятором. В последнее время мы с полным успехом используем специальную форму вакуумированной стеклянной трубки, которая обеспечивает наиболее удовлетворительную изоляцию. Однако эта система изоляции непрактична, когда для записи разности температур воды используются электрические термометры сопротивления, и может применяться только тогда, когда используются исключительно ртутные термометры. Электрические термометры сопротивления, однако, сконструированы таким образом, что делают пренебрежимо малыми любые неравномерности в прохождении тепла через корпус из твердой резины. Это будет видно при обсуждении этих термометров.

Измерение воды. — По мере выхода воды из респирационной камеры она проходит через клапан, который позволяет направлять ее либо в канализацию во время предварительного периода, либо в небольшой бак, где можно легко измерить скорость потока, либо в большой резервуар (G, рис. 14), где вода взвешивается. Измерение воды производится по весу, а не по объему, так как было установлено, что взвешивание может быть выполнено с большой точностью. Резервуар, бак для золы из оцинкованного железа, снабжен конической крышкой, через отверстие в которой помещена воронка. На схеме показано, как вода выходит из калориметра и попадает в счетчик через эту воронку, но на практике она настроена так, чтобы поступать через отверстие сбоку счетчика. После того как клапан f плотно закрыт, пустой бак взвешивается.

Когда начинается собственно эксперимент, поток воды перенаправляется в этот бак, а в конце часа вода перенаправляется в небольшой бак, используемый для измерения скорости потока. Пока она течет в этот бак, большой бак G взвешивается на платформенных весах с точностью до 10 граммов. После взвешивания вода снова перенаправляется в большой бак, а вода, собранная в малом измерительном баке, выливается в G через воронку. Бак вмещает около 100 литров воды, и, следовательно, можно проводить от 3 до 8 часовых периодов, в зависимости от скорости потока, не опорожняя счетчик. Когда возникает необходимость опорожнить счетчик в конце периода, воде дают стечь в малый бак, и после взвешивания G открывается клапан f. Для опорожнения большого бака требуется около 4 минут. После этого клапан снова закрывается, пустой бак взвешивается, а вода из малого измерительного бака выливается в большой бак G через воронку. Используемые весы — так называемые «шелковые» весы, и, по данным производителей, они рассчитаны на взвешивание 150 килограммов. Эта форма весов ранее использовалась при взвешивании человека внутри камеры. [7]

ТЕРМОМЕТРЫ.

В связи с калориметром и вспомогательными устройствами используются ртутные и электрические термометры сопротивления. Для измерения температуры воды при входе и выходе из камеры через горизонтальные трубки используются ртутные термометры, которые дополняются электрическими термометрами сопротивления, подключенными к специальному записывающему прибору для постоянной регистрации разности температур. Для измерения температуры внутри калориметра используются два комплекта электрических термометров сопротивления, один из которых представляет собой серию открытых проволочных катушек, подвешенных в воздухе камеры, чтобы быстро воспринимать температуру воздуха. Другой комплект состоит из катушек сопротивления, заключенных в медные коробки, припаянные к медной стенке, и предназначен для индикации температуры медной стенки, а не воздуха.

РТУТНЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ.

Ртутные термометры, используемые для измерения разности температур потока воды, имеют специальную конструкцию и были откалиброваны с величайшей точностью. Поскольку вода поступает в респирационную камеру через горизонтальную трубку, термометры сконструированы и расположены в горизонтальных трубках, через которые проходит вода, таким образом, что резервуары термометров лежат примерно в плоскости медной стенки, тем самым измеряя температуру воды непосредственно при входе и выходе из камеры. Для удобства считывания стержень термометра изогнут под прямым углом, а деления нанесены на вертикальную часть.

Термометры градуированы от 0° до 12° C или от 8° до 20° C, и каждый градус разделен на пятидесятые доли. Без использования линзы можно точно считывать до сотой доли градуса. Для калибровки этих термометров необходима специальная установка. Используемые эталоны состоят из хорошо сконструированных метастатических термометров типа Бекмана, изготовленных К. Рихтером из Берлина и откалиброванных Физико-техническим ведомством (Physikalische Technische Reichsanstalt). Кроме того, эталонный термометр, градуированный от 14° до 24° C, также изготовленный Рихтером и стандартизированный Физико-техническим ведомством, служит основой для обеспечения абсолютной температуры. Поскольку, однако, на ртутных термометрах, используемых в потоке воды, требуются разности температур, а не абсолютные температуры, нет необходимости, за исключением приблизительного способа, стандартизировать термометры на основе абсолютной температуры. Для калибровки термометров обычное деревянное ведро для воды снабжается несколькими отверстиями в боковой стенке у дна. В эти отверстия вставляются однодырочные резиновые пробки, через которые помещаются резервуары и стержни различных термометров, подлежащих калибровке. Вертикальная часть стержня удерживается в вертикальном положении зажимом. Ведро наполняется водой, что обеспечивает большую массу воды и медленные колебания температуры, а вода перемешивается с помощью турбинной мешалки с электрическим приводом.

Термометры Бекмана, два из которых используются, отрегулированы так, что они перекрывают друг друга и, таким образом, позволяют охватить диапазон от 8° до 14° C без перенастройки. Для всех температур выше 14° C можно напрямую использовать эталонный термометр Рихтера. Для температур 8° C или ниже используется большая воронка, наполненная колотым льдом, со стержнем, погруженным в воду. По мере таяния льда охлаждающий эффект на большую массу воды достаточен для поддержания температуры постоянной и компенсации нагревающего эффекта окружающего воздуха в помещении. Термометры постукивают и считывают как можно более одновременно. В каждой точке берется несколько показаний, и средние значения используются в расчетах. При надлежащем учете поправок на термометрах Бекмана разность температур можно определить с точностью менее 0,01° C. Данные, полученные в результате калибровки, используются для сравнения, и для каждого используемого комплекта термометров составляется таблица поправок. Особенно важно, чтобы эти термометры сравнивались между собой с большой точностью, поскольку при использовании в калориметре температура входящей воды измеряется одним термометром, а температура выходящей воды — другим.

Термометры этого типа чрезвычайно хрупкие. Длинный угол с плечом длиной около 35 сантиметров затрудняет обращение с ними без поломки, но они чрезвычайно чувствительны и точны и дали отличные результаты. Конструкция резервуара, однако, такова, что малейшее давление на него весьма заметно поднимает столбик ртути, и поэтому при практическом использовании важно учитывать влияние давления воды на резервуары и вносить соответствующие поправки. Влияние такого давления на термометры, используемые в аппарате этого типа, было впервые указано Армсби [8], и при высоких скоростях потока, достигающих 1 литра или более в минуту, поправка на этих термометрах может составлять несколько сотых градуса. Мы обнаружили, что при текущей установке, со скоростью потока менее 400 кубических сантиметров в минуту, поправка на давление воды не требуется.

При установке термометра крайне важно, чтобы не было давления на стенку трубки, через которую вставляется термометр. Малейшее давление вызовет значительный подъем столбика ртути. Также необходимо принять особые меры предосторожности для изоляции трубки, через которую проходит вода, так как прохождение воды вдоль трубки обычно не обеспечивает тщательного перемешивания, и при перемещении резервуара термометра из центра трубки к точке рядом с краем вода, которая у края может быть несколько теплее, чем в центре, немедленно воздействует на термометр. Благодаря использованию упомянутой выше вакуумной рубашки этого нагрева воды удалось избежать, а в электрических термометрах сопротивления принимаются особые меры предосторожности не только в отношении относительного положения резервуара ртутного термометра и термометра сопротивления, но и в отношении изоляции из твердой резины, чтобы избежать ошибок такого рода.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ.

Электрические термометры сопротивления используются в связи с респирационным калориметром для нескольких целей: во-первых, для определения колебаний температуры воздуха внутри камеры; во-вторых, для измерения колебаний температуры медной стенки респирационной камеры; в-третьих, для определения изменений температуры тела; наконец, для записи разности температур входящей и выходящей воды. Хотя все эти термометры построены на одном и том же принципе, их установка сильно различается, и необходимо несколько слов о методе использования каждого из них.

ВОЗДУШНЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ.

Воздушные термометры разработаны с особой целью быстрого измерения температуры воздуха. Пять термометров, каждый из которых имеет сопротивление около 4 Ом, соединены последовательно и подвешены на расстоянии 3,5 сантиметра от стенки на крючках внутри камеры. Для защиты они окружены, во-первых, перфорированным металлическим цилиндром, а снаружи — проволочным ограждением.

Fig. 15.

Деталь воздушного термометра сопротивления, показывающая метод монтажа и подключения термометра. Части проволочного ограждения и латунного защитного кожуха показаны в разрезе, чтобы можно было видеть внутреннюю структуру.

Детали конструкции и метод установки показаны на рис. 15. Четыре полоски слюды вставлены в четыре паза в стержне из твердого клена длиной 12,5 сантиметра и диаметром 12 миллиметров, и вокруг каждой полоски намотано 5 метров чистого медного провода с двойной шелковой изоляцией (калибр провода № 30). С помощью толстых соединительных проводов пять таких термометров соединены последовательно, что дает общее сопротивление системы около 20 Ом. Сам термометр подвешен между двумя крючками на резиновых лентах, а эти два крючка, в свою очередь, прикреплены к проволочному ограждению, которое крепится к резьбовым стержням, припаянным к внутренней поверхности медной стенки, тем самым приближая центр термометра на 3,4 сантиметра от медной стенки. Два таких термометра помещены в купол калориметра непосредственно над плечами испытуемого, а остальные три распределены по бокам и передней части камеры. Этот тип конструкции обеспечивает максимальную чувствительность к колебаниям температуры самого воздуха и при этом гарантирует тщательную защиту. Две клеммы выведены за пределы респирационной камеры к пульту наблюдателя, где колебания температуры измеряются на мостике Уитстона.

ТЕРМОМЕТРЫ СТЕНКИ.

Термометры стенки предназначены для измерения температуры медной стенки, а не температуры воздуха. Когда внутри респирационной камеры происходят колебания температуры, воздух, очевидно, показывает колебания температуры первым, а затем воздействию подвергаются медные стенки. Поскольку при внесении поправок на гидротермический эквивалент аппарата и на изменения температуры аппарата в целом желательно знать изменения температуры стенки, а не воздуха, эти термометры стенки были установлены для этой специальной цели. По конструкции они не отличаются от термометров, используемых в воздухе, но вместо того, чтобы быть окруженными перфорированным металлом, они заключены в медные коробки, припаянные непосредственно к стенке. Пять таких термометров используются последовательно, и, хотя они постоянно прикреплены к стенке, они расположены относительно в том же положении, что и воздушные термометры. Две клеммы проведены через металлические стенки к пульту наблюдателя, где измеряются изменения сопротивления. Сопротивление пяти термометров составляет около 20 Ом.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕКТАЛЬНЫЙ ТЕРМОМЕТР.

Термометр сопротивления, используемый для измерения температуры тела человека, относится к несколько иному типу, так как необходимо намотать катушку в компактной форме, заключить ее в трубку из чистого серебра и соединить с подходящими соединениями в резиновой изоляции, чтобы ее можно было глубоко ввести в прямую кишку. Аппарат был описан в ряде публикаций. [9] Сопротивление этой системы также составляет около 20 Ом, что упрощает использование аппарата, уже установленного на пульте наблюдателя.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЛЯ ПОТОКА ВОДЫ.

Измерение разности температур потока воды с помощью электрического термометра сопротивления было опробовано несколько лет назад Розой [10], но результаты не всегда были удовлетворительными, и во всех последующих экспериментах термометр сопротивления не мог использоваться с успехом. В последнее время были составлены планы по включению некоторых результатов быстро накапливающегося опыта использования термометров сопротивления, и, следовательно, д-ром Э. Ф. Нортрупом из компании Leeds & Northrup Company из Филадельфии был разработан электрический термометр сопротивления, отвечающий условиям экспериментирования с респирационным калориметром. Условия, которые должны были быть соблюдены, заключались в том, что термометры должны быстро воспринимать температуру входящей и выходящей воды, а колебания разности температур, измеряемые термометрами сопротивления, должны контролироваться для целей калибровки разностями температур ртутных термометров.

Fig. 16.—Details of resistance thermometers for water-circuit. Upper part of figure shows a sketch of the outside of the hard-rubber case. In lower part is a section showing interior construction. Flattened lead tube wound about central brass tube contains the resistance wire. A is enlarged part of the case forming a chamber for the mercury bulb. Arrows indicate direction of flow on resistance thermometer for ingoing water.

Для термометра сопротивления д-р Нортруп использовал вместо меди проволоку из чистого никеля, которая имеет гораздо более высокое сопротивление и, таким образом, позволяет заключить гораздо большее общее сопротивление в заданном пространстве. Изолированная никелевая проволока намотана в виде сплющенной спирали, а затем пропущена через тонкую свинцовую трубку, несколько сплющенную. Эта свинцовая трубка затем наматывается вокруг центрального сердечника, а сплющенные части прикрепляются под таким углом, что вода, проходящая через трубки, имеет тенденцию направляться от центра к внешней стенке, тем самым обеспечивая перемешивание воды. Оставлено место для вставки ртутного термометра. В термометре для входящей воды оказалось необходимым несколько удлинить резервуар за пределы катушки сопротивления, чтобы вода могла быть тщательно перемешана перед достижением резервуара и тем самым обеспечить стабильную температуру. Таким образом, оказалось необходимым несколько увеличить камеру A (рис. 16) и трубку, выходящую из термометра, чтобы сам резервуар термометра можно было поместить почти непосредственно у отверстия выходной трубки. В этих условиях было получено идеальное перемешивание воды и постоянство температуры.

В случае термометра, измеряющего выходящую воду, трудность была не столь велика, так как выходящая вода несколько ближе к температуре камеры, и вода при выходе из термометра проходит сначала над ртутным термометром, а затем над термометром сопротивления. С помощью длинной серии испытаний удалось настроить эти термометры сопротивления так, что изменения сопротивления были прямо пропорциональны изменениям температуры, отмеченным на ртутных термометрах. Очевидно, что эти разности сопротивлений двух термометров можно измерять непосредственно с помощью мостика Уитстона, но, что более удовлетворительно, они измеряются и записываются непосредственно на специальном типе автоматического самописца, описанном далее.

ПУЛЬТ НАБЛЮДАТЕЛЯ.

Измерения температуры респирационной камеры, потока воды и температуры тела человека, а также нагрев и охлаждение воздушных пространств вокруг калориметра — все это находится под контролем физического ассистента. Аппаратура для этого температурного контроля и измерений собрана компактно на столе, так называемом «пульте наблюдателя». За ним физический ассистент сидит на протяжении всего эксперимента. Для удобства наблюдения за ртутными термометрами в потоке воды и общего осмотра всего аппарата этот стол размещен на возвышенной платформе, показанной на рис. 3. Прямо перед столом с потолка подвешен гальванометр, а от пульта наблюдателя к самому гальванометру тянется черный капюшон. На самом пульте наблюдателя находятся все электрические соединения, а слева — ртутные термометры для кресельного калориметра. Раньше, когда использовался метод попеременного охлаждения и нагрева воздушных пространств, наблюдатель мог открывать и закрывать водяные клапаны, не вставая с кресла.

Пульт наблюдателя электрически устроен так, чтобы сделать возможным температурный контроль и измерение любого из двух калориметров. Однако наблюдатель не может считывать показания ртутных термометров в кроватном калориметре, не вставая с кресла, и точно так же он должен время от времени изменять охлаждающую воду, протекающую через внешние воздушные пространства, подходя к самому кроватному калориметру. Установка электрических термометров сопротивления, подключенных к температурному самописцу, избавляет от необходимости считывать показания ртутных термометров, за исключением целей сравнения, и поэтому ассистенту не нужно вставать с кресла у пульта наблюдателя, когда используется кроватный калориметр. Точно так же замена метода непрерывного охлаждения воздушных пространств и подогрева электричеством, упомянутого на стр. 18, избавляет от необходимости попеременно открывать и закрывать водяные клапаны кресельного калориметра, расположенного слева от пульта наблюдателя.

Fig. 17.—Diagram of wiring of observer's table. W1, W2, Wheatstone bridges for resistance thermometers; K1, K2, double contact keys for controlling Wheatstone circuits; S1, S2, S3, double-pole double-throw switches for changing from chair to bed calorimeter; S4, double-pole double-throw switch for changing from wall to air thermometers; G, galvanometer; R2, rheostat. 1, 2, 3, 4, 5, wires connecting with resistance-coils A B D E F and a b d e f; S2, 6-point switch for connecting thermal-junction circuits of either bed or chair calorimeter with galvanometer; S10, 10-point double-throw switch for changing heating circuits and thermal-junction circuits to either chair or bed calorimeter; R1, rheostat for controlling electric heaters in ingoing water in calorimeters; S8, double-pole single-throw switch for connecting 110-v. current with connections on table; S9, double-pole single-throw switch for connecting R1 with bed calorimeter.

Особый интерес представляют электрические соединения на самом пульте наблюдателя. Схематическое изображение пульта наблюдателя с его соединениями показано на рис. 17. Жирный черный контур дает в общем виде очертания самого стола и, таким образом, показывает схематическое распределение частей. Первым из электрических измерений, необходимых во время экспериментов, является измерение термоэлектрического эффекта систем термопар, установленных на калориметрах. Чтобы помочь определить, какие части цинковой стенки нуждаются в охлаждении или нагреве, системы термопар, как уже было описано, разделены на четыре секции в кресельном калориметре и три секции в кроватном калориметре; в первом калориметре — верх, перед, зад и низ; в кроватном калориметре — верх, бока и низ.

СОЕДИНЕНИЯ С СИСТЕМАМИ ТЕРМОПАР.

Поскольку до сих пор считалось нецелесообразным пытаться использовать оба калориметра одновременно, электрические соединения выполнены таким образом, что с помощью электрических переключателей любой калориметр можно подключить к аппаратуре на столе.

Измерения термопар производятся полукруглым переключателем S7. Различные точки i, ii, iii, iv и т. д. соединены с различными системами термопар. Таким образом, следуя схеме соединений, можно увидеть, что соединения с i идут к различным клеммам переключателя S10, который, по сути, расположен под столом. Этот переключатель S10 имеет три ряда клемм. Центральный ряд соединяется непосредственно с аппаратурой на пульте наблюдателя, внешние ряды соединяются либо с кресельным калориметром, либо с кроватным калориметром. Точки, отмеченные a, b, d, e, f и т. д., соединяются с кроватным калориметром, а A, B, D и т. д. соединяются с кресельным калориметром. Таким образом, соединив точки g и i с двумя клеммами напротив них на переключателе S10, можно увидеть, что это соединение ведет непосредственно к точке i на переключателе S7, и, по сути, это дает прямое соединение с гальванометром через ключ на S7, тем самым соединяя систему термопар на одной секции кроватного калориметра между g и i непосредственно с гальванометром. Аналогичные соединения от других точек можно легко проследить по схеме. Точки на переключателе S7, обозначенные i, ii, iii, iv, соответствуют соответственно системам термопар на верху, задней части, передней части и дне кресельного калориметра.

Следуя схеме соединений точки v, можно увидеть, что она будет включать соединения с термопарами, соединенными последовательно, и, таким образом, даст общую сумму электродвижущих сил в термопарах. Точка vi соединена с системой термопар в воздушной системе, указывая разность температур между входящим и выходящим воздухом. Следует отметить, что в кресельном калориметре четыре секции, в то время как в кроватном калориметре их всего три, и поэтому установлен специальный переключатель S3 для обеспечения надлежащих соединений, когда используется кроватный калориметр.

Эта система соединения термопар в различных секциях с гальванометром делает возможным более точный контроль температуры в различных частях, и хотя алгебраическая сумма разностей температур частей может быть равна нулю, можно представить состояние в калориметре, когда значительное количество тепла выходит через верх, например, компенсируемое в точности теплом, которое входит через низ, и хотя с верхней секцией на гальванометре было бы большое положительное отклонение, указывающее на то, что воздух вокруг цинковой стенки был слишком холодным и что тепло выходило, на нижней секции было бы соответствующее отрицательное отклонение, указывающее на обратные условия. Эти два могут в точности уравновешивать друг друга, но оказалось целесообразным рассматривать каждую секцию как единицу саму по себе и пытаться осуществлять тонкий температурный контроль каждой отдельной единицы. Это стало возможным благодаря электрическим соединениям, как показано на схеме.

РЕОСТАТ ДЛЯ НАГРЕВА.

Реостат для нагрева воздушных пространств и возвращающегося воздушного потока вокруг цинковой стенки расположен на пульте наблюдателя и обозначен на схеме как R2. Имеется пять различных наборов контактных точек, отмеченных 1, 2, 3, 4 и 5. Один конец реостата соединен непосредственно со 110-вольтовой цепью через главный выключатель S5. Другая сторона выключателя S5 соединяется непосредственно с точкой в середине переключателя S10, и когда эта средняя точка соединяется с f или F, обеспечивается прямое соединение между всеми различными нагревательными контурами используемого калориметра. Различные пронумерованные точки на реостате R2 соединены с клеммами на S10, и каждая может по очереди соединяться с a или A, b или B и т. д. Нагрев верха кресельного калориметра контролируется точкой 5 на реостате R2, задней части — точкой 4, передней части — точкой 3, а дна — точкой 2. Точка 1 используется для нагрева воздуха, поступающего в калориметр, с помощью электрической лампы, помещенной в воздушную трубу, как показано на рис. 25.

Подогрев электрического подогревателя, помещенного в водяной контур непосредственно перед входом воды в калориметр, осуществляется электрическим током, контролируемым сопротивлением R1. Этот R1 одним концом соединен непосредственно со 110-вольтовой цепью, и ток, выходящий из него, проходит через сопротивление внутри нагревателя в потоке воды. Два нагревателя, по одному для каждого калориметра, обозначены на схеме выше и ниже переключателя S9. Расположение переключателей таково, что позволяет попеременно использовать подогреватели либо на кроватном, либо на кресельном калориметре, и основного сопротивления R1 достаточно для обоих.

МОСТИКИ УИТСТОНА.

Для измерения температуры воздуха и медной стенки калориметров, а также ректальной температуры испытуемого используется серия термометров сопротивления. Они соединены на пульте наблюдателя таким образом, что могут быть подключены к двум мостикам Уитстона, W1 и W2. Мостик W1 используется для термометров сопротивления, указывающих температуру стенки и воздуха. Мостик W2 предназначен для ректального термометра. Поскольку аналогичные термометры вставлены в оба калориметра, необходимо ввести переключатель для подключения любого комплекта по желанию, и поэтому двухпозиционные переключатели S1, S2 и S3 позволяют по желанию использовать термометр стенки, воздуха или ректальный термометр на кроватном или кресельном калориметре. Поскольку мостик W1 используется для измерения температуры как стенки, так и воздуха, четвертый двухполюсный переключатель S4 используется для попеременного подключения термометров воздуха и стенки. Двухконтактный ключ K1 соединен с мостиком W1 и устроен так, что сначала замыкается цепь батареи, а затем цепь гальванометра. Аналогичное устройство в K2 контролирует соединения для мостика W2.

ГАЛЬВАНОМЕТР.

Гальванометр относится к типу Депре-д'Арсонваля и чрезвычайно чувствителен. Чувствительность настолько велика, что желательно ввести сопротивление около 500 Ом в цепи термопар. Это указано в верхней части схемы рядом с гальванометром. Максимальная чувствительность гальванометра сохраняется при подключении к мостикам Уитстона. Гальванометр подвешен к потолку лаборатории калориметрии и свободен от вибраций.

СОПРОТИВЛЕНИЕ ДЛЯ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ КАТУШЕК.

Для изменения тока, проходящего через манганиновые нагревательные катушки в воздушных пространствах рядом с цинковой стенкой, установлена серия сопротивлений, соединенных непосредственно с реостатом R2 на рис. 17. Детали этих сопротивлений и их соединение с реостатом показаны на рис. 18. Реостат, который находится в правой части рисунка, имеет пять ползунковых контактов, каждый из которых может быть соединен с десятью различными точками. Один конец реостата соединен непосредственно со 110-вольтовой цепью. Под пультом наблюдателя закреплены пять сопротивлений, которые состоят из четырех ламп, каждая из которых имеет сопротивление приблизительно 200 Ом, а затем серии катушек сопротивления, намотанных на длинную полосу асбестового картона, причем каждая секция имеет приблизительно 15 Ом между клеммами. В каждую цепь вставлен плавкий предохранитель для защиты камеры от чрезмерного тока. Из этих сопротивлений № 1 используется для нагрева лампы в воздушном потоке, показанной на рис. 25, и, следовательно, было признано целесообразным постоянно помещать вторую лампу последовательно с первой, но вне воздушной трубы, чтобы избежать перегорания лампы внутри воздушной трубы. Остальные четыре сопротивления, 2, 3, 4 и 5, соединены с различными секциями на двух калориметрах. № 5 соответствует верху обоих калориметров. № 4 соответствует задней секции кресельного калориметра и бокам кроватного калориметра. № 3 соответствует передней части кресельного калориметра и не имеет связи с кроватным калориметром. № 2 соединяется с дном обоих калориметров.

Из диаграмм видно, что каждое из этих сопротивлений может быть по желанию соединено либо с кроватным, либо с кресельным калориметром и в таких точках, которые указаны буквами под номерами. Таким образом, секция 1 может быть соединена либо с точкой A, либо с точкой a на рис. 17 и тем самым непосредственно контролировать количество тока, проходящего через соответствующее сопротивление последовательно с лампой в воздушном потоке. Используемые в настоящее время ползунковые контакты плохо приспособлены для длительного использования и поэтому вскоре будут заменены более прочным инструментом. Форма сопротивления с использованием небольших ламп и проводов сопротивления, намотанных на асбестовый картон, оказалась очень удовлетворительной и очень компактной по форме.

Fig. 18.—Diagram of rheostat and resistances in series with it. At the right are shown the sliding contacts, and in the center places for lamps used as resistances, and to left the sections of wire resistances.

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ САМОПИСЕЦ.

Многочисленные электрические, термометрические и химические измерения, необходимые при полном проведении эксперимента с респирационным калориметром, часто поднимали вопрос о желательности сделать хотя бы часть этих наблюдений более или менее автоматическими. Это кажется особенно осуществимым при наблюдениях, обычно записываемых физическим наблюдателем. Эти наблюдения состоят из считывания показаний ртутных термометров, указывающих температуру входящей и выходящей воды, записей с помощью электрических термометров сопротивления температуры воздуха, стенок и температуры тела, а также отклонений термоэлектрических элементов.

Было предложено множество планов по автоматизации некоторых из этих наблюдений, а также контроля нагрева и охлаждения воздушных контуров. Очевидно, что такая запись температурных измерений имела бы два явных преимущества: (1) предоставление точной графической записи, которая была бы постоянной и в которой было бы исключено влияние личностного фактора; (2) хотя у физического наблюдателя в настоящее время гораздо меньше работы, чем с более ранней формой аппарата, это существенно облегчило бы его труд и тем самым способствовало бы минимизации ошибок в других наблюдениях.

Развитие нитевидного самописца и аппаратуры для фотографической регистрации в последние годы привело к убеждению, что мы могли бы использовать аналогичную аппаратуру в связи с нашими исследованиями в этой лаборатории. С этой целью был приобретен ряд точных электрических измерительных приборов, и после ряда испытаний было сочтено возможным автоматически записывать разность температур входящей и выходящей воды из калориметра. Основываясь на наших предварительных испытаниях, компания Leeds & Northrup Company из Филадельфии, чей опыт в таких задачах очень обширен, получила заказ на создание аппарата, отвечающего требованиям респирационного калориметра. Условия, которые должны были быть соблюдены этим аппаратом, требовали регистрирующего самописца, который указывал бы разность температур между входящей и выходящей водой с точностью до 0,5 процента и записывал бы эти разности постоянной чернильной линией на координатной бумаге. Кроме того, аппарат должен быть установлен в фиксированном положении в лаборатории, а соединения должны быть такими, чтобы сделать его взаимозаменяемым с любым из пяти калориметров.

После большого количества предварительных экспериментов, в которых компания Leeds & Northrup Company очень щедро интерпретировала наши спецификации, они предоставили нам аппарат, который в высокой степени удовлетворяет предъявленным условиям. Сами термометры уже обсуждались. (См. стр. 30.) Регистрирующая аппаратура состоит из трех частей: (1) гальванометра; (2) ползунка или автоматического скользящего контакта; (3) часового механизма для движения рулона координатной бумаги вперед и для контроля периодического движения ползунка.

При обычных условиях в экспериментах в состоянии покоя в кресельном или кроватном калориметре разность температур составляет около 2°–4°. Таким образом, видно, что если аппарат должен соответствовать условиям спецификаций, он должен измерять разности от 2° C с точностью до 0,01° C. Также была предусмотрена возможность расширения измерения разности температур с помощью аппарата, чтобы можно было измерять разность в 8° с той же процентной точностью.

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЙ ПРИНЦИП РАБОТЫ АППАРАТА.

Работа аппарата фундаментально основана на идеальной балансировке двух плеч дифференциальной электрической цепи. На рис. 19 представлена принципиальная схема соединений. Две катушки гальванометра, fl и fr, намотаны дифференциально, и обе катушки тщательно сбалансированы таким образом, чтобы их обмотки имели одинаковые температурные коэффициенты. Это достигается путем включения небольшого шунта y параллельно катушке fl, благодаря чему температурные коэффициенты fl и fr становятся абсолютно равными. Два термометра, обозначенные как T1 и T2, установлены соответственно на входе и выходе воды. Реохорд обозначен буквой J, а r — это сопротивление для установки нуля. Ba, Z и Z1 — это батарея и ее переменные добавочные сопротивления. Если T1 и T2 имеют точно одинаковую температуру, т. е. если разность температур входящей и выходящей воды равна нулю, подвижный контакт q находится в положении 0 на реохорде, и, таким образом, сопротивление системы от 0 через fl, r и T1 обратно к точке C в точности равно сопротивлению реохорда J плюс катушка fr плюс T2 обратно к точке C. Повышение температуры T2 вызывает увеличение сопротивления в цепи, и подвижный контакт q перемещается вдоль реохорда в сторону максимума J до тех пор, пока не будет достигнут баланс.

Fig. 19.—Diagram of wiring of differential circuit with its various shunts, used in connection with resistance thermometers on water-circuit of bed calorimeter.

Предусмотрена возможность автоматического перемещения контакта q электрическим способом, благодаря чему полный баланс двух дифференциальных цепей поддерживается постоянным от секунды к секунде. При перемещении контакт q тянет за собой пишущее перо, которое движется по прямой линии над равномерно перемещающейся лентой координатной бумаги, создавая тем самым постоянно записываемую кривую, отражающую разность температур. Реохорд J откалиброван таким образом, что любые неравенства в температурных коэффициентах проводов термометров компенсируются, а также так, чтобы любая единица длины реохорда в любой точке температурной шкалы соответствовала сопротивлению, равному изменению сопротивления термометра при данном изменении температуры. Учитывая меняющиеся условия, с которыми приходится сталкиваться при работе с этим аппаратом, необходимо время от времени задавать различные значения для J и r. Это требует использования шунтов, и диапазон записи прибора можно легко изменять простым шунтированием, т. е. путем изменения значения сопротивления J и r, при условии, что эти сопротивления в нешунтированном состоянии имеют значение, перекрывающее самые высокие из возможных температурных колебаний.

На рис. 19 показана полная дифференциальная цепь со всеми ее шунтами. S — фиксированный шунт для получения диапазона на J; S' — переменный шунт, позволяющий вносить очень небольшие изменения в J в пределах диапазона для коррекции ошибок, вызванных изменением начальных температур термометров; y — постоянный шунт катушки гальванометра fl для обеспечения абсолютного равенства температурных коэффициентов fl и fr; Z — переменное сопротивление в цепи батареи для поддержания постоянства тока; r — постоянное сопротивление для фиксации нуля на различных диапазонах; S'' плюс S1 образуют переменный шунт, позволяющий вносить небольшие изменения в r для окончательной настройки нуля после фиксации S', а t — постоянный шунт термометра T1 для обеспечения равенства температурного коэффициента T1 коэффициенту T2.

Аппарат может использоваться для измерения разности температур от 0° до 4° или от 0° до 8°. При работе в диапазоне от 0° до 8° шунт S разомкнут и используется только шунт S'. Значение S в этом случае определяется заранее таким образом, чтобы влиять на значение реохорда J и тем самым уменьшать вдвое его влияние на поддержание баланса. Аналогичным образом, при использовании нижнего диапазона, т. е. от 0° до 4°, применяется сопротивление r, а при использовании верхнего диапазона для r должно быть задано другое значение с помощью штекерного магазина сопротивлений, при использовании которого сопротивление r удваивается.

Сопротивления S'' и S1 объединены в магазине сопротивлений с реохордом и используются для изменения параметров всего аппарата при заметных изменениях положения термометрической шкалы. Таким образом, если в одном случае входящая вода имеет температуру 2° C, а выходящая — 5° C, а в другом случае входящая вода имеет температуру 13°, а выходящая — 15°, необходимо небольшое изменение значения S1, а также S', чтобы аппарат вычерчивал кривую, точно отражающую разность температур. Эти небольшие изменения определяются заранее путем тщательных испытаний, и точные значения сопротивлений в S' и S1 постоянно записываются для последующего использования.

ГАЛЬВАНОМЕТР.

Гальванометр относится к типу Депре-д'Арсонваля и имеет особенно мощное магнитное поле, в котором подвешена двойная катушка, подобно катушкам морского гальванометра. Эта катушка защищена от вибраций антивибрационной трубкой A (рис. 20) и несет указатель P, который служит для выбора направления движения записывающего аппарата, подвижного контактного элемента q (рис. 19). Перед этой катушкой гальванометра, внутри того же герметичного металлического корпуса, находится плунжерный контакт Pl (рис. 21). Указатель P гальванометра свободно качается под серебряными контактами S1 и S2, едва не задевая изолятор i из слоновой кости. Магнитный плунжер замыкает контакт в зависимости от настройки часов с интервалом в 2 секунды. До тех пор, пока на обе катушки гальванометра воздействует ток абсолютно одинаковой силы, указатель будет находиться на одной линии с i и непосредственно под ним, и ток через записывающий аппарат не проходит. Любое нарушение электрического равновесия заставляет указатель P отклоняться либо к S1, либо к S2, тем самым замыкая цепь справа или слева с интервалом в 2 секунды. Отклонение указателя от его нормального положения точно под i к S1 слева или к S2 справа является результатом неравенства токов, протекающих через две катушки гальванометра. Разница в двух токах, проходящих через эти катушки, вызвана изменением температуры двух термометров в водяном контуре.

Fig. 20.—Diagram of galvanometer coil used in connection with recording apparatus for resistance thermometers in the water-circuit of bed calorimeter. A, anti-vibration tube; P, pointer.

ПОЛЗУНКОВЫЙ МЕХАНИЗМ.

Перемещение подвижного контакта q (рис. 19) вдоль реохорда J осуществляется с помощью специального устройства, называемого ползунковым механизмом, состоящего из латунной детали, тщательно подогнанной к стальному резьбовому стержню длиной около 30 сантиметров. Движение этой планки вдоль резьбового стержня выполняет две функции: планка находится в контакте с реохордом J и, следовательно, изменяет положение точки q, а также несет на себе пишущее перо. Движения этой планки вправо или влево осуществляются вспомогательным электрическим током, контакт которого замыкается плунжерной пластиной, прижимающей указатель P к S1 или S2. P замыкает контакт между Pl и S1 или S2 и посылает ток через соленоиды справа или слева от ползункового механизма. С интервалом в 2 секунды плунжер поднимается и прижимает указатель P к S1, i или S2 выше. Движение этого плунжера управляется током от цепи 110 вольт, соединения которой показаны на рис. 22. Если контакт замыкается в точке T, ток проходит через 2600 Ом непосредственно через цепь 110 вольт, и, следовательно, эффективный ток через плунжер Pl не протекает. Когда контакт T разомкнут, ток течет через плунжер последовательно с сопротивлением 2600 Ом. T автоматически размыкается часовым механизмом с интервалом в 2 секунды.

Fig. 21.—Diagram of wiring of circuits actuating plunger and creeper.

Fig. 22.—Diagram of wiring of complete 110-volt circuit.

Движение контактного рычага вдоль резьбового стержня осуществляется действием одного из двух соленоидов, каждый из которых имеет сердечник, прикрепленный к зубчатой рейке с шестерней на каждом конце стержня. Если ток проходит через контакт S1, ток проходит через левый соленоид, сердечник опускается, рейка на сердечнике поворачивает шестерню на стержне на определенную долю полного оборота, и это движение перемещает ползунковый механизм в одном направлении. И наоборот, прохождение тока через соленоид на другом конце резьбового стержня перемещает ползунковый механизм в другом направлении. Расстояние, на которое перемещается железная рейка на конце сердечника, тщательно определено, так что резьбовой стержень поворачивается при каждом контакте ровно на одну и ту же долю оборота. Для приведения в действие этих соленоидов снова используется цепь 110 вольт. Проводные соединения частично показаны на рис. 21, где видно, что ток проходит через плунжерный контакт и через указатель P к серебряной пластине S1, а затем вдоль линии G1 через 350 Ом, намотанных на левый соленоид, обратно через сопротивление 600 Ом к главной линии. Использование тока 110 вольт в таких обстоятельствах обычно вызывало бы заметное искрение на указателе P, и для сведения этого к минимуму между главной линией и соединениями ползункового механизма включено высокое сопротивление, составляющее 10 000 Ом с каждой стороны. Этот шунт показан на схеме на рис. 22. Таким образом, цепь никогда не размыкается полностью, и искрение предотвращается.

ЧАСОВОЙ МЕХАНИЗМ.

Часы требуют завода каждую неделю и снабжены передаточным механизмом для перемещения бумаги вперед со скоростью 3 дюйма в час. Контактная точка для размыкания цепи T на рис. 22 также соединена с одним из малых колес часов. Этот контакт осуществляется путем срабатывания небольшого рычага с помощью зубчатого колеса из фосфористой бронзы.

УСТАНОВКА АППАРАТА.

Fig. 23

Temperature recorder. The recorder with the coordinate paper in the lower box with a glass door. A curve representing the temperature difference between the ingoing and outgoing water is directly drawn on the coordinate paper. Above are three resistance boxes, and the switches for electrical connections are at the right. On the top shelf is the galvanometer, and immediately beneath, the plug resistance box for altering the value of certain shunts.

Fig. 24.—Detailed wiring diagram showing all parts of recording apparatus, together with wiring to thermometers complete, including all previous figures.

Весь аппарат постоянно и основательно установлен на северной стене лаборатории калориметрии. Фотография, показывающая различные части и их установку, приведена на рис. 23. На верхней полке виден гальванометр, а на нижней — самописец со стеклянной дверцей спереди, из которого координатная бумага опускается в ящик внизу. Четко видна кривая, начерченная на координатной бумаге. Над самописцем расположены магазины сопротивлений, в количестве трех штук: нижний слева — это сопротивление S1, верхний слева — сопротивление S', а верхний справа — сопротивление Z1. Непосредственно над магазином сопротивлений Z1 показан штекерный магазин сопротивлений, который управляет, с одной стороны, сопротивлением r, а с другой — сопротивлением S, оба из которых существенно изменяются при переключении аппарата с регистрации по шкале от 0° до 4° на шкалу от 0° до 8°. Подробная схема соединений приведена на рис. 24.

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОНТРОЛЬ ВХОДЯЩЕГО ВОЗДУХА.

Fig. 25.—Section of calorimeter walls and part of ventilating air-circuit, showing part of pipes for ingoing air and outgoing air. On the ingoing air-pipe at the right is the lamp for heating the ingoing air. Just above it, H is the quick-throw valve for shutting off the tension equalizer IJ. I is the copper portion of the tension equalizer, while J is the rubber diaphragm; K, the pet-cock for admitting oxygen; F, E, G, the lead pipe conducting the cold water for the ingoing air; and C, the hair-felt insulation. N, N are brass ferules soldered into the copper and zinc walls through which air-pipes pass; M, a rubber stopper for insulating the air-pipe from the calorimeter; O, the thermal junctions for indicating differences of temperature of ingoing and outgoing air and U, the connection to the outside; QQ, exits for the air-pipes from the box in which thermal junctions are placed; P, the dividing plate separating the ingoing and outgoing air; R, the section of piping conducting the air inside the calorimeter; S, a section of piping through which the air passes from the calorimeter; A, a section of the copper wall; Y, a bolt fastening the copper wall to the 2-1/2 inch angle W; B, a portion of zinc wall; C, hair-felt lining of asbestos wall D; T-J, a thermal junction in the walls.

При пропускании потока воздуха через калориметр температурные условия могут легко сложиться так, что входящий воздух будет теплее выходящего, и в этом случае тепло будет передаваться калориметру, или же могут возникнуть обратные условия, и тогда тепло будет отводиться. Чтобы избежать этой трудности, предусмотрены приспособления для произвольного контроля температуры воздуха при его входе в калориметр. Этот температурный контроль основан на том, что выходящий из камеры воздух проходит над концами ряда термопар, показанных как O на рис. 25. Эти термопары имеют один вывод в выходящем воздухе, а другой — во входящем, и, следовательно, любая разница в температуре двух воздушных потоков мгновенно обнаруживается при подключении цепи к гальванометру. Раньше температурный контроль был переменным, предусматривающим либо охлаждение, либо нагрев входящего воздуха в зависимости от ситуации. Нагрев осуществлялся путем пропускания тока через электрическую лампу, помещенную в крестовину непосредственно под компенсатором давления J. Охлаждение осуществлялось с помощью потока воды через свинцовую трубку E, плотно обернутую вокруг воздушной трубки, при этом вода входила в точке F и выходила в точке G. Эта свинцовая трубка изолирована покрытием из волосяного войлока C. В последнее время мы приняли процедуру пропускания непрерывного потока воды, обычно с очень низкой скоростью, через свинцовую трубку E и постоянного некоторого подогрева воздуха с помощью лампы, при этом точный температурный контроль достигается путем изменения нагревательного эффекта самой лампы. Это оказалось гораздо более удовлетворительным, чем чередование системы охлаждения с системой нагрева. Однако в случае с воздушным потоком нет необходимости в капельном питающем клапане, используемом для контроля стенки, как показано на рис. 13.

СКРЫТАЯ ТЕПЛОТА ИСПАРЕНИЯ ВОДЫ.

Во время экспериментов с участием человека не все тепло покидает тело путем излучения и теплопроводности, так как часть его требуется для испарения воды с кожи и из легких. Поэтому точное измерение теплопродукции человека требует знания количества тепла, затраченного на это испарение. Одной из больших трудностей в многочисленных типах калориметров, использовавшихся до сих пор для исследований на человеке, является то, что измерялась только та часть тепла, которая передавалась прямой радиацией или теплопроводностью, а трудности, связанные с определением испаренной воды, соответствующим образом искажали оценки теплопродукции. К счастью, с помощью этого аппарата определения воды очень точны, и, поскольку количество воды, испаренной внутри камеры, известно, можно вычислить тепло, необходимое для испарения этой воды, зная скрытую теплоту испарения воды.

С момента написания ранних отчетов, описывающих первую форму калориметров, появилось исследование одного из наших бывших сотрудников, доктора А. У. Смита [11], который, осознавая важность точного знания скрытой теплоты испарения воды при 20°, сделал это специальным объектом исследования. Во время его работы в нашей лаборатории докторами Смитом и Бенедиктом был проведен ряд экспериментов с целью прямого определения скрытой теплоты испарения воды в большом калориметре; но из-за нехватки времени и большого объема другой экспериментальной работы завершить исследование не удалось. Впоследствии доктор Смит провел эксперименты с точностью физических измерений и предоставил нам очень ценную серию наблюдений.

Используя метод выражения скрытой теплоты испарения в электрических единицах, Смит приходит к выводу, что скрытая теплота испарения воды в диапазоне от 14° до 40° задается формулой

L (в джоулях) = 2502,5 - 2,43T

и утверждает, что «вероятная ошибка» значений, вычисленных по этой формуле, составляет 0,5 джоуля. Результаты выражены в международных джоулях, то есть в терминах международного ома и 1,43400 для ЭДС элемента Кларка при 15° C, и, предполагая, что средняя калория эквивалентна 4,1877 международных джоулей [12], формула принимает вид

L (в средних калориях) = 597,44 - 0,580T

С помощью этой формулы Смит рассчитывает, что при 15° скрытая теплота испарения воды равна 588,73 калории; при 20° — 585,84 калории; при 25° — 582,93 калории; при 30° — 580,04 калории [13]; и при 35° — 577,12 калории. Во всех расчетах в представленных здесь исследованиях мы использовали значение, найденное Смитом, равное 586 калориям при 20°. Поскольку все наши записи ведутся в килокалориях, мы умножаем вес воды на коэффициент 0,586 для получения скрытой теплоты испарения.

КАЛОРИМЕТР С КРОВАТЬЮ.

Калориметр со стулом был разработан для экспериментов продолжительностью не более 6–8 часов, так как человек не может комфортно оставаться в сидячем положении в кресле гораздо дольше этого времени. Для более длительных экспериментов (экспериментов в ночное время и, в частности, для прикованных к постели пациентов) был разработан тип калориметра, позволяющий поместить внутрь кушетку или кровать. Этот калориметр был построен, испытан и использован в ряде экспериментов с мужчинами и женщинами. Общая форма камеры представлена на рис. 26. Здесь применены принципы, заложенные в конструкцию калориметра со стулом, а именно: использование каркаса из конструкционной стали, внутренней герметичной медной облицовки, внешней цинковой стенки, изоляции из волосяного войлока и внешних асбестовых панелей. Внутри камеры подвешена система поглощения тепла, а в нескольких точках установлены воздушные термометры и термометры для медной стенки. Пищевой шлюз того же общего типа, а мебель здесь состоит просто из раздвижной рамы, на которую помещен надувной матрас. Отверстие находится в передней части калориметра и закрывается двумя листами листового стекла, каждый из которых хорошо загерметизирован воском после того, как испытуемый помещен внутрь камеры. Трубки, проходящие через стенку напротив пищевого шлюза, используются для ввода электрических соединений, входящей и выходящей воды, воздушных трубок, а также соединений для стетоскопа, пневмографа и телефона.