Респирационные калориметры для изучения дыхательного газообмена и энергетических превращений у человека

АВТОРЫ:

ФРЭНСИС Г. БЕНЕДИКТ и ТОРН М. КАРПЕНТЕР

ВАШИНГТОН, округ Колумбия. Опубликовано Институтом Карнеги в Вашингтоне, 1910 г. ИНСТИТУТ КАРНЕГИ В ВАШИНГТОНЕ. Публикация № 123. The Lord Baltimore Press, БАЛТИМОР, Мэриленд, США.

ПРЕДИСЛОВИЕ.

Непосредственная разработка и создание подходящего аппарата для изучения сложных процессов метаболизма у человека, очевидно, были первой задачей при оснащении Лаборатории питания. Поскольку с помощью этих респирационных калориметров уже был проведен ряд серий экспериментов, представляется целесообразным опубликовать описание аппаратуры в том виде, в котором она используется в настоящее время. Тем не менее, в конструкцию аппарата часто вносятся новые элементы по мере того, как выявляются возможности для повышения точности или облегчения работы с ним.

Мы хотели бы выразить нашу признательность следующим сотрудникам: г-ну У. Э. Коллинзу, механику Лаборатории питания, который сконструировал каркас из конструкционной стали и внес вклад во многие механические элементы аппарата в целом; г-ну Дж. А. Ричи, ранее участвовавшему в исследованиях питания в химической лаборатории Уэслианского университета, который применил свой предыдущий опыт при создании и установке наиболее чувствительных нагревательных и охлаждающих устройств. Другие лица, помогавшие в кропотливой работе по созданию, тестированию и проведению экспериментов с аппаратом: г-да У. Х. Лесли, Л. Э. Эммес, Ф. Л. Дорн, К. Ф. Кларк, Ф. А. Реншоу, Г. А. Стивенс-младший, мисс Г. Шерман и мисс А. Джонсон.

Многочисленные чертежи были выполнены г-ном Э. Х. Меткалфом, сотрудником нашего штата.

Бостон, Массачусетс, 10 августа 1909 г.

СОДЕРЖАНИЕ.

СТРАНИЦА Введение 1 Калориметрическая лаборатория 3 Общий план калориметрической лаборатории 3 Отопление и вентиляция 7 Калориметр 10 Фундаментальные принципы работы аппарата 10 Калориметрическая камера 11 Общая конструкция 14 Предотвращение излучения 17 Термоэлектрические элементы 19 Внутреннее устройство калориметра 20 Контур поглощения тепла 22 Термометры 26 Ртутные термометры 26 Термометры электрического сопротивления 28 Воздушные термометры 28 Настенные термометры 29 Электрический ректальный термометр 29 Термометры электрического сопротивления для водяного контура 29 Пульт наблюдателя 31 Соединения с системами термопар 33 Реостат для нагрева 34 Мосты Уитстона 34 Гальванометр 35 Сопротивление для нагревательных спиралей 35 Регистратор температуры 36 Фундаментальный принцип работы аппарата 38 Гальванометр 39 «Ползунок» 40 Часы 42 Установка аппарата 42 Контроль температуры входящего воздуха 43 Теплота испарения воды 44 Калориметр-кровать 45 Измерения температуры тела 48 Контрольные эксперименты с калориметром 50 Определение гидротермического эквивалента калориметра 52 Общее описание респирационного аппарата 54 Проверка камеры на герметичность 54 Вентиляция камеры 54 Отверстия в камере 55 Вентиляционный поток воздуха 57 Воздуходувка 57 Поглотители водяного пара 58 Емкости с поташной известью 60 Весы для взвешивания поглотителей 61 Очистка воздушного потока с помощью бикарбоната натрия 63 Клапаны 63 Соединительные муфты 64 Стол для поглотителей 65 Подача кислорода 67 Автоматический контроль подачи кислорода 69 Компенсатор давления 71 Барометр 72 Анализ остаточного воздуха 73 Газовый счетчик 75 Расчет результатов 76 Анализ кислорода 76 Преимущество помещения с постоянной температурой и контроля температуры 77 Колебания кажущегося объема воздуха 77 Изменения объема вследствие поглощения воды и диоксида углерода 78 Дыхательные потери 78 Расчет объема остаточного воздуха в камере 79 Анализ остаточных газов 80 Расчет на основе анализа остаточных газов 80 Влияние колебаний температуры и давления на кажущийся объем воздуха в системе 83 Влияние колебаний количества диоксида углерода и водяного пара на остаточный кислород 83 Контроль анализа остаточных газов 84 Азот, поступающий с кислородом 84 Выброс воздуха 85 Обмен воздуха в отверстии для подачи пищи 85 Использование данных холостого опыта в расчетах 86 Сокращенный метод вычисления кислорода, подаваемого в камеру для использования во время коротких экспериментов 88 Критика метода расчета объема кислорода 89 Расчет общего выделения диоксида углерода и водяного пара и поглощения кислорода 91 Контрольные эксперименты со сжиганием спирта 91 Весы для взвешивания испытуемого 93 Частота пульса и частота дыхания 95 Процедура эксперимента с человеком 96 Подготовка испытуемого 96 Герметизация крышки 97 Работа на пульте наблюдателя 97 Управление водяным счетчиком 98 Стол для поглотителей 99 Дополнительная аппаратура 100

ИЛЛЮСТРАЦИИ.

СТРАНИЦА Рис. 1. Общий план лаборатории респирационных калориметров 4 2. Общий вид лаборатории, снятый у главной двери 4 3. Общий вид лаборатории, снятый у холодильной камеры 4 4. Общий вид лаборатории, снятый у регистратора температуры 4 5. Вид лаборатории со стороны входа к калориметру-кровати 4 6. План отопления и вентиляции калориметрической лаборатории 6 7. Горизонтальное сечение калориметра-кресла 11 8. Вертикальное сечение калориметра-кресла 12 9. Вертикальное сечение калориметра-кресла спереди назад 13 10. Фотография каркаса калориметра-кресла 14 11. Фотография части каркаса и медной оболочки 14 12. Детальное сечение стенок калориметра 16 13. Деталь капельного регулирующего клапана и расположение внешнего контура охлаждения 18 14. Схематическая диаграмма водяного контура для теплопоглотителей калориметра 22 15. Деталь воздушного термометра сопротивления 28 16. Детали термометров сопротивления для водяного контура 30 17. Схема проводки пульта наблюдателя 32 18. Схема реостата и последовательно соединенных с ним сопротивлений 36 19. Схема проводки дифференциального контура с шунтами, используемыми с термометрами сопротивления для водяного контура 38 20. Схема катушки гальванометра, используемой с регистрирующим аппаратом для термометров сопротивления в водяном контуре 40 21. Схема проводки контуров, приводящих в действие плунжер и «ползунок» 41 22. Схема проводки полной цепи 110 вольт 41 23. Регистратор температуры 42 24. Подробная схема проводки, показывающая все части регистрирующего аппарата, вместе с проводкой к термометрам 42 25. Сечение стенок калориметра и часть вентиляционного воздушного контура 43 26. Поперечное сечение калориметра-кровати 46 27. Схема вентиляции респирационного калориметра 57 28. Поперечное сечение поглотителя серной кислоты 59 29. Весы для взвешивания поглотителей 62 30. Схема стола для поглотителей 66 31. Схема кислородных весов и баллонов 68 32. Кислородный баллон и соединения с компенсатором давления 70

РЕСПИРАЦИОННЫЕ КАЛОРИМЕТРЫ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ДЫХАТЕЛЬНОГО ГАЗООБМЕНА И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ У ЧЕЛОВЕКА.

ВВЕДЕНИЕ.

Создание в Бостоне центра по изучению питания человека со строительством специальной лаборатории для этой цели стало прямым результатом серии исследований, первоначально предпринятых в химической лаборатории Уэслианского университета в Мидлтауне, штат Коннектикут, покойным профессором У. О. Этуотером. Оценив выдающиеся результаты Петтенкофера и Фойта [1] и их сотрудников, он еще в 1892 году разработал планы строительства респирационного аппарата с калориметрическими функциями. Аппарат был спроектирован по общему плану вентиляции вышеупомянутых исследователей, однако в первом описании этого аппарата [2] видно, что метод, использованный для определения диоксида углерода и водяного пара, существенно отличался от метода Фойта. Каждый последующий год активных экспериментов приводил к новым разработкам, пока в 1902 году аппарат не был существенно модифицирован путем перехода от типа с открытым контуром к типу с замкнутым контуром Рено и Рейзе. Этот модифицированный аппарат был подробно описан в предыдущей публикации [3]. Калориметрические функции также претерпевали постепенные изменения, и, поскольку требовалась большая точность, стало очевидно, что проводить калориметрические исследования в подвале химической лаборатории нецелесообразно. При размещении четырех научных дисциплин в одном здании было практически невозможно выделить больше места для этих исследований. Кроме того, исследования продвинулись настолько, что стало желательным построить специальную лабораторию для проведения калориметрических и смежных исследований питания человека.

При проектировании этой лаборатории планировалось преодолеть трудности, возникшие в Мидлтауне в отношении контроля температуры и влажности в помещении, и, кроме того, хотя исследования до сих пор проводились одновременно с академическими обязанностями, представлялось абсолютно необходимым скорректировать график исследований так, чтобы экспериментаторы могли посвящать все свое время работе такого рода. Поскольку эти эксперименты часто длились от одного до десяти дней, их удовлетворительное проведение было несовместимо с напряженными академическими обязанностями.

По мере накопления данных по физиологии животных стало очевидно, что существуют большие возможности для изучения аномального метаболизма, и поэтому ограниченное количество патологического материала, доступного в Мидлтауне, потребовало строительства лаборатории в крупном центре.

Был проведен очень тщательный анализ возможных площадок в ряде городов, в результате чего лаборатория была построена на участке земли в Бостоне вблизи крупных больниц и медицинских школ. Также была использована возможность подключения к центральной электростанции для получения тепла, света, электричества и охлаждения, что избавило от необходимости в установке собственных котлов, а также электрического и холодильного оборудования. Библиотечные ресурсы крупного города также имели значение, и в нескольких минутах ходьбы от нынешнего местоположения находятся большинство крупных библиотек Бостона, в частности медицинские библиотеки и библиотеки медицинских школ.

Здание, общее описание которого появилось в Ежегоднике Института Карнеги в Вашингтоне за 1908 год, представляет собой простое кирпичное строение с отделкой из известняка Бедфорд. Оно состоит из трех этажей и подвала, и практически все пространство может быть использовано для научной работы. Подробности конструкции можно узнать, обратившись к первоначальному описанию здания. Здесь необходимо лишь отметить, что особой чертой нового здания, к которой относится этот отчет, является калориметрическая лаборатория, занимающая почти половину первого этажа в северной части здания.

СНОСКИ:

[1] Петтенкофер и Фойт: Ann. der Chem. u. Pharm. (1862-3), Supp. Bd. 2, p. 17.

[2] Этуотер, Вудс и Бенедикт: Отчет о предварительных исследованиях метаболизма азота и углерода в организме человека с помощью респирационного калориметра специальной конструкции, Министерство сельского хозяйства США, Бюллетень 44 Управления экспериментальных станций. (1897 г.)

[3] У. О. Этуотер и Ф. Г. Бенедикт: Респирационный калориметр с приспособлениями для прямого определения кислорода. Публикация Института Карнеги в Вашингтоне № 42. (1905 г.)

КАЛОРИМЕТРИЧЕСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ.

В помещение лаборатории можно попасть из главного холла через двойную дверь. Комната имеет длину 14,2 метра и ширину 10,1 метра и освещается с трех сторон 7 окнами. Поскольку комната выходит на север, температурные условия здесь гораздо более удовлетворительные, чем можно было бы получить при любой другой экспозиции. При строительстве здания удалось избежать использования колонн в этой комнате, так как они серьезно мешали бы установке калориметров и вспомогательной аппаратуры. В ожидании завершения строительства пяти калориметров, спроектированных для этой комнаты, был уложен временный деревянный пол, что обеспечило максимальную свободу при прокладке труб и электрической проводки под полом. По мере завершения строительства калориметров будет уложен постоянный пол с соответствующими закрытыми траншеями для труб. Комната достаточно освещена в дневное время, окна расположены очень высоко, с фрамугами сверху. В ночное время большое освещение обеспечивается ртутной лампой в центре комнаты, дополненной рядом хорошо расположенных ламп накаливания.

ОБЩИЙ ПЛАН КАЛОРИМЕТРИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ.

Общий план лаборатории и распределение калориметров и вспомогательной аппаратуры показаны на рис. 1. Двойные двери ведут из главного холла в комнату. В целом планируется проводить все химические и физические наблюдения как можно ближе к центру лаборатории, поэтому место для аппаратуры было зарезервировано через центр комнаты с юга на север. Калориметры расположены по обе стороны. Таким образом достигается наибольшая экономия пространства и наиболее выгодное расположение аппаратуры.

В настоящее время завершено строительство двух калориметров, один находится в стадии строительства, а два других запланированы. Предлагаемые калориметры должны быть размещены в местах, обозначенных пунктирными линиями. Из завершенных калориметров так называемый калориметр-кресло, который был построен первым, находится в середине западной стороны комнаты, а непосредственно к северу от него — калориметр-кровать, уже протестированный и находящийся в эксплуатации. На восточной стороне комнаты предполагается разместить большие калориметры: один для непрерывных экспериментов, длящихся несколько дней, а другой — достаточно большой, чтобы вместить несколько человек одновременно, и оснащенный аппаратурой и рабочими механизмами, требующими большего пространства, чем то, которое предоставляют любые другие калориметры. Рядом с калориметром-креслом в скором времени будет построен специальный калориметр с беговой дорожкой.

Теплоизоляция комнаты обеспечивается двойными окнами и массивной конструкцией дверей, помимо двойных дверей. При входе в комнату два калориметра находятся слева, и, как устроено в настоящее время, оба калориметра управляются с одной платформы, на которой расположен пульт наблюдателя с электрическими соединениями и мостами Уитстона для измерения температуры; над пультом наблюдателя и позади него находятся гальванометр и его кожух. Слева от платформы наблюдателя находятся платформенные весы, поддерживающие водяной счетчик, с пробковым клапаном и рукояткой, удобно расположенными для опорожнения счетчика. Система поглощения размещена на специальном столе, удобно расположенном по отношению к весам для взвешивания поглотителей. Большие весы, используемые для взвешивания кислородных баллонов, находятся прямо через центральный проход, а аналитические весы для взвешивания U-образных трубок для анализа остаточных газов — поблизости.

Fig. 1. Fig. 1.—General plan of respiration calorimeter laboratory.

Fig. 2 Fig. 2

General view of laboratory room taken near the main door. At the extreme right is the absorber table, and back of it the bed calorimeter. In the immediate foreground is shown the balance for weighing absorbers. A sulphuric acid absorber is suspended on the left hand arm of the balance. At the left is the observer's table and back of it the chair calorimeter with a large balance above for weighing subjects. On the floor, to the left, is the water meter for weighing water used to bring away heat.

Fig. 3 Fig. 3

General view of laboratory taken near the refrigeration room. The observer's table is in the immediate foreground with water balance at the left, and chair calorimeter with balance for weighing man at the extreme left. At the right of the observer's table is the absorption system table, and on the wall in the rear the temperature recorder. At the right is shown the balance for weighing absorbers, and back of that the case surrounding the balance for weighing oxygen.

Fig. 4 Fig. 4

General view of laboratory taken near the temperature recorder. The bed calorimeter is at the right, the absorber table in the immediate foreground, back of it the chair calorimeter and observer's table, and at the left the balance for weighing absorbers. Near the ceiling are shown the ducts for the cold air used for temperature control.

Fig. 5 Fig. 5

View of laboratory taken from the entrance of the bed calorimeter, with balance for weighing oxygen cylinders at the left. The structural steel skeleton of the calorimeter for long experiments is at the right and sections of the copper lining are in the rear, resting against the wall.

Еще один вид лаборатории, снятый у двери, ведущей в холодильную комнату, показан на рис. 3. Справа видны весы, используемые для взвешивания поглотителей, а позади них, не полностью показанный, — футляр, окружающий весы для взвешивания кислородных баллонов. На стене, сзади, находится регистрирующая аппаратура для термометров электрического сопротивления в водяном контуре, деталь которой показана на рис. 23. На переднем плане в центре виден пульт наблюдателя; справа от него показан стол для системы поглощения, а слева — калориметр-кресло с весами для взвешивания испытуемых над ним. Ртутная лампа, используемая для освещения комнаты, находится непосредственно над весами для взвешивания поглотителей.

Fig. 6. Fig. 6.—Plan of heating and ventilating calorimeter laboratory, showing general plan of circulation of the special cooling system and the position of the thermostats and radiators which they control. The two small diagrams are cross-sections of brine and heating coils.

Калориметр-кровать и стол системы поглощения лучше показаны на рис. 4, общем виде лаборатории, снятом у регистратора температуры. На переднем плане находится стол для системы поглощения, а за ним — пульт наблюдателя и калориметр-кресло. Справа показан калориметр-кровать со снятой передней частью и резиновые шланговые соединения, идущие от стола поглотителей к калориметру-кровати. На крайнем левом плане — весы для взвешивания поглотителей. Над калориметром-креслом можно увидеть весы для взвешивания испытуемого, а справа от них — гальванометр, подвешенный к потолку.

На момент написания статьи западная сторона лаборатории содержит большую часть аппаратуры. На восточной стороне находятся только весы для взвешивания кислородных баллонов и незавершенный [4] большой калориметр, который будет использоваться для экспериментов длительной продолжительности. Вид, снятый у переднего конца калориметра-кровати, показан на рис. 5. Справа четко виден структурный скелет большого калориметра. Некоторые медные секции, которые будут использованы при создании облицовки калориметра, можно увидеть у стены сзади.

Слева показаны весы для взвешивания кислородных баллонов с противовесом. Резервный кислородный баллон стоит непосредственно перед ними. Большой калориметр, смоделированный отчасти по плану аппарата Зондена и Тигерштедта в Стокгольме и Гельсингфорсе, планируется построить непосредственно за весами для взвешивания кислородных баллонов.

ОТОПЛЕНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЯ.

Особый интерес в связи с этой калориметрической лабораторией представляют планы по поддержанию постоянной температуры и влажности (рис. 6). Комната отапливается пятью паровыми радиаторами (каждый с площадью излучающей поверхности около 47 квадратных футов), расположенными вдоль внешней стены, которые управляются двумя подвесными термостатами. Предусмотрено определенное количество непрямой вентиляции, как показано стрелками на внутренней стене. Комната охлаждается, а влажность регулируется системой охлаждения, установленной в соседней комнате. Этот аппарат представляет особый интерес и будет описан подробно.

В небольшой комнате, показанной с южной стороны лаборатории, установлен мощный электрический вентилятор, который забирает воздух из-под пола калориметрической лаборатории, прогоняет его через рассольные змеевики и направляет в большой воздуховод, подвешенный к потолку лаборатории. Этот воздуховод имеет ряд отверстий, каждое из которых может регулироваться клапаном, и неограниченный запас холодного воздуха может быть направлен в любую часть калориметрической комнаты по желанию. Для обеспечения более непрерывной работы и более точного контроля температуры в воздуховоде был установлен термостат, сконструированный таким образом, чтобы управлять некоторыми подогревательными змеевиками под рассольными змеевиками в холодильной комнате. Этот термостат установлен на 60° F, и когда температура воздуха в воздуховоде падает ниже этой точки, система подогрева автоматически открывается или закрывается. Термостат можно установить в любую желаемую точку. До настоящего времени не было необходимости использовать это специальное приспособление, так как ручное регулирование было вполне удовлетворительным.

Два вертикальных сечения через охлаждающие змеевики показаны на рис. 6. Сечение A-B показывает вход возле пола калориметрической комнаты. Воздух затягивается вниз через змеевики, проходит через воздуходувку и нагнетается обратно к верхней части калориметрической комнаты в большой воздуховод. Если требуется наружный воздух, к системе можно подключить специальный воздуховод для подачи наружного воздуха в камеру. Это пока не использовалось. Сечение C-D показывает вентилятор и дает сечение через подогреватель. Рассольные змеевики длиной 400 метров установлены в трех экземплярах. Если один комплект покрывается влагой и становится несколько неэффективным, его можно отключить и использовать два других. Когда замерзшая влага тает и опадает, можно снова использовать одиночный змеевик. Было обнаружено, что установленная таким образом система очень легко поддается контролю.

Степень охлаждения варьируется двумя способами: (1) площадь рассольных змеевиков может быть увеличена или уменьшена путем использования одного, двух или всех трех змеевиков; или (2) количество воздуха, проходящего через охлаждающие трубы, может быть изменено путем изменения скорости воздуходувки. На практике практически все регулирование осуществляется путем изменения положения управляющего рычага на регулировочном реостате. Аппарат функционирует идеально, и в калориметрической комнате можно поддерживать температуру 20° C изо дня в день, независимо от того, составляет ли температура снаружи 40° ниже или 100° выше 0° F.

Можно также видеть, что эта система обеспечивает очень удовлетворительное регулирование влажности, так как при прохождении воздуха через рассольные змеевики влага в значительной степени вымораживается. До сих пор гигрометрических исследований состояния воздуха в течение длительного периода не проводилось, но аппарат достаточно эффективен, чтобы обеспечить тщательную электрическую изоляцию и отсутствие утечек в сложных электрических соединениях на калориметрах.

В калориметрах используются термоэлектрические элементы с их низким потенциалом и гальванометр Д'Арсонваля с высокой чувствительностью, а в непосредственной близости необходимо использовать ток 110 вольт для нагрева, следовательно, необходима высочайшая степень изоляции для предотвращения мешающей утечки тока.

Лаборатория респирационных калориметров настолько велика, количество помощников в комнате в любое время (относительно говоря) настолько мало, редко превышая десять человек, а влажность и температура настолько тщательно контролируются, что до сих пор не было никакой необходимости использовать даже относительно небольшое количество непрямой вентиляции, предусмотренной в первоначальных планах.

В течение большей части зимы необходимо использовать только один из термостатов, а радиаторы, подключенные к другому, можно отключить, поскольку каждый радиатор может быть независимо закрыт клапанами на подаче и обратке пара, которые проходят через пол в подвал. Контроль температуры в этой комнате поэтому очень удовлетворительный и экономичный.

Здесь нет необходимости вдаваться в преимущества контроля температуры рабочих помещений в летние месяцы. Все, кажется, полностью убеждены в том, что необходимо отапливать помещения зимой, но наш опыт до сих пор показал, что не менее важно охлаждать лабораторию и контролировать температуру и влажность в летние месяцы, так как этим средством значительно повышаются как эффективность, так и выносливость помощников, не говоря уже о точности научных измерений. Трудоемкие научные наблюдения, которые были бы совершенно невозможны в комнате без контроля температуры, могут проводиться в этой комнате в самую жаркую погоду.

СНОСКИ:

[4] На момент сдачи этого отчета в печать этот калориметр близок к завершению.

КАЛОРИМЕТР.

При описании этого аппарата, ради ясности, калориметрические особенности будут рассмотрены до приспособлений для определения продуктов дыхания.

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ АППАРАТА.

Измерения тепла, выделяемого человеком, производимые этим аппаратом, основаны на том факте, что испытуемый помещается в теплоизолированную камеру, через которую постоянно проходит поток холодной воды. Количество воды, поток которой для точности поддерживается с постоянной скоростью, тщательно взвешивается. Температуры воды, входящей в камеру и выходящей из нее, точно регистрируются через частые промежутки времени. Стенки камеры поддерживаются адиабатическими, что предотвращает получение или потерю тепла путем произвольного нагрева или охлаждения внешних металлических стенок, а отвод тепла водяным потоком контролируется путем изменения температуры входящей воды таким образом, что тепло, отводимое от калориметра, по количеству точно равно теплу, выделяемому испытуемым путем излучения и теплопроводности, тем самым поддерживая постоянную температуру внутри камеры. Скрытая теплота испаренной воды определяется путем прямого измерения воды в виде пара в вентиляционном потоке воздуха.

При создании новых калориметров было сделано дальнейшее и фундаментальное изменение в конструкции, заключающееся в том, что все термопары, нагревательные провода и охлаждающие трубы были прикреплены непосредственно к цинковой стенке калориметра, оставляя внешние изоляционные панели свободными от препятствий, так что их можно легко снять и практически все части осмотреть в любое время без необходимости полной разборки аппарата. Такое расположение возможно, за исключением тех случаев, когда соединения проходят насквозь изнутри камеры наружу, а именно: отверстие для подачи пищи, воздушные трубы, водяные трубы, электрические соединения и трубки для соединений с пневмографом и стетоскопом; но аппарат устроен так, чтобы все эти отверстия находились в одной части калориметра. Поэтому возможно снять все внешние секции калориметра, за исключением панелей на восточной стороне.

Это фундаментальное изменение в конструкции оказалось весьма выгодным. Оно устраняет необходимость выкатывать калориметр из его защитного изоляционного корпуса и минимизирует задержки и расходы, связанные с ремонтом или модификациями. Поскольку калориметр теперь сконструирован, можно добраться до всех его частей снаружи, за исключением одной небольшой фиксированной панели, через которую проходят вышеупомянутые соединения. Эта панель, однако, сделана как можно более узкой, так что практически все изменения можно сделать, сняв соседние панели.

КАЛОРИМЕТРИЧЕСКАЯ КАМЕРА.

Fig. 7. Fig. 7.—Horizontal cross-section of chair calorimeter, showing cross-section of copper wall at A, zinc wall at B, hair-felt at E, and asbestos outer wall at F; also cross-section of all upright channels in the steel construction. At the right is the location of the ingoing and outgoing water and the thermometers. At C is shown the food aperture, and D is a gasket separating the two parts. The ingoing and outcoming air-pipes are shown at the right inside the copper wall. The telephone is shown at the left, and in the center of the drawing is the chair with its foot-rest, G. In dotted line is shown the opening where the man enters.

Fig. 8. Fig. 8.—Vertical cross-section of chair calorimeter, showing part of rear of calorimeter and structural-steel frame. N, cross-section of bottom horizontal channel supporting asbestos floor J; H, H, upright channels (at the right is a side upright channel and to the left of this is an upright rear channel); M horizontal 8-inch channel supporting calorimeter; Zn, zinc wall; Cu, copper wall; J, insulating asbestos.

Респирационная камера, использовавшаяся в Мидлтауне, штат Коннектикут, была спроектирована так, чтобы обеспечить наибольшую широту в характере проводимых с ней экспериментов. В результате по прошествии ряда лет экспериментирования было обнаружено, что камера такого размера несколько маловата для наиболее удовлетворительных экспериментов во время мышечной работы и, с другой стороны, несколько великовата для наилучших результатов во время так называемых экспериментов в покое. В более ранних экспериментах, где не предпринималось попыток определить потребление кислорода, эти недостатки были не столь очевидны, так как диоксид углерода можно было определить с очень большой точностью; но при попытках измерить кислород было обнаружено, что большой объем остаточного воздуха внутри камеры, составляющий около 4500 литров, делает возможными весьма значительные ошибки в этом определении, так как, очевидно, испытуемый мог использовать кислород, остающийся в воздухе камеры, почти 1000 литров, так же как и кислород, поступающий из внешних источников. Результатом было то, что необходимо было часто проводить очень тщательный анализ остаточного воздуха, чтобы гарантировать, что увеличение или уменьшение количества кислорода, остающегося в воздухе камеры, было точно известно в конце каждого периода. Анализ этого большого объема воздуха можно было провести с достаточной точностью, но для расчета точного общего количества кислорода, остающегося в воздухе, необходимо было знать общий объем воздуха внутри камеры при стандартных условиях. Это, следовательно, требовало тщательного измерения температуры и давления, и хотя барометрическое давление можно было измерить с высокой степенью точности, оказалось очень трудно точно определить среднюю температуру такой большой массы воздуха. Трудности, сопровождающие это измерение, и эксперименты по этому вопросу подробно обсуждаются в другом месте [5]. Следовательно, в результате этого опыта при планировании калориметров для Лаборатории питания было решено спроектировать их для специальных типов экспериментов. Первым калориметром, который предстояло построить, был тот, который нашел бы общее применение в экспериментах в состоянии покоя и, действительно, в экспериментах с испытуемым, спокойно сидящим в кресле.

Fig. 9. Fig. 9.—Vertical cross-section of chair calorimeter from front to back, showing structural steel supporting the calorimeter and the large balance above for weighing the subject inside the calorimeter. The chair, method of suspension, and apparatus for raising and lowering are shown. Part of the heat-absorbers is shown, and their general direction. The ingoing and outgoing air-pipes and direction of ventilation are also indicated. The positions of the food-aperture and wire mat and asbestos support are seen. Surrounding the calorimeter are the asbestos outside and hair-felt lining.

Вполне можно спросить, почему первый калориметр не был построен такого типа, который позволил бы испытуемому принять положение на кушетке или диване, подобно тому, как это используется Зунцем и его сотрудниками в их исследовании дыхательного газообмена, или положение полного мышечного покоя, введенное Йоханссоном и его сотрудниками. Хотя положения тела, поддерживаемые Зунцем и Йоханссоном, могут быть лучшими положениями для экспериментов короткой продолжительности, было обнаружено в результате большого числа экспериментов, что испытуемые могут чувствовать себя более комфортно и спокойно в течение периодов от 6 до 8 часов, сидя, слегка наклонившись, в удобном кресле, снабженном подставкой для ног. С учетом этого первый калориметр был сконструирован так, чтобы вместить кресло с подставкой для ног, отрегулированной таким образом, чтобы воздушное пространство между телом испытуемого и стенками камеры можно было сократить до минимума и тем самым повысить точность определения кислорода. То, что объем был очень существенно уменьшен, можно увидеть из того факта, что общий объем первого описываемого калориметра составляет менее 1400 литров, или около одной трети объема аппарата в Мидлтауне.

ОБЩАЯ КОНСТРУКЦИЯ.

Горизонтальное сечение аппарата показано на рис. 7, а вертикальное сечение, обращенное к передней части, приведено на рис. 8. Другие детали конструкционной стали видны на рис. 9.

При создании новых камер более ранняя деревянная конструкция с ее склонностью к короблению и общей нежесткостью была заменена использованием конструкционной стали, и поэтому в этом калориметре не используется дерево, за исключением дерева кресла.

Чтобы избежать колебаний температуры из-за возможной локальной стратификации воздуха в лаборатории, калориметр сконструирован так, чтобы быть практически подвешенным в воздухе, при этом имеется большое воздушное пространство около 76 сантиметров между самой нижней точкой калориметра и полом, а верх калориметра находится примерно на 212 сантиметров ниже потолка комнаты. Четыре вертикальных швеллера из конструкционной стали (4 дюйма) были приболчены через пол для обеспечения большой жесткости и связаны вместе сверху конструкционной сталью. В качестве твердого основания для калориметрической камеры два 3-дюймовых швеллера были размещены параллельно друг другу на расстоянии 70 сантиметров от пола, соединенные с этими стойками. На этих двух 3-дюймовых швеллерах был построен калориметр в собственном смысле слова. Сталь, используемая по большей части в скелете аппарата, представляет собой стандартный 2,5-дюймовый швеллер. Этот стальной каркас и его опора показаны на рис. 10 до того, как какая-либо медная облицовка была установлена на место. Основные 4-дюймовые швеллеры, на которых поддерживается калориметр, тяги и талрепы, анкерующие каркас к потолку, двутавровая конструкция наверху, на которой впоследствии устанавливаются большие весы для взвешивания человека, серия небольших швеллеров, установленных на ребро, на которых уложен асбестовый пол, и вертикальный ряд ребер из швеллеров — все это четко показано.

Fig. 10. Fig. 10

Photograph of framework of chair calorimeter. In the photograph are shown four upright channels and the channels at the top for supporting the calorimeter. The smaller upright 2-1/2 inch channels and angles are shown inside of this frame. In the lower part of the figure is seen the asbestos board for the bottom of the calorimeter and underneath this a sheet of zinc.

Fig. 11 Fig. 11

Photograph of portion of framework and copper shell. The finished copper shell is seen in position with some of the thermal junction thimbles soldered into it. A portion of the food aperture and the four brass ferrules for conducting the water pipes and air pipes are shown. A section of the zinc outside is shown in the lower part of the figure.

Фотография, сделанная впоследствии и показывающая внутреннюю медную облицовку на месте, приведена на рис. 11.

Пол камеры поддерживается 7 кусками 2,5-дюймового швеллера (N, N, N, рис. 8), уложенными сверху и приболченными к двум 3-дюймовым швеллерам (M, рис. 8). Поверх них помещен лист так называемого асбестового дерева (J', рис. 8) толщиной 9,5 миллиметра, вырезанный точно по размеру дна камеры. Вертикальные 2,5-дюймовые швеллеры (H, рис. 8) приболчены к двум внешним швеллерам на дне и к концам трех длинных швеллеров между ними таким образом, чтобы сформировать скелет стенок. Верхние концы этих швеллеров скреплены вместе кусками труб (P, P, P, рис. 8) с контргайками с обеих сторон, тем самым удерживая весь каркас в положении.

Двутавровые балки и швеллеры, используемые для связывания четырех вертикальных швеллеров наверху, образуют прочную платформу, на которой установлены большие весы (рис. 9). Эта платформа анкерована к потолку в четырех точках с помощью тяг и талрепов, показанных на рис. 4. Весь аппарат, следовательно, чрезвычайно жесткий, и весы качаются свободно.

Верх камеры несколько ограничен возле краев (рис. 8), и два отрезка 2,5-дюймового швеллера поддерживают стороны отверстия, через которое испытуемый входит сверху (рис. 7).

Как передний, так и задний нижние швеллеры, на которых покоится дно, расширены, чтобы обеспечить опоры для внешних стенок из асбестового дерева, которые служат для изоляции калориметра. Между швеллерами под полом калориметра и 3-дюймовыми швеллерами помещен лист цинка, который образует внешнюю нижнюю металлическую стенку камеры.

Чтобы предотвратить теплопроводность через конструкционную сталь, любой контакт между внутренней медной стенкой и сталью исключается путем размещения полос асбестового дерева между сталью и медью. Они показаны как J на рис. 8 и рис. 12. Лист асбестового дерева под медным дном также служит этой цели, а также служит для создания твердого фундамента для пола. Опорные швеллеры расположены достаточно близко друг к другу, чтобы полностью усилить лист асбестового дерева и позволить ему твердо поддерживать вес человека. Дополнительная нагрузка на пол из-за откидывания кресла назад и, таким образом, переноса всего веса на две точки была принята во внимание при планировании асбеста и усиления стальными швеллерами. Все это образует очень удовлетворительный пол.

Конструкция стенок и изоляция. — Внутренняя стенка камеры состоит из меди, предпочтительно луженой с обеих сторон, что облегчает пайку, а луженая внутренняя поверхность делает камеру несколько светлее. С завода получаются листы особо большого размера, что сводит к минимуму количество швов для пайки, а швы герметизировать удается только с трудом. Медь стандартного калибра, так называемая 14-унцевая медь, весит 1,1 фунта на квадратный фут или 5,5 килограмма на квадратный метр. Она имеет толщину 0,5 миллиметра. Весь интерьер скелетного каркаса из конструкционной стали облицован этими листами; рис. 11 показывает медную оболочку на месте.

Для внешней металлической стенки используется цинк как менее дорогой металл. Один лист этого материала, перфорированный отверстиями для крепления болтов и других приспособлений, показан на месте снаружи стенки на рис. 11. Листовой цинк пола, очевидно, устанавливается на место до того, как укладываются швеллеры, на которых он покоится. Цинк получается стандартного размера и является так называемым 9-унцевым цинком, или 0,7 фунта на квадратный фут, или 3,5 килограмма на квадратный метр. Лист имеет толщину 0,5 миллиметра.

Fig. 12. Fig. 12.—Cross-section in detail of walls of calorimeter, showing zinc and copper walls and asbestos outside (A); hair-felt lining (B); cross-section of channel iron (H); brass washer soldered to copper (K); asbestos insulation between channel iron and copper (J); bolt holding the whole together (I); heating wire (W) and insulator holding it (F) shown in air-space between zinc and hair-felt; section of one of the cooling pipes (C) and its brass support (G); threaded rod (E) fastened into H at one end and passing through asbestos wall with a nut on the outside; and iron pipe (D) used as spacer between asbestos and zinc.

На поперечном сечении, рис. 7, A представляет медную стенку, а B — цинковую стенку. Окружая эту цинковую стенку и обеспечивая воздушную изоляцию, находится серия панелей, сконструированных из асбестового дерева, очень огнестойкого, жесткого и легкого. Асбестовое дерево, используемое для этих внешних панелей, имеет толщину 6,4 миллиметра (0,25 дюйма). Чтобы еще больше помочь в теплоизоляции, мы приклеили к внутренней стороне различных панелей запатентованный материал, состоящий из двух слоев оберточной бумаги, заключающих в себе полдюйма волосяного войлока. Этот материал обычно используется при строительстве холодильников. Это показано как E на рис. 7, в то время как внешние асбестовые панели показаны как F.

Деталь конструкции стенок, показывающая в дополнение нагревательные и охлаждающие устройства, приведена на рис. 12, в котором медь показана прочно удерживаемой на вертикальном швеллере H с помощью болта I, ввинчивающегося в латунный или медный диск K, припаянный к медной стенке. Болт I служит цели удержания меди на вертикальном швеллере, а также с помощью шайбы под головкой винта удерживает цинк на швеллере. Чтобы удержать панель из асбестового дерева A с подкладкой из волосяного войлока B, резьбовой стержень E ввинчивается в резьбовое отверстие во внешней части вертикального швеллера H. Небольшой кусок латунной или железной трубки, нарезанный до нужной длины, надевается на этот стержень, и асбестовое дерево удерживается на месте шестигранной гайкой с шайбой на резьбовом стержне E. Таким образом достигается большая жесткость конструкции, и у нас есть два воздушных пространства, соответствующих мертвым воздушным пространствам, указанным на рис. 7, первое между медью и цинком, а второе между цинком и волосяным войлоком.

ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ.

Как можно видеть из этих чертежей, вся конструкция аппарата в большей или меньшей степени относится к типу холодильника, т. е. имеется мало возможностей для излучения или теплопроводности. Такую конструкцию можно было бы умножить несколько раз, получив большее количество изоляционных стенок и, возможно, сведя излучение к минимуму, но для экстремальной точности в калориметрических исследованиях необходимо обеспечить отсутствие излучения, и поэтому мы сохранили остроумное устройство Розы, с помощью которого предпринимается попытка произвольно изменить температуру цинковой стенки так, чтобы она всегда следовала за любыми колебаниями температуры медной стенки. Для этой цели необходимо знать, во-первых, что существует разница температур между цинком и медью, и, во-вторых, иметь какой-то метод контроля температуры цинка. Оставив на момент вопрос измерения разностей температур между цинком и медью, мы можем рассмотреть здесь методы контроля температуры цинковой стенки.

Если обнаруживается необходимость согреть цинковую стенку, ток электричества пропускается через провод сопротивления W, рис. 12. Этот провод поддерживается приблизительно посередине воздушного пространства между цинковой стенкой и волосяным войлоком путем намотки его вокруг обычного фарфорового изолятора F, удерживаемого на месте резьбовым стержнем, ввинченным в латунный диск, припаянный к цинковой стенке. Гайка на конце резьбового стержня удерживает изолятор на месте. Много трудностей было при поиске провода сопротивления, который в то же время обеспечивал бы достаточно высокое сопротивление и не кристаллизовался бы, не становился бы хрупким и не ржавел бы. В настоящее время наилучшие результаты были получены при использовании эмалированного манганинового провода. Используемый провод — № 28 по американскому калибру проводов и имеет сопротивление приблизительно 1,54 ома на фут. Общее количество провода, используемого в любой одной цепи, равно сопротивлению приблизительно 92 ома. Этот метод согревания воздушного пространства оставляет желать очень малого. Он может быть мгновенно применен и может регулироваться с величайшей легкостью и с величайшей степенью точности.

Если, с другой стороны, становится необходимым охладить воздушное пространство рядом с цинком и, в свою очередь, охладить цинк, мы должны прибегнуть к использованию холодной воды, которой позволяют течь через трубу C, подвешенную в воздушном пространстве между цинком и волосяным войлоком на приблизительно таком же расстоянии, как и нагревательный провод. Поддержка этих труб осуществляется путем помещения их в латунные подвески G, припаянные к цинку и снабженные отверстием, в котором покоится труба.

В ранних экспериментах было найдено непрактичным использовать трубы очень малого размера, так как в противном случае легко могла произойти закупорка в результате осадка. Трубой, найденной наиболее приспособленной к цели, была так называемая стандартная одна-восьмая дюймовая латунная труба с фактическим внутренним диаметром 7 миллиметров. Открытие клапана позволяло холодной воде течь через эту трубу, и значительная масса воды, проходящая через нее, производила очень заметный охлаждающий эффект. В попытке минимизировать охлаждающий эффект массы воды, остающейся в трубе, было предусмотрено позволить воде стекать из этой трубы через несколько мгновений после закрытия клапана с помощью системы обратных клапанов. При строительстве нового аппарата было использовано обслуживание сжатым воздухом в лаборатории для удаления большой массы холодной воды в трубе. Как только водяной клапан был закрыт и воздушный кран открыт, сжатый воздух выдувал всю воду из трубки.

Fig. 13. Fig. 13.—Detail of drop-eight feed-valve and arrangement of outside cooling circuit. The water enters at A, and the flow is regulated by the needle-valve at left-hand side. Rate of flow can be seen at end of exit tube just above the union. The water flows out at C and compressed air is admitted at B, regulated by the pet-cock.

Наилучшие результаты были получены, однако, с совершенно новым принципом, а именно: несколько капель воды постоянно позволяют проходить в трубу, вместе с постоянным потоком сжатого воздуха. Эта холодная вода принудительно продувается через трубу, тем самым охлаждая до количества, регулируемого количеством допущенной воды. Более того, относительно сухой воздух испаряет часть воды, тем самым производя несколько больший охлаждающий эффект. Регулируя поток воды через трубу, можно получить непрерывный охлаждающий эффект умеренной степени. В то время как раньше воздух в пространстве рядом с цинковой стенкой либо охлаждался, либо нагревался попеременно путем открытия водяного клапана или путем пропускания тока через нагревательную спираль, в настоящее время найдено гораздо более выгодным позволять медленный поток воздуха и воды через трубы непрерывно, тем самым имея воздушное пространство нормально несколько более холодным, чем желательно. Эффект этого охлаждения, следовательно, затем уравновешивается путем пропускания электрического тока различной силы через нагревательный провод. При этой манипуляции нет необходимости, чтобы наблюдатель манипулировал более чем одним инструментом, а именно реостатом, в то время как раньше он должен был манипулировать клапанами, кранами сжатого воздуха и реостатом. Расположение для обеспечения количества сжатого воздуха и воды показано на рис. 13, в котором видно, что небольшой капельный регулирующий клапан прикреплен к трубе C, ведущей в мертвое воздушное пространство, окружающее калориметрическую камеру. Сжатый воздух входит в B, и количество входящего воздуха может регулироваться пробковым краном. Количество допущенной воды легко наблюдается через смотровой регулирующий клапан. Будучи однажды отрегулированным, эта форма аппарата производит относительно постоянный охлаждающий эффект и значительно облегчает манипуляцию калориметрическим аппаратом в целом.

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ.

Чтобы обнаружить разницы в температуре между медной и цинковой стенками, необходима какая-то система для измерения разностей температур между этими стенками. Для этой цели мы не нашли ничего, что было бы столь же практичным, как система железо-герман-серебряных термоэлектрических элементов, первоначально введенная в этот тип калориметра Э. Б. Розой из Национального бюро стандартов, бывшим профессором физики в Уэслианском университете. В этих калориметрах, следовательно, был применен тот же принцип, и здесь необходимо лишь дать детали таких изменений в конструкции элементов, их монтаже и их изоляции, которые были сделаны в результате опыта при строительстве этих калориметров. Элемент, состоящий из четырех пар соединений, показан на месте как T-J на рис. 25.

Одной постоянно присутствующей трудностью со старой формой элемента была тенденция проводов из германского серебра выскальзывать из пазов, в которые они были энергично втиснуты в катушке из твердого клена. Выскальзывая из пазов, они входили в контакт с металлическим наперстком в цинковой стенке и тем самым производили заземление. При создании новых элементов четыре пары железо-герман-серебряных термопар были сделаны по существу по тому же плану, что и описанный ранее [6], единственная модификация была сделана в катушке. В то время как концы соединений, ближайшие к меди, подвергаются воздействию воздуха, чтобы наиболее быстро принять температуру меди, несколько трудно подвергнуть воздействию концы соединений, ближайшие к цинку, и в то же время избежать короткого замыкания. Лучшая процедура — это удлинить катушку из твердого клена, которая проходит насквозь через наконечник в цинковой стенке, и вырезать широкий паз в катушке, чтобы подвергнуть соединения воздействию воздуха ближе всего к наконечнику. Поступая так, опасность для незащищенных концов соединений гораздо меньше. Два выводных провода из германского серебра могут быть проведены через конец катушки и тем самым позволить сделать изоляцию гораздо более удовлетворительно. В этих калориметрах было сделано свободное использование этих термопар. В калориметре-кресле имеется на верху 16 элементов, состоящих из четырех соединений каждый, на задней части 18, на передней 8 и на дне 13. Распределение элементов сделано с должным вниманием к направлению, в котором тепло наиболее непосредственно излучается и проводится с поверхности тела.

Хотя оригинальные железо-герман-серебряные соединения были сохранены в двух из этих калориметров по практической причине, что большое количество этих элементов было сконструировано заранее, мы полагаем, что будет более выгодным использовать медно-константановую пару, которая имеет термоэлектрическую силу 40 микровольт на градус против 25 у железо-герман-серебряной пары. Планируется установить медно-константановые соединения в калориметрах, которые сейчас строятся.

ВНУТРЕННЕЕ УСТРОЙСТВО КАЛОРИМЕТРА.

Поскольку эксперименты, проводимые в этой камере, редко превышают 6–8 часов, не предусмотрена установка койки или других удобств, необходимых для длительных исследований. Помимо кресла с подставкой для ног, подвешенной к весам, внутри камеры практически нет мебели; оснащение дополняют одна или две полки, обычно прикрепленные к креслу, для размещения бутылей с мочой и питьевой водой. Конструкция калориметра такова, что объем воздуха вокруг испытуемого сведен к минимуму, при этом обеспечена достаточная свобода движений для его комфортного пребывания. Общее представление о расположении труб, кресла, телефона и т. д. внутри камеры можно получить из рис. 7 и 9. Система теплопоглотителей крепится к кольцам, припаянным к потолку в различных точках. Впускная воздушная труба подведена к верхней части центрального купола, в то время как воздух выводится из калориметра в нижней передней части, рядом с положением ног испытуемого. Оттуда он проходит по трубе вдоль пола и вверх по задней стенке калориметра к выходу.

При идеальной теплоизоляции теплопродукция человека быстро повысила бы температуру до некомфортного уровня, если бы не были предусмотрены меры по ее отводу. Поэтому необходимо охлаждать камеру, и, как было отмечено, охлаждение осуществляется путем пропускания потока холодной воды через теплопоглощающий аппарат, стационарно установленный внутри камеры. Теплопоглотитель состоит из непрерывной медной трубы с внутренним диаметром 6 миллиметров и внешним диаметром 10 миллиметров. Вдоль этой трубы припаяно большое количество медных дисков диаметром 5 сантиметров на расстоянии 5 миллиметров друг от друга. Это значительно увеличивает площадь поглощения тепла. Чтобы систему поглотителей можно было в любое время снять, дополнить или отремонтировать, необходимо в нескольких местах установить муфты. Обычно это делается в углах, где крепление дисков нецелесообразно. Общая длина теплопоглотителей составляет 5,6 метра, и грубый расчет показывает, что общая площадь металла для поглощения тепла составляет 4,7 квадратных метра. Общий объем воды в поглотителях равен 254 кубическим сантиметрам.

Оказалось целесообразным установить простое устройство для перемешивания воды в контуре водяного охлаждения непосредственно перед выходом воды из камеры. Этот смеситель воды состоит из отрезка стандартной 1-дюймовой трубы длиной 15 сантиметров с заглушками на обоих концах. Через каждую из этих заглушек проходит отрезок 1/8-дюймовой трубы, который доходит почти до всей длины смесителя. Таким образом, вода, поступающая в один конец, возвращается внутри 1-дюймовой трубы и выходит с другого конца. Это простое устройство обеспечивает тщательное перемешивание.

Воздушные трубы изготовлены из тонкой латуни с внутренним диаметром 1 дюйм. Одна из них проводит воздух от впускной трубы вверх в верхнюю часть центрального купола или колпака непосредственно над головой испытуемого. Таким образом, воздух поступает в камеру через трубу, проходящую вдоль верхней части купола. На верхней стороне этой трубы просверлен ряд отверстий, чтобы поток воздуха был направлен вверх, а не вниз на голову испытуемого. При такой компоновке не возникает проблем с неприятными сквозняками, и, хотя воздух поступает в камеру через эту трубу абсолютно сухим, нет ощущения чрезмерной сухости при вдыхании через ноздри, а поглощение влаги с кожи лица, головы или шеи недостаточно велико, чтобы вызвать неприятное чувство холода. Другая воздушная труба, как было предложено, принимает воздух из камеры в нижней передней части и проходит вокруг задней стенки к точке, где внешняя воздушная труба выходит из камеры.

Камера освещается через небольшую стеклянную дверцу в проеме для подачи пищи. Это так называемый «иллюминатор», используемый на судах. Через это стекло проходит достаточно света, чтобы испытуемый мог без труда видеть внутри калориметра, и большинство испытуемых могут комфортно читать. Если снаружи окна поместить электрический свет, освещение становится очень удовлетворительным, и повторные испытания показали, что при размещении 32-свечевой электрической лампы на расстоянии 0,5 метра от проема для пищи снаружи через окно не проходит измеримое количество тепла. В последнее время мы организовали освещение непосредственно внутри камеры с помощью небольшой вольфрамовой электрической лампы, подключенной к аккумуляторной батарее вне камеры. Эта лампа снабжена мощным зеркалом и стеклянным абажуром, поэтому свет в камере очень яркий и пригоден для чтения. Однако необходимо вносить поправку на выделяемое тепло, составляющую обычно около 3 калорий в час.

С помощью ручного микрофона и приемника испытуемый может по желанию общаться с наблюдателями снаружи. Кнопка и электрический звонок позволяют ему вызвать наблюдателей в любое время.

КОНТУР ТЕПЛОПОГЛОЩЕНИЯ.

Для отвода тепла, выделяемого испытуемым, крайне желательно обеспечить постоянный поток воды равномерной температуры. Прямое подключение к городскому водопроводу нецелесообразно из-за колебаний давления, поэтому при строительстве лабораторного корпуса было предусмотрено устройство большого резервуара на верхнем этаже, питаемого через поплавковый клапан. Благодаря этому уровень воды в резервуаре поддерживается постоянным, а давление, следовательно, остается стабильным. Поскольку уровень воды в резервуаре находится примерно на 9 метров выше отверстия в калориметре, давления вполне достаточно для всех целей.

Fig. 14.—Schematic diagram of water circuit for heat-absorbers of calorimeter. A, constant-level tank from which water descends to main pipe supplying heat-absorbers; a, valve for controlling supply from tank A; B, section of piping passing into cold brine; b, valve controlling water direct from large tank A; c, valve controlling amount of water from cooling section B; C, thermometer at mixer; D, electric heater for ingoing water; E, thermometer for ingoing water; d d d, heat-absorbers inside calorimeter; F, thermometer indicating temperature of outcoming water; G, can for collecting water from calorimeter; f, valve for emptying G.

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

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

Аппарат опирается на четыре тяжелые железные ножки. К этим ножкам прикреплены два швеллера, на которых покоится конструктивный каркас камеры калориметра. Метод разделения внешних асбестовых панелей показан на схеме. Чтобы обеспечить освещение камеры, внешняя стенка перед стеклянными окнами сделана из стекла, а не из асбеста. Передняя секция внешнего кожуха может быть легко снята для введения пациента.

В этой камере невозможно взвесить кровать и постельные принадлежности, и поэтому данный калориметр нельзя использовать для точного определения влаги, испаряемой с легких и кожи испытуемого, поскольку здесь (как и почти в любой форме респирационной камеры) абсолютно невозможно различить количество воды, испаренной с постельных принадлежностей, и воды, испаренной с легких и кожи испытуемого. В калориметре со стулом весовые устройства позволяют взвешивать стул, одежду и т. д. и, таким образом, распределять общее количество испаренной воды между потерями со стула, мебели и тела человека. Ввиду того, что воду, испаряемую с кожи и легких, определить не удалось, вся внутренняя часть камеры калориметра с кроватью была покрыта белой эмалевой краской, что придает ей светлый вид и делает ее гораздо более привлекательной для новых пациентов. Лампа накаливания, расположенная над головой спереди, очень хорошо освещает камеру, и, по правде говоря, пищевой шлюз расположен так, что можно лежать на койке и фактически смотреть наружу через одно из окон лаборатории.

Fig. 26.—Cross-section of bed calorimeter, showing part of steel construction, also copper and zinc walls, food-aperture, and wall and air-resistance thermometers. Cross-section of opening, cross-section of panels of insulating asbestos, and supports of calorimeter itself are also indicated.

В отношении этого калориметра были приняты особые меры предосторожности, чтобы сделать его максимально комфортным и привлекательным для новых и, возможно, встревоженных пациентов. Покраска стен, несомненно, приводит к конденсации большего или меньшего количества влаги, так как краска, безусловно, поглощает больше влаги, чем металлическая поверхность меди. Однако основная ценность определения воды, испаренной внутри камеры во время эксперимента, заключается не в изучении испарения воды как такового, а в том, что для испарения воды требуется определенное количество тепла, и, очевидно, точное измерение теплопродукции должно включать измерение количества испаренной воды. Что касается измерения тепла, то не имеет значения, испаряется ли вода с легких или кожи испытуемого, или с одежды, постельных принадлежностей или стен камеры; поскольку на каждый грамм воды, испаренной внутри камеры, из любого источника, должно было быть поглощено 0,586 калории тепла.

Аппарат в усовершенствованном виде очень чувствителен. Пребывание в камере не вызывает дискомфорта; на самом деле, в эксперименте, проведенном в январе 1909 года, испытуемый оставался внутри камеры в течение 30 часов. С пациентами-мужчинами не возникает трудностей при сборе мочи. Никаких приспособлений для дефекации не предусмотрено, поэтому в длительных экспериментах мы обычно опорожняем нижний отдел кишечника с помощью клизмы, чтобы как можно дольше отсрочить необходимость дефекации. Ни в одном из проведенных до сих пор экспериментов мы не сталкивались с трудностями, связанными с необходимостью удаления пациента из-за потребности в дефекации в тесных условиях. Весьма вероятно, что для большинства больных пациентов эксперименты не будут длиться более 8–10 часов, и, следовательно, аппарат в данной конструкции должен давать весьма удовлетворительные результаты.

При тестировании аппарата методом электрической проверки было установлено, что он чрезвычайно точен. Когда испытание проводилось со сжиганием спирта, как описано далее, было обнаружено, что большое количество влаги, по-видимому, удерживаемое белой эмалевой краской на стенах, искажает определение воды в течение нескольких часов после начала эксперимента, и только после нескольких часов непрерывной вентиляции содержание влаги в воздухе снижается до достаточно низкого уровня, чтобы установить равновесие между влагой, сконденсировавшейся на поверхности, и влагой в воздухе, и, таким образом, чтобы измеренное количество влаги в сосудах с серной кислотой было равно количеству влаги, образовавшейся при сжигании спирта. Следовательно, практически во всех экспериментах с алкогольной проверкой, особенно кратковременных, с этим калориметром значения для воды неизменно несколько завышены. Сравнение экспериментов с алкогольной проверкой, проведенных с калориметрами с кроватью и со стулом, проливает интересный свет на способность краски поглощать влагу и еще раз подчеркивает необходимость избегать использования гигроскопичных материалов внутри аппарата, в котором должны проводиться точные определения влаги, выделяемой телом.

Детали калориметра с кроватью лучше показаны на рис. 4. Отверстие спереди здесь удалено, и четко видна деревянная направляющая, по которой скользит рама, поддерживающая койку. Компенсатор давления (см. стр. 71) в частично растянутом состоянии показан подключенным к трубке входящего воздуха, а на верхней части калориметра, соединенный с компенсатором давления, находится манометр Зондена. На полу справа видна катушка сопротивления, используемая для электрических испытаний (см. стр. 50). Ряд соединений внутри камеры слева выполнен электрическими проводами или резиновыми трубками. Из пяти соединений, выходящих через отверстие, слева направо мы имеем: во-первых, резиновое соединение с пневмографом, затем трубку для соединения со стетоскопом, затем электрический термометр сопротивления, телефон и, наконец, кнопку для вызова звонком. Соединения для пневмографа и стетоскопа выполнены с приборами, находящимися снаружи на столе слева от калориметра с кроватью.

ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕЛА.

Хотя можно произвольно контролировать температуру калориметра путем увеличения или уменьшения количества отводимого тепла и тем самым точно компенсировать тепло, выделяемое испытуемым, при этом гидротермический эквивалент самой системы составляет около 20 калорий, с другой стороны, тело испытуемого может претерпевать заметные изменения температуры и тем самым влиять на измерение теплопродукции в заметной степени; ибо если тепло теряется организмом из-за падения температуры тела или накапливается, как показывает повышение температуры, очевидно, что тепло, выработанное за данный период, не будет равно теплу, отведенному и измеренному водяным потоком и скрытой теплотой испаренной воды. Поэтому для проведения точных измерений теплопродукции, в отличие от теплоотдачи, мы должны с большой точностью знать гидротермический эквивалент тела и изменения температуры тела. Самым удовлетворительным методом определения гидротермического эквивалента тела, известным в настоящее время, является принятие удельной теплоемкости тела равной 0,83 [14]. Этот коэффициент, конечно, будет значительно варьироваться в зависимости от веса тканей тела и доли жира, воды и мышечной ткани, присутствующих в нем, но для общих целей в настоящее время нельзя использовать ничего лучшего. Исходя из веса испытуемого и этого коэффициента, можно рассчитать гидротермический эквивалент тела. Остается, таким образом, с большой точностью определить температуру тела.

Рано осознав важность получения точных температур тела в исследованиях такого рода, мы провели ряд исследований, опубликованных в других местах [15], касающихся температуры тела в связи с экспериментами с респирационным калориметром. Вскоре выяснилось, что обычный ртутный клинический термометр не лучше всего подходит для наиболее точных наблюдений за температурой тела, и был использован специальный тип термометра, использующий метод электрического сопротивления. Однако во многих экспериментах с новыми испытуемыми непрактично усложнять эксперимент, прося их вставить электрический ректальный термометр, и поэтому мы были вынуждены прибегнуть к обычному клиническому термометру с измерением температуры во рту, хотя в нескольких случаях измерения проводились в подмышечной впадине и прямой кишке. Для достижения наилучших результатов используется электрический ректальный термометр. Этот аппарат позволяет проводить непрерывное измерение температуры тела глубоко в прямой кишке, незаметно для испытуемого и в течение неопределенного периода времени, причем термометр необходимо извлекать только для дефекации.

В результате этих наблюдений вскоре было обнаружено, что температура тела не является постоянной от часа к часу, а значительно колеблется и претерпевает более или менее регулярный ритм с минимумом между 3 и 5 часами утра и максимумом около 5 часов вечера. В ряде экспериментов, где использовался ртутный термометр под языком, а полученные таким образом наблюдения сравнивались с записями термометра сопротивления, было обнаружено, что при осторожном обращении и избегании мышечной активности, дыхания ртом и питья горячей или холодной жидкости можно получить довольно равномерное согласие между ними. Такие сравнения, сделанные на лаборантах, не могут быть воспроизведены с обычным испытуемым.

Предполагается, что колебания температуры, измеренные ректальным термометром, также справедливы для средней температуры всего тела, но данные по этому вопросу, к сожалению, не так полны, как хотелось бы. В более раннем отчете об исследованиях такого рода несколько экспериментов по сравнению измерений термометром сопротивления глубоко в прямой кишке и в хорошо закрытой подмышечной впадине показали отчетливую тенденцию кривых оставаться параллельными. В настоящее время очень необходимо исследование топографического распределения температуры тела и, в частности, хода колебаний в разных частях тела. Серия электрических термометров сопротивления, помещенных в разные точки толстой кишки, в разные точки желудочного зонда, в хорошо закрытую подмышечную впадину, возможно, прикрепленных к поверхности тела, а у женщин — во влагалище, должна дать очень точную картину распределения температуры тела и, аналогично, указать на пропорциональность колебаний в разных частях тела. Однако до завершения такого исследования необходимо исходить из того, что колебания температуры тела, измеренные электрическим ректальным термометром, являются истинной мерой средней температуры всего тела. Действительно, именно на этом предположении нам необходимо вносить поправки на тепло, потерянное организмом или накопленное в нем. Поэтому мы обычно рассчитываем гидротермический эквивалент, умножая вес тела на удельную теплоемкость тела, обычно принимаемую за 0,83, а затем вносим поправку на колебания температуры тела.

Если учесть, что для испытуемого весом 70 кг разница в температуре в 1° C приведет к разнице в измерении тепла примерно в 60 калорий, легко понять, что важность знания точной температуры тела невозможно переоценить; действительно, вся проблема сравнения прямой и непрямой калориметрии более или менее зависит именно от этого момента, и остается горячо надеяться, что вскоре будут проведены столь необходимые наблюдения за температурой тела.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ С КАЛОРИМЕТРОМ.

После обеспечения подходящего аппарата для отвода тепла, выделяемого внутри камеры, и для предотвращения потери тепла путем поддержания адиабатических условий стен, все еще необходимо продемонстрировать способность калориметра точно измерять известные количества тепла. Для этого мы пропускаем электрический ток известного напряжения через катушку сопротивления и таким образом выделяем тепло внутри респирационной камеры. Хотя, несомненно, использование стандартного сопротивления и потенциометра является наиболее точным методом измерения токов такого рода, до сих пор мы основывали наши эксперименты на измерениях, сделанных с помощью чрезвычайно точных портативных вольтметров и миллиамперметров Weston. Благодаря любезности одного из наших бывших сотрудников, г-на С. К. Динсмора, в настоящее время работающего в компании Weston Electrical Instrument Company, мы смогли получить два особенно точных прибора. Миллиамперметр настроен так, чтобы давать максимальный ток 1,5 ампера, а вольтметр показывает от нуля до 150 вольт. Постоянный ток, подаваемый в здание, пропускается через переменное сопротивление для регулировки незначительных колебаний напряжения, а затем через миллиамперметр в манганиновую катушку сопротивления внутри камеры, имеющую сопротивление 84,2 Ом. Два вывода от клемм манганиновой катушки соединяются с вольтметром снаружи камеры, и, следовательно, падение потенциала можно измерять очень точно и так часто, как это необходимо. Ток, подаваемый в здание, удивительно стабилен, но для более точных экспериментов требуется небольшая степень ручной регулировки.

Преимущество электрического метода контроля аппарата заключается в том, что измерения могут быть выполнены очень точно, быстро и за короткие промежутки времени. При проведении экспериментов такого рода мы обычно сначала помещаем катушку сопротивления в калориметр и выполняем соединения. Затем через катушку пропускается ток, и одновременно начинается подача воды через систему поглощения тепла, и весь калориметр как можно скорее приводится в состояние температурного равновесия. Когда температура воздуха и стенок становится постоянной, а система термопар — в равновесии, отмечается точное время и водяной поток направляется в измеритель. В конце одного часа, обычной продолжительности периода, водяной поток отводится от измерителя, измеритель взвешивается, а средняя разность температур воды получается путем усреднения результатов всех разностей температур, отмеченных в течение часа. Обычно во время эксперимента такого рода записи температуры воды делаются каждые 4 минуты; иногда, когда колебания несколько больше обычных, записи делаются каждые 2 минуты.

Расчет тепла, выделенного в аппарате, производится по формуле C × E × t × 0,2385 = калории, в которой C равно току в амперах, E — электродвижущей силе, а t — времени в секундах. Это дает тепло, выраженное в калориях при 15° C. Эту процедуру мы выполняли в результате рекомендации доктора Э. Б. Розы из Национального бюро стандартов. Чтобы перевести значения в 20°, единицу, обычно используемую в калориметрических работах, необходимо было умножить на отношение удельной теплоемкости воды при 15° к удельной теплоемкости воды при 20°. Предполагая, что удельная теплоемкость воды при 20° равна 1, удельная теплоемкость при 15° равна 1,001 [16].

Из многих электрических контрольных испытаний, проведенных с этим типом аппарата, здесь достаточно привести лишь одно, в ожидании специального рассмотрения метода контроля калориметра в готовящейся к публикации работе. Электрический контрольный эксперимент с калориметром со стулом был проведен 4 января 1909 года и продолжался 6 часов. Вольтметр и миллиамперметр считывались каждые несколько минут, вода, собранная в водяном счетчике, тщательно взвешивалась, а разности температур, измеренные на двух ртутных термометрах, записывались каждые 4 минуты.

Тепло, выделенное во время эксперимента, можно рассчитать по данным следующим образом: средний ток = 1,293 ампера; средняя ЭДС = 109,15 вольт; время = 21 600 секунд; коэффициент, используемый для перевода ватт-секунд в калории = 0,2385. (1,293 × 109,15 × 21600 × 0,2385) × 1,001 = 727,8 калории произведено.

В течение 6 часов через поглощающую систему прошло 237,63 килограмма воды.

Среднее повышение температуры составило 3,04° C, общее количество отведенного тепла составило, следовательно, (237,63 × 3,04) × 1,0024 [17] = 724,1 калории.

Таким образом, за 6 часов внутри аппарата выделилось примерно на 3,7 калории больше тепла, чем было измерено водяным потоком, что составляет расхождение около 0,5 процента.

При идеальных условиях манипуляции отвод тепла из калориметра должен происходить с такой скоростью, чтобы точно компенсировать тепло, выделяемое катушкой сопротивления. При этих условиях, следовательно, из калориметра не должно извлекаться и им не должно накапливаться тепло, и его температура должна оставаться постоянной на протяжении всего эксперимента. На практике этого очень трудно достичь, и во время длительного эксперимента, да и во время короткого экспериментального периода, возникают незначительные колебания температуры выше и ниже начальной. Если в камере калориметра было накоплено определенное количество тепла или оно было извлечено из нее, следует внести поправки на изменения температуры камеры. Такие поправки невозможны без надлежащего определения гидротермического эквивалента. Был проведен ряд экспериментов по определению этого гидротермического эквивалента, и результаты записаны далее, вместе с обсуждением характера экспериментов. В результате этих экспериментов удалось внести поправку на незначительные изменения температуры в калориметре.

Интересно отметить, что эти колебания невелики, и поэтому в определении гидротермического эквивалента может быть значительная ошибка, не влияющая особенно на поправки, применяемые в обычном электрическом контрольном испытании. Самая большая трудность, с которой пришлось столкнуться при использовании калориметра как средства измерения тепла, заключалась в обеспечении средней температуры входящей воды. Разность температур между массой воды, протекающей по трубам, и внешней стенкой трубы в лучшем случае значительна. Использование стеклянных трубок с вакуумной рубашкой значительно минимизировало потерю тепла через эту трубку, но желательно, чтобы баллон термометра был помещен точно в центр водяной трубки, иначе будет получено слишком высокое показание температуры. Когда принимаются надлежащие меры предосторожности для получения правильного показания температуры, результаты оказываются весьма удовлетворительными.

При тестировании обоих калориметров большое количество электрических контрольных экспериментов привело к выводу, что расхождения в результатах неизменно были связаны не с потерей тепла через стенки калориметра, а с ошибочным измерением температуры водяного потока.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРОТЕРМИЧЕСКОГО ЭКВИВАЛЕНТА КАЛОРИМЕТРА.

Хотя температурный контроль калориметра таков, что в целом средняя температура изменяется лишь на несколько сотых градуса между началом и концом экспериментального периода, при чрезвычайно точной работе необходимо знать количество тепла, которое поглощается при любом повышении температуры. Другими словами, определение гидротермического эквивалента является существенным.

Подавляющее большинство методов определения гидротермического эквивалента материалов сразу исключается, если принять во внимание природу используемого здесь калориметра. Очевидно, что при нагреве камеры существуют два источника тепла: во-первых, тепло внутри камеры; во-вторых, тепло во внешних стенках. Как было описано ранее, цинковая стенка произвольно нагревается так, чтобы ее температурные колебания точно следовали за колебаниями внутренней стенки, поэтому вычислить гидротермический эквивалент по весу металла невозможно. Однако с помощью электрических контрольных экспериментов метод определения гидротермического эквивалента находится под рукой. Общая схема заключается в следующем.

Во время электрического контрольного эксперимента, когда тепловое равновесие полностью установлено и тепло, отводимое водяным потоком, точно уравновешивает тепло, генерируемое в катушке сопротивления внутри камеры, температуре калориметра позволяют медленно повышаться путем повышения температуры входящей воды и, таким образом, отвода меньшего количества тепла. В то же время принимаются все меры для поддержания адиабатического состояния металлических стенок. Поскольку в этот период температура повышается, необходимо нагревать воздух во внешних пространствах с помощью электрического тока. Этим методом можно повысить температуру калориметра на 1 градус или более за 2 часа и установить тепловое равновесие на более высоком уровне. Затем эксперимент продолжается в течение 2 часов на этом уровне, а в следующие 2 часа температуре постепенно позволяют падать путем снижения температуры входящей воды, так что отводится больше тепла, чем генерируется, при этом также принимаются меры для поддержания адиабатичности стенок. При этих условиях тепло, отводимое водяным потоком в период повышения температуры, значительно меньше того, которое фактически выделяется электрическим током, и разница представляет собой количество тепла, поглощенного калориметром в период повышения температуры. И наоборот, в период, когда температура падает, происходит значительное увеличение количества тепла, отводимого водяным потоком, по сравнению с тем, которое генерируется в катушке сопротивления, и разница точно представляет собой количество тепла, отданного калориметром во время падения температуры. Таким образом, можно измерить способность калориметра поглощать тепло во время повышения температуры и количество тепла, теряемого им во время охлаждения. Был проведен ряд таких экспериментов с обоими калориметрами, и было обнаружено, что гидротермический эквивалент калориметра с кроватью составляет около 21 килограмма. Для калориметра со стулом была найдена несколько меньшая цифра, т. е. 19,5 килограмма.

ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ РЕСПИРАЦИОННОГО АППАРАТА.

Этот аппарат разработан во многом по принципу аппарата Рено-Рейзе, в том смысле, что существует ограниченный объем воздуха, в котором находится испытуемый и который очищается при прохождении через сосуды, содержащие поглотители воды и углекислого газа. Свежий кислород добавляется к этому потоку воздуха, а затем он возвращается в камеру для дыхания. Этот принцип, чтобы быть точным для определений кислорода, требует абсолютно герметичной системы, и, следовательно, при строительстве камеры и принадлежностей были приняты особые меры предосторожности.

ПРОВЕРКА КАМЕРЫ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ.

Как уже предполагалось, стенки изготовлены из максимально возможных листов меди с минимальным количеством швов и возможностей для утечки. При проверке аппарата на утечки принимаются величайшие меры предосторожности. Применяется небольшое давление воздуха и отмечаются изменения высоты чувствительного манометра. В случаях явной утечки все возможные источники утечки проверяются мыльной пеной, когда в камере создается небольшое давление. В качестве последнего средства, которое в конечном итоге оказалось лучшим методом проверки, помощник заходит внутрь камеры, она герметично закрывается, и создается небольшое пониженное давление. Затем вокруг стенок камеры разливается эфир, и запах эфира вскоре становится заметным внутри камеры, если есть утечка. Многие утечки, которые не удалось обнаружить с помощью мыльной пены, можно легко обнаружить этим методом.

ВЕНТИЛЯЦИЯ КАМЕРЫ.

Особенностями респирационной камеры являются система вентиляционных труб и отверстия для дополнительной аппаратуры для поглощения воды и углекислого газа. Воздух, поступающий в камеру, абсолютно сухой и направляется в верхнюю часть камеры непосредственно над головой испытуемого. Влага, выделяемая легкими и кожей, и выдыхаемые газы имеют тенденцию легко смешиваться с этим сухим воздухом по мере его опускания, и конечная смесь газов отводится через отверстие в нижней части камеры спереди. При этих условиях, следовательно, мы считаем, что достигаем максимального перемешивания газов. Однако даже при такой системе вентиляции мы не считаем, что теоретически достигается наилучшее смешивание газов, и внутри камеры используется электрический вентилятор. В экспериментах, где наблюдается значительная регулярность в продукции углекислого газа и потреблении кислорода, система очень быстро достигает состояния равновесия, и, хотя анализ выходящего воздуха не обязательно точно представляет фактический состав воздуха внутри камеры, он, очевидно, представляет в той же степени от часа к часу состояние равновесия, которое обычно поддерживается в течение всего 6-часового эксперимента.

Внутренняя часть камеры и все приспособления изготовлены из металла, за исключением стула, на котором сидит испытуемый. Он сделан из твердого дерева, хорошо покрыт шеллаком и, следовательно, непористый. С помощью этого калориметра желательно проводить исследования относительно выделения влаги, и, следовательно, необходимо избегать использования всех материалов гигроскопического характера. Хотя стул можно время от времени взвешивать с большой точностью и получать его изменения в весе, очевидно невозможно, в любом типе эксперимента, проведенном до сих пор, дифференцировать воду, испаренную с легких и кожи человека, и воду с его одежды. Последующие эксперименты с металлическим стулом, с минимальной одеждой, с тканью разной текстуры, без одежды, с промасленной кожей и различными другими модификациями, влияющими на испарение воды с тела человека, несомненно, прольют более определенный свет на вопрос выделения воды через кожу. В настоящее время, однако, мы прибегаем к использованию деревянного стула, полагаясь на его изменения в весе, отмеченные весами, чтобы помочь нам распределить испаренную воду между человеком, его одеждой и стулом.

Стенки камеры полужесткие. Из-за калориметрических особенностей этого аппарата непрактично использовать тяжелую котельную сталь или тяжелые металлические стенки, так как инерционность изменений температуры, масса металла и его относительно большой гидротермический эквивалент серьезно мешали бы чувствительности аппарата как калориметра. Поэтому мы используем медные стенки с достаточной степенью жесткости, прикрепленные к прочной опоре из конструкционной стали; и для всех практических целей аппарат можно считать имеющим постоянный объем. Особенно это касается того случая, когда учитывается, что давление внутри камеры во время эксперимента никогда не отклоняется от атмосферного давления более чем на несколько миллиметров водяного столба. Поэтому из измерений этой камеры можно с достаточной точностью вычислить абсолютный объем. Видимый объем был рассчитан как 1347 литров.

ОТВЕРСТИЯ В КАМЕРЕ.

Для связи с внутренней частью камеры, поддержания вентиляционного воздушного потока и обеспечения прохождения потока воды для системы теплопоглотителя и большого количества электрических соединений потребовался ряд отверстий через стенки камеры. Большая важность поддержания этой камеры абсолютно герметичной делает необходимым минимизировать количество этих отверстий, максимально уменьшить их размер и принять дополнительные меры предосторожности для обеспечения их закрытия во время эксперимента. Самым большим отверстием, очевидно, является люк в верхней части, через который входит испытуемый, показанный пунктиром на рис. 7. Хотя входить в камеру таким образом несколько неудобно, вход сверху обладает многими преимуществами. Он легко закрывается и герметизируется горячим воском, и утечка случается редко. Люк сконструирован точно по тому же плану, что и остальная часть калориметра, имея двойные стенки из меди и цинка, систему термопар, нагревательные провода и соединения, а также охлаждающие трубки. Когда он закрыт и загерметизирован, а соединения выполнены с охлаждающими трубками и нагревательными проводами, он выглядит не иначе, чем любая другая часть калориметра.

Следующее по величине отверстие — это проем для подачи пищи, представляющий собой большую, слегка сплющенную трубку из листовой меди, что придает ей овальную форму, закрытую люком, подобным тем, что используются на судах. Дверца люка состоит из тяжелой латунной рамы с толстым стеклянным окном и может быть плотно закрыта с помощью резиновой прокладки и двух винтов-барашков. Снаружи используется аналогичный люк, снабженный трубкой, диаметр которой несколько больше, чем у трубки, соединенной с внутренним люком. Кольцевое пространство между этими трубками заполнено пневматической прокладкой, которую можно надуть, обеспечив тем самым герметичность. Когда одна дверца закрыта, а другая открыта, предметы можно помещать в камеру и извлекать из нее без значительного перемещения воздуха из камеры в помещение или снаружи в камеру.

Воздушные трубки, проходящие через стенку калориметра, представляют собой стандартные 1-дюймовые трубы. Изоляция от медной стенки обеспечивается резиновой пробкой, через которую проходит трубка; пробка плотно вставлена в латунную втулку, прочно припаянную к медной стенке. Это подробно показано на рис. 25, где N — латунная втулка, а M — резиновая пробка, через которую проходит воздушная трубка. Соединение абсолютно герметично, а теплопотери из камеры минимальны благодаря изоляции резиновой пробкой M. Водяной поток входит в камеру и выходит из нее через две трубки, изолированные в двух аналогичных латунных втулках, припаянных к медной и цинковой стенкам. Изоляция между водяной трубкой и латунной втулкой была предметом многочисленных экспериментов и обсуждается на стр. 24. Наилучшая изоляция была достигнута с помощью стеклянной трубки с вакуумной рубашкой, хотя специальные трубки из твердой резины, окружающие электрические термометры сопротивления, также оказались весьма эффективными изоляторами в калориметре для кровати.

Ряд небольших латунных трубок диаметром от 10 до 15 миллиметров припаян к медной стенке вблизи водяных трубок. Они используются для электрических соединений, а также для подключения манометра, стетоскопа и пневмографа. Все эти отверстия тщательно проверяются и перед использованием доказывают свою абсолютную герметичность.

В куполе калориметра, непосредственно над головой испытуемого, находится отверстие для весового аппарата. Оно состоит из трубки из твердой резины, имеющей резьбу на одном конце и ввинченной в латунный фланец, прочно припаянный к медной стенке (рис. 9). Когда аппарат не используется, в это отверстие вставляется сплошная резиновая пробка на латунном стержне, обеспечивающая герметичность. Во время взвешивания тонкая резиновая диафрагма предотвращает утечку воздуха через это отверстие. Утечка тепла через трубку для взвешивания минимизируется за счет того, что эта трубка изготовлена из твердой резины.

ВЕНТИЛЯЦИОННЫЙ ВОЗДУШНЫЙ ПОТОК.

Fig. 27.—Diagram of ventilation of respiration calorimeter. The air is taken out at lower right-hand corner and forced by the blower through the apparatus for absorbing water and carbon dioxide. It returns to the calorimeter at the top. Oxygen can be introduced into the chamber itself as need is shown by the tension equalizer.

Вентиляционный воздушный поток отрегулирован таким образом, что воздух, покидающий камеру, проходит через очистители, где удаляются водяной пар и углекислый газ, а затем, после обогащения свежим кислородом, возвращается в камеру для повторного использования. Общая схема респираторного аппарата показана на рис. 27. Воздух, выходящий из камеры, содержит углекислый газ, водяной пар и исходное количество азота, а также имеет некоторый дефицит кислорода. Для очистки воздуха его необходимо пропустить через поглотители углекислоты и водяного пара, поэтому для проталкивания газа через эти очистительные сосуды требуется определенное давление. Это давление создается небольшим ротационным нагнетателем, который был подробно описан ранее. Воздух последовательно принудительно пропускается через серную кислоту, натронную или поташную известь и снова через серную кислоту. В конечном итоге он направляется обратно в респираторную камеру, будучи очищенным от углекислого газа и воды, но с дефицитом кислорода. В камеру подается чистый кислород для восполнения дефицита, и таким образом регенерированный воздух снова вдыхается испытуемым.

НАГНЕТАТЕЛЬ.

Ротационный нагнетатель, используемый в этих экспериментах для поддержания вентиляционного потока воздуха, показал себя с наилучшей стороны. Это так называемый нагнетатель прямого вытеснения, способный создавать значительное давление на выходе и разрежение в несколько дюймов ртутного столба на входе. При скорости 230 оборотов в минуту он подает воздух под давлением 43 миллиметра ртутного столба, прогоняя его через очистительные сосуды со скоростью 75 литров в минуту. Эта скорость вентиляции была установлена как удовлетворительная для всех экспериментов и является постоянной. При давлении 43 миллиметра ртутного столба существует вероятность утечки воздуха из соединений нагнетателя, поэтому, чтобы немедленно заметить это, система нагнетателя погружена в бак, наполненный тяжелым смазочным маслом. Однако соединения выполнены настолько качественно, что утечки случаются редко, а если они и происходят, то небольшое подтягивание сальника на валу снова делает аппарат герметичным.

ПОГЛОТИТЕЛИ ВОДЯНОГО ПАРА.

Задача поглощения от 25 до 40 граммов водяного пара в час из потока воздуха, движущегося со скоростью 75 литров в минуту, и обеспечения при этом практически полной сухости воздуха была решена с помощью описанного здесь аппарата. Первые попытки достичь этого результата включали использование эмалированных железных кастрюль для супового бульона, оснащенных специальными эмалированными железными крышками и закрытых резиновыми прокладками. Для предварительных экспериментов и нескольких опытов с участием человека они оказались удовлетворительными, но, несмотря на их устойчивость к воздействию серной кислоты, было обнаружено, что они не так хороши, как хотелось бы для постоянных экспериментов из года в год. Тогда прибегли к специальной форме глазурованной химической керамики, причем использовали тип, который обычно отлично зарекомендовал себя на производственных предприятиях.

Эта особая форма поглотителей создавала много трудностей при изготовлении, но механические проблемы были преодолены благодаря мастерству гончара, и ряд таких сосудов был поставлен компанией Charles Graham Chemical Pottery Works. И здесь эти сосуды служили нашим целям в течение нескольких месяцев, но, к сожалению, использованная глазурь не покрывала их полностью, и происходила небольшая, хотя и постоянная, утечка серной кислоты через пористые стенки. Чтобы преодолеть эту трудность, внутреннюю поверхность сосудов после длительного промывания для удаления кислоты и тщательной просушки покрывали горячим парафином. Парафинированные поглотители продолжали работать удовлетворительно, но вскоре стало ясно, что для постоянного использования необходимо что-то более надежное. После бесчисленных испытаний с глазурованными сосудами из различных видов керамики и стекла были достигнуты договоренности с Королевским фарфоровым заводом в Берлине о формовке и изготовлении этих поглотителей из их высокопрочного фарфора. Результат до сих пор не оставляет желать лучшего для сосуда такого назначения. Ряд таких поглотителей был изготовлен и постоянно использовался в течение года, не вызывая никаких нареканий.

На рис. 28 показано устройство внутренней части аппарата. Воздух входит через одно отверстие в верхней части, проходит вниз по изогнутой трубке и попадает в ряд «розеток», состоящих из перевернутых круглых блюдец с отверстиями по краям. Положение отверстий таково, что когда сосуд заполнен серной кислотой на одну четверть или одну треть, воздух должен пройти через кислоту трижды. Для предотвращения разбрызгивания к отверстию, через которое воздух выходит из поглотителя, прикреплено небольшое чашеобразное устройство с отверстиями, а для заполнения сосуда кислотой у одного из краев сделано небольшое отверстие. Спецификации требовали, чтобы аппарат был абсолютно герметичным при давлении более 1 метра водяного столба, и отсутствие пористости в этих сосудах при таких условиях подтверждается тем фактом, что такое давление удерживается неопределенно долго. Внутренняя и внешняя поверхности обильно покрыты глазурью. Видимого воздействия серной кислоты на сосуды нет, и небольшое повышение температуры, возникающее в результате поглощения водяного пара при прохождении воздуха, по-видимому, не оказывает вредного воздействия.

Fig. 28.—Cross-section of sulphuric-acid absorber. The air enters at the top of the right-hand opening, descends to the bottom of the absorber, and then passes through three concentric rings, which are covered with acid, and it finally passes out at the left-hand opening. Beneath the left-hand opening is a cup arrangement for preventing the acid being carried mechanically out through the opening. The opening for filling and emptying the absorber is shown midway between the two large openings.

Сосуды без наполнителя и без резиновых колен весят 11,5 килограмма; со специальными коленами и муфтами, прикрепленными для соединения с вентиляционной системой, пустые поглотители весят 13,4 килограмма; а заполненные серной кислотой они весят 19 килограммов. Многократные испытания показали, что 5,5 килограмма серной кислоты удаляют водяной пар из потока воздуха, проходящего через поглотители со скоростью 75 литров в минуту, не пропуская заметного количества пара, пока не будет поглощено 500 граммов воды. При такой степени насыщения небольшое постоянное количество влаги избегает поглощения в кислоте, и, следовательно, второй поглотитель начинает прибавлять в весе. Эксперименты показывают, что первый сосуд может поглотить 1500 граммов воды, прежде чем второй прибавит 5 граммов. На самом деле было признано более выгодным использовать только один поглотитель и заменять его, как только он прибавит 400 граммов, что обеспечивает достаточный запас прочности и исключает опасность потери воды.

БАКИ С ПОТАШНОЙ ИЗВЕСТЬЮ.

Проблема поглощения водяного пара из столь быстрого потока воздуха уступает по важности только проблеме поглощения углекислого газа из такого же потока. Все эксперименты с гидроксидом калия в виде палочек или в растворе не дали желаемых результатов, и использование натронной извести дополнило все другие формы поглощения углекислого газа. В последнее время мы используем поташную известь, заменяя в формуле едкий натр на едкое кали, и полученные результаты, если не лучше, то по крайней мере не менее удовлетворительны, чем при использовании натронной извести.

Поташная известь изготавливается следующим образом: 1 килограмм измельченного технического гидроксида калия растворяют в 550–650 кубических сантиметрах воды и медленно добавляют 1 килограмм измельченной негашеной извести. Количество используемой воды варьируется в зависимости от содержания влаги в поташе. Содержание влаги в разных бочках с поташем различается, поэтому при вскрытии бочки мы экспериментально определяем количество воды, которое необходимо использовать. После того как смесь приготовлена таким образом, ей следует дать остыть, прежде чем проверять, достаточно ли в ней воды; это определяется на ощупь и по тому, как она растирается в руке. Не рекомендуется готовить большое количество за один раз, поскольку мы обнаружили, что если приготовить большое количество, разбить его на мелкие частицы и хранить в контейнере, оно имеет тенденцию слеживаться, что затрудняет его последующее использование.

Велся учет прироста веса бака, наполненного поташной известью, в ходе серии экспериментов, где использовались три посеребренных бака. Этот бак устанавливался в начале системы, и когда он начинал терять вес, его заменяли. Суммарный прирост веса составил 400 граммов. Исходя из опыта работы с другими баками, где определялась потеря влаги, весьма вероятно, что из реагента испарилось не менее 200 граммов воды, и, таким образом, общее количество поглощенного углекислого газа должно было составлять около 600 граммов. В настоящее время наш метод заключается не в том, чтобы позволить бакам набрать определенный вес, а в том, чтобы во время 4- или 5-часовых экспериментов, в которых каждый бак может использоваться 2 или 3 часа, устанавливать новый бак с каждой стороны системы поглотителей (см. стр. 66) в начале каждого эксперимента. Это обеспечивает одинаковую поглотительную способность с обеих сторон системы поглощения, так что остаточное количество углекислого газа в камере от периода к периоду не претерпевает очень заметных изменений. Этот метод был признан наилучшим, потому что если один бак оставить на день дольше другого, то из-за неравной эффективности поглотителей в аппарате неизбежно будут чередоваться повышение и понижение количества остаточного углекислого газа.

Эти баки ежедневно относят в подвал, где только первая секция извлекается и заменяется свежей поташной известью. Таким образом, три четверти содержимого бака используются многократно, в то время как первая четверть обновляется каждый день. Поташная известь оказалась непрактичной для U-образных трубок, поскольку в ней, в отличие от натронной извести, нельзя увидеть побеление реагента в месте поглощения углекислого газа.

Важность поддержания некоторой влажности натронной или поташной извести для обеспечения максимальной эффективности поглощения углекислого газа делает необходимым поглощение влаги, которую сухой воздух захватывает при прохождении через бак с поташной известью. Следовательно, в систему помещается второй сосуд с серной кислотой, чтобы принимать воздух сразу после того, как он выходит из бака с поташной известью. Очевидно, что количество воды, поглощаемой здесь, намного меньше, чем в первом кислотном поглотителе, и поэтому один и тот же поглотитель можно использовать для большего числа экспериментов.

ВЕСЫ ДЛЯ ВЗВЕШИВАНИЯ ПОГЛОТИТЕЛЕЙ.

Полное удаление водяного пара и углекислого газа из потока воздуха, движущегося со скоростью 75 литров в минуту, требует использования больших и несколько громоздких сосудов, в которые помещается поглощающий материал. Это особенно касается сосудов, содержащих довольно большие количества серной кислоты, необходимые для осушки воздуха. В течение часа из камеры обычно удаляется около 25 граммов водяного пара и от 20 до 30 граммов углекислого газа. Это требует взвешивания поглотителей с точностью до 0,25 грамма, если желательна точность в 1 процент. Поглотители с серной кислотой весят около 18 килограммов в заполненном состоянии. Чтобы взвесить этот сосуд и точно измерить увеличение веса из-за поглощения воды с точностью менее 1 процента, мы используем весы, показанные на рис. 29. Эти весы применялись в ряде других манипуляций в связи с респирационным калориметром и вспомогательным аппаратом, и данный тип весов не оставляет желать лучшего как прибор, способный нести тяжелую нагрузку с замечательной чувствительностью.

Весы жестко установлены на раме, состоящей из четырех вертикальных стальных угольников, закрепленных сверху на прочном деревянном основании. Две тяжелые деревянные балки проходят вдоль всей длины стола и служат прочной базой, к которой привинчена стойка весов. Весы окружены стеклянным футляром для предотвращения ошибок из-за воздушных потоков (см. рис. 2). Чашка весов недостаточно велика, чтобы позволить взвесить поглотитель, поэтому предусмотрена возможность подвешивания его на стальном или латунном стержне к одному из плеч коромысла. Этот стержень проходит через отверстие в дне футляра весов, а его нижний конец снабжен трубкой с крючками на обоих концах. Поскольку используется увеличение веса, а не абсолютный вес поглотителя, большая часть веса компенсируется свинцовыми противовесами, подвешенными над чашкой на правом плече коромысла. Остаток веса добирается латунными гирями, помещенными на чашку.

Fig. 29.—Balance for weighing absorbers, showing general type of balance and case surrounding it, with counterpoise and weights upon right-hand pan. A sulphuric-acid absorber is suspended in position ready for weighing. Elevator with compressed-air system is shown in lower part of case.

Для подвешивания этого тяжелого поглотителя был сконструирован небольшой подъемник, чтобы сосуд можно было поднимать с помощью поршня, работающего на сжатом воздухе. Этот поршень расположен в вертикальном положении справа от подъемника и соединен с системой подачи сжатого воздуха здания. Давление составляет около 25 фунтов на квадратный дюйм, а диаметр цилиндра — 2,5 дюйма, что обеспечивает достаточную мощность для подъема и опускания подъемника с грузом. Поворачивая трехходовой клапан на конце трубы подачи сжатого воздуха так, чтобы воздух устремлялся в цилиндр над поршнем, поршень опускается к основанию цилиндра, и подъемник тем самым поднимается. Давление сжатого воздуха удерживает подъемник в этом положении, пока крючки регулируются на поглотителе. Поворачивая трехходовой клапан так, чтобы открыть выхлоп, ведущий к верхней части цилиндра, в атмосферу, вес подъемника вытесняет воздух, и он вскоре опускается в положение, показанное на рисунке. Затем можно произвести взвешивание, пока поглотитель свободно висит в воздухе. После взвешивания подъемник снова поднимается, крючки освобождаются, и поворотом клапана подъемник с грузом безопасно опускается.

Размер отверстий труб в цилиндре отрегулирован таким образом, что движение подъемника происходит плавно и умеренно, независимо от того, поднимается он или опускается, что позволяет избежать резких толчков, которые могли бы привести к повреждению поглотителей. С помощью этой системы можно взвешивать поглотители с точностью до 0,1 грамма, и, если бы это было необходимо, погрешность, вероятно, можно было бы уменьшить до 0,05 грамма. На весах такого типа, описанных в другом месте, можно было получить результаты с точностью до 0,02 грамма. Однако для всех практических целей мы не используем весы для взвешивания поглотителей с точностью выше 0,10 грамма. При попытке достичь точности не выше этой нет необходимости опускать стеклянную дверцу футляра весов или закрывать две дверцы отсека, в котором находится подъемник, так как слабые воздушные потоки не влияют на точность взвешивания, когда требуется чувствительность лишь в 0,1 грамма.

ОЧИСТКА ВОЗДУШНОГО ПОТОКА С ПОМОЩЬЮ БИКАРБОНАТА НАТРИЯ.

Как и следовало ожидать, прохождение такого большого объема воздуха через серную кислоту в столь относительно малом пространстве приводит к появлению слабого кислотного запаха в воздушном потоке, выходящем из этого поглотителя. Количество вещества, покидающего поглотитель таким образом, не поддается взвешиванию, как показали повторные испытания, но, тем не менее, существует достаточно раздражающий кислотный запах, делающий воздух очень неприятным для последующего дыхания. Было обнаружено, что этот запах можно полностью устранить, пропуская воздух через бак, содержащий вату и сухой бикарбонат натрия. Этот бак не взвешивается, и, действительно, после многих дней использования в его весе не происходит заметных изменений.

КЛАПАНЫ.

Чтобы разделить эксперименты на периоды длительностью 1 или 2 часа, необходимо в конце каждого периода переключать воздушный поток с одного набора очистителей на другой, чтобы взвесить использованный набор и измерить количество поглощенного углекислого газа и водяного пара. Условия, при которых производятся эти переключения с одной системы на другую и которые требуют абсолютно газонепроницаемого закрытия, были подробно обсуждены в другом месте. Достаточно сказать здесь, что подавляющее большинство механических клапанов не подойдет для этой цели, поскольку необходимо иметь давление около 40 миллиметров ртутного столба с одной стороны клапана на входе в систему поглотителей и атмосферное давление с другой. Должен использоваться клапан с внутренним диаметром не менее 25 миллиметров, и обеспечить плотное закрытие такой большой площади при частом открывании и закрывании сложно. После экспериментов с большим количеством клапанов для ранних аппаратов был выбран клапан специальной конструкции, использующий механическое уплотнение, погруженное в ртуть. Возможность загрязнения воздушного потока парами ртути была должным образом рассмотрена и отмечена в описании этого аппарата. Только два года спустя начали возникать трудности, и несколько человек серьезно отравились, находясь внутри камеры. Обсуждение этого вопроса было представлено в другом месте. В то время ртутные клапаны использовались как на входе, так и на выходе системы поглотителей, хотя, по правде говоря, когда воздух покидает последний поглотитель и возвращается в респираторную камеру, давление лишь немного превышает атмосферное. Следовательно, на выходе механические клапаны были заменены ртутными, и симптомы отравления исчезли. При создании новых калориметров казалось желательным, по возможности, избежать использования ртути. Нам повезло найти механический клапан, который идеально соответствовал этому условию. Эти клапаны, которые очень хорошо сконструированы, никогда не давали сбоев в обеспечении полной герметичности при всех возможных испытаниях и используются на выходе и входе системы поглотителей. Их качество изготовления первоклассное, и клапан несколько дороже обычных механических клапанов. Они используются в аппарате уже год и неизменно доказывают свою абсолютную герметичность. Их легко достать, ими гораздо проще манипулировать, и они гораздо менее громоздки, чем ртутные клапаны, использовавшиеся ранее.

МУФТЫ.

На протяжении всего процесса создания респираторного аппарата и его различных частей постоянно учитывалось, что малейшая утечка будет катастрофической для точного определения кислорода. В любой точке, где давление выше или ниже атмосферного, необходимо принимать особые меры предосторожности. Ни в одной точке всего аппарата не требуется быть более осторожным, чем с муфтами, которые соединяют различные системы поглотителей друг с другом и с клапанами; ведь эти муфты открываются и закрываются каждый час или два и поэтому подвергаются значительным нагрузкам в разных точках. Если они не герметичны, эксперимент провален в том, что касается определения кислорода. Для различных частей системы поглотителей мы полагались на оригинальный тип муфт, использовавшихся в ранних аппаратах. Между мужской и женской частями муфты помещается резиновая прокладка, и соединение можно сделать очень плотным. Фактически, после того как поглотители установлены на место, они неизменно подвергаются суровым испытаниям на герметичность.

Для соединения трубопровода между калориметром и системой поглощения мы используем обычные дюймовые шланговые муфты, прочно затянутые с помощью гаечного ключа и разбираемые только при необходимости перехода от одной камеры калориметра к другой.

СТОЛ ПОГЛОТИТЕЛЕЙ.

Очистительный аппарат для воздушного потока компактно и удобно размещен на прочно сконструированном столе, который можно по желанию перемещать по лаборатории. Специальная форма роликов на нижней части ножек стола позволяет перемещать его по лаборатории, а завинчивание ручных винтов позволяет прочно зафиксировать стол на полу.

Детали стола показаны на рис. 30. (См. также рис. 4, стр. 4.) Воздух, поступающий из калориметра, проходит в направлении стрелки вниз через 3/4-дюймовую трубку в нагнетатель, который погружен в масло в железном ящике F. Нагнетатель приводится в действие электродвигателем, закрепленным на небольшой полке слева от стола. Воздух, покидающий нагнетатель, поднимается в направлении стрелки к клапанной системе H, где он может быть направлен в один из двух параллельных наборов очистителей; после прохождения через эти очистители (сосуд с серной кислотой 2, контейнер с поташной известью K и сосуд с серной кислотой 1) он проходит через бак с бикарбонатом натрия G к дублирующей клапанной системе на столе. Оттуда он проходит через трубку вдоль верхней части стола и поднимается по вертикальной трубке к шланговому соединению, которое соединено с камерой калориметра.

Электродвигатель снабжен выключателем на одной из ножек стола и регулирующим реостатом, который позволяет изменять скорость двигателя и, следовательно, вентиляцию, создаваемую нагнетателем. Нагнетатель хорошо смазан, и, поскольку масло постепенно уносится с воздухом, небольшой краник в нижней части тройника после нагнетателя позволяет время от времени сливать накопившееся масло. Воздух, входящий в клапанную систему в H, проходит через крестовину, два плеча которой соединены с двумя клапанами «white star». Верхняя часть крестовины соединена с небольшой резиновой трубкой и ртутным манометром D, который также служит клапаном для пропускания определенного количества воздуха через ряд U-образных трубок для периодического анализа воздуха. Предполагается, что воздух, забираемый в точке H, имеет по существу тот же состав, что и воздух внутри камеры, — предположение, которое может быть не совсем верным, но, несомненно, полученная таким образом проба постоянно пропорциональна среднему составу, который колеблется лишь медленно. Обычно трубопровод, ведущий от левого плеча трубки D, остается открытым для воздуха, и, следовательно, разница в уровне ртути в двух плечах D указывает давление в системе. Оно обычно составляет около 40–50 миллиметров ртутного столба.

Fig. 30.—Diagram of absorber table. 1 and 2 contain sulphuric acid; K contains potash-lime; G, sodium bicarbonate can; F, rotary blower for maintaining air-current; H, valves for closing either side; and D, mercury manometer and valve for diverting air to U-tubes on table. Air leaves A, passes through the meter, and then through drying tower B and through C to ingoing air-pipe. At the left is the regulating rheostat and motor and snap-switch. General direction of ventilation is indicated by arrows.

Стол поглотителей с U-образными трубками и счетчиком для анализа остаточного воздуха показан на переднем плане на рис. 2. Два белых фарфоровых сосуда с посеребренным баком между ними находятся на средней полке. Бак с бикарбонатом натрия для удаления следов кислотных паров подключен в вертикальном положении, в то время как двигатель, управляющий реостат и нагнетатель поддерживаются ножками возле пола. Две резиновые трубки, ведущие от стола, могут использоваться для соединения аппарата либо с калориметром-кроватью, либо с калориметром-стулом. На рис. 4 аппарат показан соединенным с калориметром-кроватью, но чуть выше самой нижней точки резиновой трубки сзади можно увидеть муфту для одной из трубок, ведущих от калориметра-стула. Другая находится непосредственно под ней и слева от нее.

ПОДАЧА КИСЛОРОДА.

Остаточный воздух внутри камеры составляет около 1300 литров и содержит около 250 литров кислорода. Следовательно, видно, что в 8-часовом эксперименте испытуемый мог бы легко прожить все это время на количестве кислорода, уже присутствующем в остаточном воздухе. Было неоднократно показано, что до тех пор, пока процент кислорода не упадет примерно до 11, или примерно до половины нормы, никаких нарушений в дыхательном газообмене не происходит, и поэтому около 125 литров кислорода были бы доступны для дыхания, даже если бы кислород не подавался вовсе. Поскольку испытуемый в состоянии покоя потребляет около 14–15 литров в час, количества, первоначально присутствующего в камере, легко хватило бы на 8-часовой эксперимент. Более того, трудности, связанные с точным анализом газа и особенно с расчетом общего количества кислорода, таковы, что удовлетворительное определение потребления кислорода этим методом было бы невозможно. Кроме того, из нашего предыдущего опыта длительных экспериментов продолжительностью от 10 дней до 2 недель было установлено, что кислород можно легко подавать в систему, а количество поданного таким образом кислорода можно точно определить. Следовательно, даже в этих коротких экспериментах мы придерживаемся первоначальной практики подачи кислорода в воздух и фиксации количества добавленного таким образом газа.

Подача кислорода ранее осуществлялась из небольших стальных баллонов с сильно сжатым газом. Этот газ производился методом кальций-манганата и представлял собой высокую степень чистоты для коммерческого кислорода. В последнее время мы используем кислород высокой чистоты, полученный из жидкого воздуха. Поскольку этот кислород очень чист и гораздо дешевле химически приготовленного кислорода, были приняты широкие меры для его постоянного использования. Вместо использования небольших баллонов емкостью 10 кубических футов и присоединения к ним очистительных устройств в виде U-образных трубок с натронной известью и трубки для сушки серной кислотой, мы теперь используем большие баллоны, и мы обнаружили, что кислород из жидкого воздуха практически свободен от углекислого газа и водяного пара, причем присутствующие количества совершенно незначительны в таких экспериментах, как эти. Следовательно, никакие очистительные приспособления не считаются необходимыми, и кислород подается непосредственно из баллона. Баллоны, содержащие 100 кубических футов (2830 литров) под давлением 120 атмосфер, снабжены плотно закрывающимися клапанами и весят в полностью заряженном состоянии 57 килограммов.

Fig. 31.—Diagram of oxygen balance and cylinder. At the top is the balance arrangement, and at the center its support. At the left is the oxygen cylinder, with reducing valve A, rubber tube D leading from it, F the electro-magnet which opens and closes D, K the hanger of the cylinder and support for the magnet, R the lever which operates the supports for the cylinder and its counterpoise S, T' a box which is raised and lowered by R, and T its surrounding box.

Весьма желательно определять кислород с точностью до 0,1 грамма, и нам повезло иметь весы типа, часто используемого в этой лаборатории, которые позволят нам точно взвесить этот баллон с чувствительностью менее 0,1 грамма. Поскольку 1 литр кислорода весит 1,43 грамма, видно, что количество кислорода, введенного в камеру, можно измерить этим методом с точностью до 70 кубических сантиметров. Даже в экспериментах продолжительностью всего в один час, где количество кислорода, поступающего из баллона, составляет всего 25–30 граммов, видно, что погрешность при взвешивании кислорода составляет гораздо меньше 1 процента.

Ранние формы используемых баллонов были снабжены клапанами, которые требовали особого контроля, и к ним был прикреплен резиновый мешок для компенсации любого внезапного притока газа. Конструкция клапана и штока клапана, к сожалению, была такова, что известные редукционные клапаны нельзя было присоединить без утечки под высоким давлением в 120 атмосфер. С типом баллонов, используемых в настоящее время, такая утечка не происходит, и поэтому мы просто присоединяем к кислородному баллону редукционный клапан, который снижает давление со 120 атмосфер до примерно 2 или 3 фунтов на квадратный дюйм. Баллон вместе с редукционным клапаном подвешивается на одном плече весов. Оборудование этой установки показано на рис. 31. (См. также рис. 5, стр. 4.) Баллон поддерживается зажимом K, подвешенным к плечу весов, а редукционный клапан A показан сверху. Противовес S состоит из куска 7-дюймовой трубы с заглушками на каждом конце. На удобной высоте прикреплена деревянная полка со слегка приподнятым краем.

Несмотря на жесткую конструкцию этих весов, было бы вредно оставлять этот огромный вес на призмах постоянно, поэтому предусмотрена возможность подъема баллонов на небольшом подъемном устройстве, состоящем из небольших деревянных ящиков T, в которые телескопически входят другие ящики T'. Рычажная рукоятка R при нажатии вперед поднимает T' с помощью роликового подшипника U, а когда рукоятка поднята, весь вес баллонов поддерживается платформами.

Весы прикреплены к вертикальной двутавровой балке, которая закреплена в полу и потолке лаборатории калориметрии. Два больших рым-болта с талрепами придают еще большую жесткость в нижней части. Весь аппарат заключен в стеклянный футляр, показанный на рис. 5.

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПОДАЧЕЙ КИСЛОРОДА.

Использование редукционного клапана сделало автоматическое управление подачей кислорода гораздо проще, чем в аппарате, использовавшемся ранее. Детали соединений, схематично намеченные, приведены на рис. 32, где D — кислородный баллон, K — поддерживающий хомут, A — редукционный клапан, а J — компенсатор давления, прикрепленный к одному из калориметров. Снизив давление до примерно 2 фунтов с помощью редукционного клапана, подачу кислорода можно перекрыть, установив зажим на резиновую трубку, ведущую от редукционного клапана к калориметрам. Вместо использования обычного винтового зажима это соединение закрывается пружинным зажимом. Пружина E тянет стержень, который соединен в точке L, и плотно сжимает резиновую трубку. Натяжение в E может быть ослаблено электромагнитом F, который при намагничивании тянет железный стержень, растягивает пружину E и одновременно освобождает давление на резиновую трубку в точке L. Чтобы сделать управление полностью автоматическим, используется аппарат, показанный на верхней части компенсатора давления J. Проволочное кольцо с проволочной опорой проходит вверх через подшипник, закрепленный на зажиме над J. По мере того как объем воздуха внутри всей системы уменьшается и резиновая крышка J опускается, наступает момент, когда металлическая петля погружается в две ртутные чашки C и C', замыкая цепь, что заставляет электрический ток проходить через F. Это освобождает давление в L, кислород устремляется внутрь, и резиновый мешок J раздувается. По мере раздувания он поднимает металлическую петлю из чашек C и C', и цепь размыкается. Таким образом, происходит попеременное замыкание и размыкание этой цепи с соответствующей подачей кислорода. Точное положение резиновой диафрагмы можно прочитать при желании по указателю на градуированной шкале, прикрепленной к опоре, удерживающей клеммы электрических проводов. Чаще, однако, когда требуется объем, вместо заполнения мешка до определенной точки, как показано указателем, к баку с помощью краника присоединяется чувствительный манометр, и кислород подается с помощью переключателя B до тех пор, пока не будет достигнуто желаемое давление.

Fig. 32.—Part of the oxygen cylinder and connections to tension-equalizer. At the left is shown the upper half of the oxygen cylinder with a detail of the electro-magnet and reducing-valve. D is the cylinder; K, the band supporting the oxygen cylinder and electro-magnet arrangement; F, the electro-magnet; E, the tension spring; and L, the rubber tubing at a point where it is closed by the clamp. The tension-equalizer and the method of closing the circuit operating it are shown at the right. C and C' are two mercury cups into which the wire loop dips, thus closing the circuit. B is a lever used for short-circuiting for filling the diaphragm J. G is a sulphuric-acid container; H, the quick-throw valve for shutting off the tension equalizer J; M, part of the ingoing air-pipe; N, a plug connecting the electric circuit with the electro-magnet; and O, a storage battery.

Для обеспечения максимальной чувствительности при взвешивании D и его принадлежностей электрическое соединение размыкается у баллона с помощью штекера N, а резиновая трубка соединяется стеклянным коннектором, который можно отсоединить во время процесса взвешивания. Очевидно, также предусмотрено, чтобы во время взвешивания не было утечки воздуха из системы. Ток в F получается с помощью аккумуляторной батареи O. Аппарат используется в лаборатории уже некоторое время и доказал свою успешность в высшей степени.

КОМПЕНСАТОР ДАВЛЕНИЯ.

Жесткие стенки калориметра и трубопровода требуют некоторого обеспечения для незначительных колебаний абсолютного объема воздуха в замкнутой системе. Аппарат не был сконструирован так, чтобы выдерживать большие колебания давления, и использовались тонкие стенки, но считается нецелесообразным подвергать его даже незначительным давлениям, так как в этом случае возникла бы опасность утечки воздуха через любое возможное небольшое отверстие. Кроме того, по мере того как углекислый газ и водяной пар поглощаются из воздушного потока, происходит постоянное уменьшение объема, которое обычно компенсируется подачей кислорода. Было бы очень трудно отрегулировать подачу кислорода так, чтобы точно компенсировать сокращение объема, вызванное поглощением водяного пара и углекислого газа. Следовательно, необходимо отрегулировать некоторую часть циркулирующего воздушного потока так, чтобы могло происходить сжатие и расширение объема без создания давления на систему. Это было сделано способом, аналогичным описанному в более раннем аппарате, но по гораздо более простому плану.

К воздушной трубке непосредственно перед входом в калориметр был прикреплен медный бак с верхом из резиновой диафрагмы. Эта диафрагма, которая, по сути, является женской шапочкой для купания из чистой резины, позволяет расширяться или сжиматься воздуху в системе на 2–3 литра. Аппарат, показанный в рабочем положении, можно увидеть на рис. 25, где жестяной бак I покрыт резиновой диафрагмой J. Таким образом, если происходит какое-либо изменение объема, резиновая диафрагма поднимается или опускается вместе с ним, и при обычных условиях эксперимента это устройство обеспечивает в камере давление, приблизительно равное атмосферному. Однако было обнаружено, что даже небольшого сопротивления трубопровода от компенсатора давления до камеры — трубки диаметром около 26 миллиметров и длиной 60 сантиметров — было достаточно, чтобы вызвать слегка пониженное давление внутри калориметра, поскольку воздух высасывался нагнетателем с немного большей скоростью, чем он нагнетался давлением у диафрагмы. Соответственно, аппарат был модифицирован, так что в настоящее время компенсатор давления прикреплен непосредственно к стенке калориметра независимо от воздушной трубки.

В большинстве экспериментов, проведенных до сих пор, у нас было принято подавать свежий кислород через краник K на стороне компенсатора давления. Это показано более подробно на рис. 32, где также показана внутренняя конструкция бака. Из-за того, что воздух внутри этого бака намного суше, чем воздух в помещении, мы последовали обычаю, принятому в более раннем аппарате, помещать сосуд с серной кислотой внутрь компенсатора давления, чтобы любая влага, поглощенная сухим воздухом внутри диафрагмы, могла быть поглощена кислотой и не переносилась в камеру. Воздух, проходящий через трубку к калориметру, должен быть, как следует помнить, абсолютно сухим, и, следовательно, существуют наилучшие условия для прохождения влаги из наружного воздуха через диафрагму к этому сухому воздуху. Прикрепление компенсатора давления непосредственно к калориметру устраняет необходимость в этом процессе сушки, и поэтому сосуд с серной кислотой был исключен.

Клапан H (рис. 25) используется для полного отсечения компенсатора давления от остальной части системы в точный момент окончания экспериментального периода. После того как двигатель был остановлен и небольшое количество воздуха, частично сжатого в нагнетателе, просочилось обратно в систему, и вся система на мгновение находится при равном давлении — процесс, занимающий около 3 или 4 секунд, — запорный клапан H закрывается. Затем кислород подается через краник K до тех пор, пока в J не будет определенного объема, измеряемого высотой, на которую может подняться диафрагма, или второй краник присоединяется к баку I, и прикрепляется чувствительный нефтяной манометр таким образом, что диафрагму можно каждый раз заполнять до точно такого же давления. Таким образом, при этих условиях кажущийся объем воздуха в системе, за исключением компенсатора давления, всегда одинаков, поскольку он ограничен жесткими стенками калориметра и трубопровода. Более того, кажущийся объем воздуха в компенсаторе давления произвольно регулируется так, чтобы он был одинаковым в конце каждого периода путем закрытия клапана и введения кислорода до тех пор, пока давление не станет таким же.

БАРОМЕТР.

Признавая важность очень точного измерения барометрического давления, или, по крайней мере, его колебаний, мы установили точный барометр типа Фортена, изготовленный Генри Дж. Грином. Он прикреплен к внутренней стене лаборатории калориметрии, и, поскольку в лаборатории поддерживается постоянная температура, температурные поправки не нужны, ибо мы имеем дело здесь не столько с точным измерением фактического давления, сколько с точным измерением разностей давлений. Для удобства считывания показаний игла из слоновой кости в основании прибора и мениск хорошо освещены электрическими лампами за белым экраном, а небольшая лампа освещает нониус. Барометр можно считать с точностью до 0,05 миллиметра.

АНАЛИЗ ОСТАТОЧНОГО ВОЗДУХА.

Продукция углекислого газа, выделение водяного пара и поглощение кислорода испытуемым в течение 1- или 2-часовых периодов фиксируются в общем виде по количеству углекислого газа и водяного пара, поглощенных очистительными сосудами, и потере веса кислородного баллона; но, по правде говоря, могут быть значительные колебания в количествах углекислого газа и водяного пара и особенно кислорода в большом объеме остаточного воздуха внутри камеры. С углекислым газом и водяным паром это не так заметно, как с кислородом, ибо в 1300 литрах воздуха в камере содержится около 250 литров кислорода, и незначительные изменения в составе этого воздуха указывают на значительные изменения в количестве кислорода. Большие изменения могут также происходить в количествах углекислого газа и водяного пара при определенных условиях. В некоторых экспериментах, особенно там, где есть изменения в мышечной активности от периода к периоду, в остаточном воздухе может быть значительное количество углекислого газа, а в течение следующего периода, когда мышечная активность снижается, например, процентный состав воздуха может измениться настолько, что укажет на отчетливое падение количества присутствующего углекислого газа. При обычных условиях вентиляции во время экспериментов в покое количество углекислого газа, присутствующего в остаточном воздухе, составляет около 8–10 граммов. В воздухе обычно присутствует около 6–9 граммов водяного пара, и, следовательно, это остаточное количество может претерпевать значительные колебания. Если учесть, что предпринимается попытка измерить общее количество углекислого газа, выдыхаемого за один час, с точностью до доли грамма, очевидно, что колебания в составе остаточного воздуха должны быть приняты во внимание.

Чрезвычайно трудно получить справедливую пробу воздуха из камеры. Воздух, входящий в камеру, свободен от водяного пара и углекислого газа. В непосредственной близости от входящей воздушной трубки находится воздух, который имеет гораздо более низкий процент углекислого газа и водяного пара, чем средний, и, с другой стороны, близко к носу и рту испытуемого находится воздух с гораздо более высоким процентом углекислого газа и водяного пара, чем средний. Было принято предположение, что состав воздуха, покидающего камеру, представляет средний состав воздуха в камере. Это предположение лишь отчасти верно, но в экспериментах в покое (а подавляющее большинство экспериментов — это эксперименты в покое) изменения в составе остаточного воздуха настолько медленны и настолько малы, что это предположение безопасно для всех практических целей.

Другая трудность возникает в вопросе определения количества углекислого газа и водяного пара; то есть сделать удовлетворительный анализ воздуха, не извлекая слишком большой объем из камеры. Трудность анализа почти полностью ограничивается определением водяного пара, ибо, хотя существует большое количество методов определения малых количеств углекислого газа с большой точностью, метод определения водяного пара для точности требует использования довольно больших количеств воздуха. Из предварительных экспериментов с пращевым психрометром было обнаружено, что его использование исключается пространством, требуемым для успешного использования этого инструмента, добавлением неизвестного количества воды в камеру из влажного термометра и трудностями считывания показаний инструмента снаружи камеры. Прибегли к определению влажности абсолютным методом, при котором определенное количество воздуха пропускается над пемзой, пропитанной серной кислотой. Здесь интересно отметить, что в момент написания ведутся серии экспериментов, в которых предпринимается попытка использовать волосяной гигрометр для этой цели.

Метод определения водяного пара и углекислого газа в остаточном воздухе чрезвычайно прост, так как определенный объем воздуха пропускается над серной кислотой и натронной известью, содержащимися в U-образных трубках. Другими словами, небольшое количество воздуха пропускается через небольшую систему поглощения, сконструированную из U-образных трубок, а не из фарфоровых сосудов и посеребренных баков. Ранее для аспирации воздуха из камеры через U-образные трубки и затем возвращения аспирированного воздуха в камеру использовался очень сложный аппарат. Это требовало использования всасывающего насоса и специальной установки для поддержания постоянного давления воды. В последнее время используется гораздо более простое устройство, так как мы воспользовались давлением в вентиляционной системе, создаваемым прохождением воздуха через нагнетатель. После проталкивания определенного количества воздуха через реагенты в U-образных трубках он направляется обратно в систему после измерения в газовом счетчике.

Эту процедуру лучше всего отметить на рис. 30. Соединенный ряд из трех U-образных трубок на стойке на столе присоединен на одном конце с помощью хорошо пригнанных резиновых соединений к трубке, ведущей от ртутного манометра, а на другом конце — к резиновой трубке A, ведущей к газовому счетчику. При опускании ртутного резервуара E ртуть сливается из трубки D, и воздух проходит через оба плеча трубки, а затем через три U-образные трубки. В первой из них он лишается влаги, а в последних двух — углекислого газа. Затем воздух входит в счетчик, где он измеряется, и покидает счетчик через трубку B, будучи насыщенным водяным паром при комнатной температуре. Для удаления этого водяного пара воздух пропускается через башню, наполненную пемзой, смоченной серной кислотой. Он покидает башню через трубку C и входит в вентиляционную воздушную трубку на пути к калориметру.

Метод манипуляции очень прост. После соединения U-образных трубок краник, соединяющий трубку C с трубопроводом, открывается, ртутный резервуар E опускается, и воздух пропускается до тех пор, пока счетчик не зарегистрирует 10 литров. Поднятием резервуара E подача воздуха перекрывается, и после закрытия запорного крана в C трубки отсоединяются, устанавливается второй комплект, и операция повторяется. U-образные трубки имеют размер, при котором общая длина стеклянной части равна 270 миллиметрам, а внутренний диаметр — 16 миллиметрам. Они позволяют пропускать через них 3 литра воздуха в минуту без заметного выхода водяного пара или углекислого газа. U-образные трубки, заполненные пемзой и серной кислотой, весят 90 граммов. Они всегда взвешиваются на весах с противовесом, но не предпринимается попыток взвесить их с точностью выше 0,5 миллиграмма.

ГАЗОВЫЙ СЧЕТЧИК.

Газовый счетчик изготовлен компанией Dansk Maalerfabrik в Копенгагене и относится к типу, который Бор использовал во многих своих исследованиях. Его преимущество заключается в возможности визуального контроля уровня воды и прямого считывания объема. Шкала прибора проградуирована с точностью до 50 кубических сантиметров.

Счетчик Эльстера, использовавшийся ранее для этой цели, был значительно меньше счетчика Dansk Maalerfabrik, который мы используем сейчас. Объем воды в нем был намного меньше, вследствие чего колебания температуры происходили гораздо быстрее. Хотя остаточные анализы, для которых применяется счетчик, полезны при интерполяции результатов длительных экспериментов, и, следовательно, погрешности счетчика были бы более или менее постоянными, одинаково влияя на все результаты, мы тем не менее тщательно откалибровали счетчик методом подачи кислорода из взвешенного баллона. Испытание показало, что счетчик завышал показания на 1,4 процента, и, следовательно, эту поправку необходимо применять ко всем измерениям, выполненным с его помощью.

РАСЧЕТ РЕЗУЛЬТАТОВ.

При работе с такой сложной аппаратурой, как респирационный калориметр и его вспомогательные устройства, расчет результатов сопряжен со многими трудностями, однако опыт последних нескольких лет позволил нам существенно упростить вычисления, которые ранее считались необходимыми.

Общее количество водяного пара, покидающего камеру, определяется путем фиксации увеличения веса первого сосуда с серной кислотой в системе поглотителей. Этот сосуд взвешивается с противовесом, поэтому регистрируется только приращение веса. Здесь может потребоваться небольшая поправка, так как зачастую поглотитель в конце периода значительно теплее, чем в начале, и при взвешивании в теплом состоянии может возникнуть погрешность от 0,1 до 0,2 грамма. Если поглотители взвешиваются при одинаковой температуре в начале и в конце, этой поправки можно избежать.

Количество диоксида углерода, поглощенного из вентиляционного потока воздуха, определяется путем фиксации изменений веса емкости с поташной известью и последнего сосуда с серной кислотой. Как показывают результаты взвешивания этого последнего сосуда, крайне редко из поташной извести в серную кислоту переносится достаточное количество воды, чтобы вызвать заметное изменение температуры, поэтому температурные поправки не требуются. Иногда может случиться так, что количество поглощенного диоксида углерода фактически оказывается несколько меньше количества водяного пара, извлеченного из реагента сухим потоком воздуха при прохождении через емкость. В таких условиях произойдет потеря веса емкости с поташной известью и значительный прирост веса сосуда с серной кислотой. Очевидно, что алгебраическая сумма этих величин даст истинный вес поглощенного диоксида углерода.

Количество подаваемого кислорода приблизительно измеряется путем фиксации потери веса кислородного баллона. Однако, поскольку при подаче кислорода из баллона одновременно поступает небольшое количество азота, требуется внесение поправки. Эту поправку можно вычислить либо с помощью сложных формул, описанных в публикации У. О. Этуотера и Фрэнсиса Г. Бенедикта, либо с помощью более сокращенного метода расчета, который очень успешно применялся во всех краткосрочных экспериментах в данной лаборатории. В любом случае необходимо знать приблизительный процент содержания азота в кислороде.

АНАЛИЗ КИСЛОРОДА.

Благодаря модифицированному методу вычислений, подробно рассмотренному на странице 88, становится ясно, что столь чрезвычайно точные анализы кислорода, которые проводились ранее, не являются необходимыми, и дальнейший расчет, следовательно, очень прост, если мы знаем процент содержания азота с точностью до доли 1 процента. Мы использовали газоанализатор Холдейна для анализа кислорода, хотя конструкция аппарата такова, что это представляет некоторые трудности. Например, необходимо точно отмерить около 16 кубических сантиметров чистого азота, пропустить его в пипетку с пирогаллолом калия, а затем (взяв определенную пробу кислорода) постепенно поглотить кислород в пирогаллоле калия и впоследствии измерить накопившийся азот. Этот анализ утомителен и не особенно удовлетворителен. Проверив заводские анализы ряда баллонов с кислородом и неизменно обнаружив их соответствие нашим результатам, мы в настоящее время используем гарантированный анализ производителя. Если бы в газовом анализе была очень значительная ошибка, достигающая даже 1 процента, результаты краткосрочных экспериментов практически не изменились бы.

ПРЕИМУЩЕСТВА ПОМЕЩЕНИЯ С ПОСТОЯННОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ И ТЕМПЕРАТУРНОГО КОНТРОЛЯ.

Тщательное изучение сложного метода расчета, требовавшегося для работы с калориметром, который ранее находился в Уэслианском университете, показывает, что значительную его часть можно исключить благодаря тому, что здесь мы имеем возможность работать в помещении с постоянной температурой. Было отмечено, что колебания температуры газового счетчика влияют не только на объем газа, проходящего через счетчик, но и на упругость водяного пара. Поправки, ранее вносившиеся на температуру барометра, теперь не нужны; наконец (и это, пожалуй, еще важнее), больше нет необходимости подразделять объем системы на части воздуха, находящиеся при разных температурах в зависимости от того, находились ли они в верхней или нижней части лаборатории. Другими словами, температуру всего вентиляционного контура и камеры, за единственным исключением воздуха над кислотой в первом поглотителе с серной кислотой, можно считать постоянной. Во время экспериментов в состоянии покоя это допущение можно сделать без внесения существенной погрешности, но во время экспериментов с физической нагрузкой весьма вероятно, что необходимо учитывать возможность значительного повышения температуры воздуха в поглотителях с поташной известью из-за реакции между диоксидом углерода и твердым абсорбентом. Таким образом, очевидно, что условия постоянной температуры, поддерживаемые в калориметрической лаборатории, не только облегчают калориметрические измерения, но и значительно упрощают сложные расчеты дыхательного газообмена, требовавшиеся ранее.

ИЗМЕНЕНИЯ КАЖУЩЕГОСЯ ОБЪЕМА ВОЗДУХА.

В более ранней форме аппарата наибольшее изменение кажущегося объема воздуха было обусловлено колебаниями высоты больших резиновых диафрагм, использовавшихся в компенсаторе давления. В нынешней форме аппарата имеется только одна резиновая диафрагма, и она невелика, содержа не более 3–4 литров по сравнению с примерно 30 литрами в ранних двойных резиновых диафрагмах. При нынешней компоновке все колебания, вызванные изменением положения компенсатора давления, исключены, так как каждый экспериментальный период заканчивается при нахождении диафрагмы в точно таком же положении, т. е. заполненной до определенного натяжения.

При прохождении через очистители воздух подвергается воздействию более или менее значительного давления, и очевидно, что если бы эти поглотители были подключены к вентиляционной системе при атмосферном давлении, а затем через них пропускался воздух, в части системы очистки происходило бы сжатие. Таким образом, происходило бы сокращение объема, и сжатый таким образом воздух впоследствии высвобождался бы в окружающую среду при отсоединении поглотителей. Метод проверки системы, описанный на странице 100, однако, нивелирует эту погрешность, поскольку система проверяется при том же давлении, которое используется во время фактического эксперимента, и, следовательно, между поверхностью серной кислоты в первом фарфоровом сосуде и серной кислотой во втором фарфоровом сосуде находится замкнутый объем воздуха, который в начале экспериментального периода находится под идентично таким же давлением, как и в конце. Таким образом, при сбросе воздуха при изменениях в системе поглотителей никакой поправки не требуется.

ИЗМЕНЕНИЯ ОБЪЕМА ВСЛЕДСТВИЕ ПОГЛОЩЕНИЯ ВОДЫ И ДИОКСИДА УГЛЕРОДА.

По мере поглощения водяного пара серной кислотой происходит небольшое увеличение объема кислоты. Это естественным образом приводит к уменьшению кажущегося объема воздуха и также влияет на количество кислорода, подаваемого для поддержания постоянного кажущегося объема в конце каждого экспериментального периода. Величина увеличения, происходящего таким образом за каждый экспериментальный период, очень мала. Было установлено, что увеличение веса на 25 граммов водяного пара приводит к увеличению объема кислоты примерно на 15 кубических сантиметров. Раньше эта поправка вносилась, но теперь считается ненужным и нецелесообразным вводить уточнение, которое едва ли оправдано в других частях аппарата. Аналогичным образом, теоретически, по крайней мере, происходит увеличение объема поташной извести вследствие поглощения диоксида углерода. Ранее это принималось во внимание, но теперь поправка не применяется.

ДЫХАТЕЛЬНАЯ ПОТЕРЯ.

В экспериментах на человеке происходит постоянное превращение твердого вещества тела в газообразные продукты, которые выносятся в поток воздуха и поглощаются. Особенно в тех случаях, когда пища не принимается, это твердое вещество уменьшается в объеме, и, следовательно, требуется дополнительный кислород, чтобы компенсировать уменьшение объема вещества тела. Но эта так называемая дыхательная потеря имеет скорее теоретическое, чем практическое значение, и в проводимых в настоящее время экспериментах внесение поправки не считается необходимым.

РАСЧЕТ ОБЪЕМА ВОЗДУХА, ОСТАЮЩЕГОСЯ В КАМЕРЕ.

Вентиляционный воздушный контур можно считать состоящим из нескольких порций воздуха. Самая большая часть находится в самой респирационной камере и состоит из воздуха, содержащего кислород, азот, диоксид углерода и водяной пар. Предполагается, что этот воздух имеет одинаковый состав до момента, когда он начинает барботировать через серную кислоту в первом кислотном поглотителе. Воздух в этом поглотителе над кислотой, составляющий около 14 литров, имеет другой состав, поскольку водяной пар был полностью удален. Можно сказать, что те же 14 литров воздуха содержат диоксид углерода, азот и кислород. Этот состав немедленно нарушается в момент попадания воздуха в емкость с поташной известью, когда диоксид углерода поглощается, и объем воздуха в последнем сосуде с серной кислотой, в емкости с бикарбонатом натрия и в трубопроводах, ведущих обратно к калориметру, можно считать состоящим только из азота и кислорода. Таким образом, воздух между поверхностью серной кислоты в последнем фарфоровом поглотителе и точкой, где входящий воздух подается в калориметр, состоит из воздуха, свободного от диоксида углерода и водяного пара. Раньше этот участок также включал компенсатор давления, но совсем недавно мы в обоих калориметрах присоединили компенсатор давления непосредственно к респирационной камере.

В аппарате Миддлтауна эти порции воздуха различного состава также подвергались значительным колебаниям температуры, поскольку температура лаборатории часто существенно отличалась от температуры самой калориметрической камеры, особенно в отношении аппаратуры в верхней части лабораторного помещения. Однако важно знать общий объем воздуха, заключенного во всей системе. Он получается путем прямого измерения. Кубическое содержание калориметра было тщательно измерено и вычислено; объемы воздуха в трубах, клапанных системах, поглотительных сосудах и компенсаторе давления были вычислены исходя из размеров, и было установлено, что общий объем в аппарате, за вычетом объема стационарных приспособлений в калориметре, составляет 1347 литров. Соответствующий объем для кроватного калориметра составляет 875 литров. Эти значения изменяются в зависимости от испытуемого и дополнительных предметов, внесенных в камеру.

На основе серии тщательных измерений и специальных испытаний были рассчитаны следующие кажущиеся объемы для различных частей системы:

| Liters.
Volume of the chair calorimeter chamber (without fixtures) | 1360.0
Permanent fixtures (5); chair and supports (8) | 13.0
| ———
    Apparent volume of air inside chamber | 1347.0
Air in pipes, blower, and valves to surface of acid in first acid vessel | 4.5
| ———
    Apparent volume of air containing water-vapor | 1351.5
Air above surface of acid in first sulphuric-acid vessel and potash-lime can | 16.0
| ———
    Apparent volume of air containing carbon dioxide | 1367.5
Air in potash-lime can, second sulphuric-acid vessel and connections, sodium-bicarbonate cans, and pipes to calorimeter chamber | 23.5
| ———
    Apparent volume of air containing carbon dioxide, water, oxygen, and nitrogen | 1391.0

Эти объемы представляют условия, существующие внутри камеры без испытуемого, т. е. условия, при которых проводилась бы контрольная проверка со спиртом. В эксперименте с человеком необходимо было бы вычесть объем человека, книг, бутылей для мочи и всей дополнительной аппаратуры и принадлежностей. При таких обстоятельствах кажущийся объем воздуха в камере может временами уменьшаться почти на 90–100 литров. В начале каждого эксперимента рассчитывается кажущийся объем воздуха.

ОСТАТОЧНЫЕ АНАЛИЗЫ.

РАСЧЕТ ПО ОСТАТОЧНЫМ АНАЛИЗАМ.

Приращение веса поглотителей для воды и диоксида углерода и потеря веса кислородного баллона дают лишь приблизительное представление о количествах диоксида углерода и водяного пара, образовавшихся, и кислорода, поглощенного за период, и необходимо внести поправку на изменение состава воздуха, как показывают остаточные анализы, и на колебания фактического объема. Чтобы вычислить по анализам общее содержание диоксида углерода в остаточном воздухе, необходимо знать соотношение воздуха, использованного для пробы, к общему объему, и, таким образом, мы должны точно знать объем воздуха, проходящего через газовый счетчик.

В более раннем аппарате использовались 10-литровые пробы, и объем респирационной камеры был настолько велик, что значения, полученные в остаточной пробе, необходимо было умножать на очень большой коэффициент — 500. Следовательно, принимались величайшие меры предосторожности для получения точного измерения пробы, точных количеств поглощенного диоксида углерода и поглощенного водяного пара. С этой целью было сделано большое количество поправок, которые не требуются при нынешнем типе аппарата с объемом остаточного воздуха всего около 1300 литров, и, соответственно, манипуляции и расчеты были значительно упрощены.

Хотя раньше прилагались усилия для получения точной температуры воздуха, покидающего газовый счетчик, с этим аппаратом это излишне. Когда использовался аппарат более раннего типа, наблюдались заметные изменения температуры калориметрической лаборатории и воды в счетчике, что, естественно, было вредно для точного измерения объема проб, но при нынешнем контроле температуры в этой лаборатории повторными испытаниями было установлено, что температура воды в счетчике не варьируется в достаточной степени, чтобы оправдать это кропотливое измерение и расчет. Очевидно, что это наблюдение также относится к поправкам на упругость водяного пара. Было найдено возможным принять среднюю лабораторную температуру и привести объем, считанный по счетчику, с помощью постоянного коэффициента.

Количество воздуха, проходящего через счетчик, регулируется таким образом, что для одного анализа через него проходит ровно 10 литров, измеренных по шкале. Воздух, измеренный в счетчике, однако, находится в заметно иных условиях, чем воздух внутри респирационной камеры. Хотя температура та же, существует существенная разница в присутствующем водяном паре, и, следовательно, необходимо учитывать содержание влаги, выраженное в терминах упругости водяного пара. Это, очевидно, имеет тенденцию уменьшать истинный объем воздуха в счетчике.

Раньше мы вносили точную поправку на упругость водяного пара, основанную на показаниях барометра и температуре счетчика в конце периода, но теперь было установлено, что приведение показаний счетчика к условиям внутри камеры может быть выполнено с достаточной степенью точности путем умножения объема воздуха, проходящего через счетчик, на дробь (h-t)/h, где h представляет барометрическое давление, а t — упругость водяного пара при температуре лаборатории 20° C. Поскольку упругость водяного пара при лабораторной температуре близка к 15 мм, простой расчет покажет, что могут быть значительные колебания значения h, не влияющие существенно на дробь, и мы, соответственно, приняли значение h как нормальное 760 мм, и полученная таким образом поправка составляет (760 - 15)/760 = 0,98, и все показания счетчика следует умножать на эту дробь.

С одной стороны, существует поправка на сам счетчик, которая составляет +1,4 процента (см. стр. 75); а с другой стороны — поправка на пробу на упругость водяного пара, которая составляет -2,0 процента, и, следовательно, результирующая поправка составляет -0,6 процента. Однако, исходя из условий, в которых проводятся эксперименты, редко удается считать показания счетчика точнее, чем ±0,05 литра, так как деления на счетчике соответствуют 50 кубическим сантиметрам. Таким образом, будет видно, что эта окончательная поправка на самом деле находится в пределах погрешности прибора, и, следовательно, при использовании данного конкретного счетчика никакой поправки для приведения объема не требуется. Вопрос температурных поправок был подробно рассмотрен в более ранней публикации, и там, где имеются заметные различия в температуре между счетчиком и калориметрической камерой, расчет гораздо сложнее.

Для практических целей, следовательно, мы можем предположить, что количество воздуха, прошедшего через счетчик, как он используется сейчас, представляет ровно 10 литров, измеренных в условиях, существующих внутри респирационной камеры, и для того, чтобы найти общее количество водяного пара, присутствующего в камере, необходимо только умножить вес воды, найденный в 10-литровой пробе, на одну десятую общего объема воздуха, содержащего водяной пар.

Общий объем воздуха, содержащего водяной пар, близок к 1360 литрам; следовательно, умножение веса воды в пробе на 136 дает общее количество воды в камере и трубопроводах. Объем воздуха, содержащего диоксид углерода, — это объем, содержащийся в камере и трубопроводах до первого сосуда с серной кислотой, плюс 16 литров воздуха над серной кислотой и соединениями в первом фарфоровом сосуде, и для получения количества диоксида углерода из пробы необходимо только умножить вес диоксида углерода в пробе на 137,6.

Поскольку при расчете общего количества остаточного кислорода используются объемы, а не веса газов, мы обычно переводим веса диоксида углерода и водяного пара в камере в объемы путем умножения на известные коэффициенты. Определение кислорода зависит от знания истинного, а не кажущегося объема воздуха в системе, и, следовательно, кажущийся объем должен приводиться к стандартным условиям температуры и давления каждый раз, когда производится расчет. С этой целью общий объем воздуха в замкнутом контуре (включая объем в компенсаторе давления, составляющий в общей сложности 1400 литров) приводится к 0° и 760 миллиметрам с помощью обычных методов вычисления. Общий объем воздуха (который можно обозначить как V) включает объемы диоксида углерода, водяного пара, кислорода и азота. Из упомянутых выше расчетов были вычислены объемы водяного пара и диоксида углерода, и вычитание их суммы из приведенного объема воздуха дает объем кислорода плюс азот. Если известен объем азота, очевидно, можно найти объем кислорода.

В начале эксперимента предполагается, что камера заполнена обычным воздухом. Расчет количества азота в камере в начале как четырех пятых от общего количества не вносит большой ошибки. Во многих экспериментах фактические анализы воздуха проводились в момент начала эксперимента. Важно помнить, что после того, как камера была запечатана и плотно закрыта, никакой азот не может попасть внутрь, кроме того, что подается с кислородом, и, следовательно, остаточное количество азота остается неизменным, за исключением этого единственного случая. Если проявлять осторожность и вести точный учет количества азота, подаваемого с кислородом, остаточный азот в камере в любой момент времени легко вычисляется. Хотя с абсолютной математической точки зрения точность этого вычисления может быть поставлена под сомнение, здесь мы снова стремимся к точной записи различий, а не к абсолютному количеству, и предполагаем ли мы, что объем воздуха в камере содержит 20,4 процента кислорода или 21,6 процента — это безразлично. Важно лишь отметить увеличение количества азота, поскольку эти увеличения представляют собой уменьшение остаточного кислорода, а именно с изменениями в остаточном кислороде мы имеем дело в первую очередь.

ВЛИЯНИЕ КОЛЕБАНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДАВЛЕНИЯ НА КАЖУЩИЙСЯ ОБЪЕМ ВОЗДУХА В СИСТЕМЕ.

Воздух, будучи заключенным в пространстве с полужесткими стенками, естественно подвергается изменениям истинного объема в зависимости от температуры и барометрического давления. Если воздух внутри камеры становится значительно теплее, естественно происходит расширение, и если бы не компенсатор давления, в системе возникло бы давление. Также, если барометрическое давление падает, происходит расширение воздуха, что опять же, при отсутствии компенсатора давления, создало бы давление в системе. Поэтому при расчете истинного объема воздуха необходимо учитывать не только кажущийся объем, который, как показано выше, всегда является постоянной величиной в конце каждого периода, но также необходимо отмечать изменения температуры и барометрического давления. Поскольку объем составляет около 1400 литров, простой расчет покажет, что на каждый градус Цельсия изменения температуры будет приходиться изменение объема примерно на 4,8 литра. На практике, однако, это случается редко, так как контроль температуры обычно находится в пределах 0,1° C, а по большей части — в пределах нескольких сотых. Изменение барометрического давления на 1 миллиметр повлияет на 1400 литров на 1,8 литра.

На практике, следовательно, видно, что если барометрическое давление падает, произойдет расширение воздуха в системе. Это будет иметь тенденцию к увеличению объема путем поднятия резиновой диафрагмы на компенсаторе давления, конечным результатом чего является то, что при окончательном заполнении кислородом в конце периода его используется меньше, чем было бы в случае, если бы не было изменения барометрического давления. Другими словами, на каждый литр расширения воздуха внутри системы требуется на 1 литр меньше кислорода, чтобы привести кажущийся объем к тому же значению в конце периода. Аналогично, если происходит повышение температуры воздуха, происходит расширение, и требуется меньшее количество кислорода, чем было бы в случае, если бы не было изменения; и наоборот, если барометрическое давление повышается или температура падает, подается больше кислорода, чем требуется для потребления. Таким образом видно, что изменения температуры и барометрического давления влияют на количество кислорода, подаваемого в камеру.

ВЛИЯНИЕ КОЛЕБАНИЙ КОЛИЧЕСТВА ДИОКСИДА УГЛЕРОДА И ВОДЯНОГО ПАРА НА ОСТАТОЧНЫЙ КИСЛОРОД.

Любые колебания остаточного количества диоксида углерода или водяного пара также влияют на кислород. Так, если происходит увеличение на 1 грамм количества остаточного диоксида углерода, это соответствует 0,51 литра, и, следовательно, равный объем кислорода не подается в камеру в течение периода, поскольку его место занял увеличенный объем диоксида углерода. Аналогичное рассуждение покажет, что увеличение содержания водяного пара будет иметь аналогичный эффект, так как каждый грамм водяного пара соответствует 1,25 литра и поэтому заметно влияет на введение кислорода. Все четыре фактора, следовательно (барометрическое давление, температура, остаточный диоксид углерода и остаточный водяной пар), заметно влияют на определение кислорода.

КОНТРОЛЬ ОСТАТОЧНЫХ АНАЛИЗОВ.

Из трех факторов, подлежащих определению в остаточном воздухе, кислород (который является наиболее важным с точки зрения относительного веса, придаваемого анализу), к сожалению, не может быть определен напрямую без больших трудностей. Более того, любые ошибки в анализе могут быть очень сильно умножены известными ошибками, связанными с определением истинного объема воздуха в камере в результате трудностей в получении средней температуры воздуха. Полагая, что метод анализа, как он изложен выше, должен контролироваться, насколько это возможно, другими независимыми методами, мы смогли сравнить диоксид углерода, определенный методом натронной извести, с тем, который получен чрезвычайно точным методом, используемым Зонденом и Петтерссоном. Аппарат для определения диоксида углерода и кислорода по принципу Петтерссона был разработан Зонденом и сконструирован для нас Граве из Стокгольма.

В контрольных экспериментах воздух, покидающий ртутный клапан D (рис. 30, стр. 66), пропускался через Т-образную трубку, одно плечо которой соединялось непосредственно с пипеткой для отбора проб газоанализатора Зондена, а другое плечо соединялось с U-образными трубками для остаточных анализов. Путем опускания и поднятия ртутного резервуара на газоанализаторе пробу воздуха можно было втянуть в аппарат для анализа. Результаты анализа выражались на основе влажного воздуха в объемных процентах, а не по весу, как это делается при методе с натронной известью. Следовательно, при сравнении необходимо было перевести веса в объем, и в процессе этого становятся очевидными ошибки, связанные с отсутствием поправки на температуру и барометрическое давление. Однако важный момент, который следует отметить, заключается в том, что какие бы колебания состава остаточного воздуха ни отмечались методом натронной извести, аналогичные колебания соответствующего размера регистрировались объемным анализом с помощью аппарата Зондена. В этих условиях, следовательно, мы считаем, что гравиметрический метод, изложенный выше, является достаточно удовлетворительным, насколько это касается содержания диоксида углерода, для обычной работы, где нет широких колебаний состава воздуха от периода к периоду.

АЗОТ, ПОДАВАЕМЫЙ С КИСЛОРОДОМ.

Невозможно получить на рынке абсолютно химически чистый кислород. Весь кислород, который мы до сих пор могли приобрести, содержит азот и, в некоторых случаях, измеримые количества водяного пара и диоксида углерода. Кислород лучшего качества, приготовленный из жидкого воздуха, практически свободен от диоксида углерода и водяного пара, но он все еще содержит азот, и, следовательно, с каждым литром подаваемого кислорода добавляется небольшое количество азота. Это количество легко может быть найдено из газометрического анализа кислорода, и из хорошо известного соотношения между весом и объемом азота вес может быть точно найден. Это добавление азота играло очень важную роль в расчете потребления кислорода, как это применялось ранее. Как будет видно позже, сейчас используется гораздо более сокращенная форма расчета, в которой азот, подаваемый с кислородом, не влияет на расчет остаточного кислорода.

СБРОС ВОЗДУХА.

В длительных экспериментах, где существует возможность заметного уменьшения процента кислорода в камере — уменьшения, вызванного либо заметным падением барометрического давления, которое расширяет воздух внутри камеры и допускает подачу меньшего количества кислорода, чем потребовалось бы в противном случае, либо использованием кислорода, содержащего высокий процент азота, тем самым постоянно увеличивая количество присутствующего азота в системе — весьма вероятно, что может произойти такое накопление азота, которое сделает целесообразным предусмотреть подачу большого количества кислорода для восстановления воздуха до приблизительно нормальных условий. В экспериментах в состоянии покоя небольшой продолжительности это никогда не требуется. Процедура, с помощью которой достигается такое восстановление процента кислорода, уже обсуждалась в другом месте. Она включает сброс определенного количества воздуха путем пропускания его в комнату через газовый счетчик, а затем внесение соответствующих поправок на состав этого воздуха, вычитание объема кислорода в нем из избыточного объема введенного кислорода и корректировку остаточного азота, чтобы определить поглощение кислорода в течение периода, в который воздух был сброшен.

ОБМЕН ВОЗДУХА В ШЛЮЗЕ ДЛЯ ПИЩИ.

Объем воздуха в шлюзе для пищи между двумя стеклянными дверцами составляет примерно 5,3 литра. Когда внутренняя дверца открывается, материал помещается в шлюз, а затем открывается внешняя дверца, путем диффузии происходит выход наружу воздуха состава, соответствующего воздуху внутри камеры, и шлюз теперь заполняется комнатным воздухом. Когда внутренняя дверца снова открывается, этот комнатный воздух попадает в камеру и заменяется воздухом того же состава, что и в камере. Таким образом, видно, что теоретически здесь может происходить обмен воздуха, который может оказать влияние на результаты. В тяжелых экспериментах с физической нагрузкой, где количество диоксида углерода в воздухе колоссально увеличивается, такой обмен, несомненно, происходит в измеримых количествах, и, несомненно, следует вносить поправку. В обычных экспериментах в состоянии покоя, где состав воздуха в камере гораздо ближе к нормальному, эта поправка не имеет особого значения. Более того, в двух формах калориметра, используемых сейчас, поскольку эксперименты имеют лишь небольшую продолжительность, предусмотрены меры, делающие ненужным открывать шлюз для пищи во время самого эксперимента. Следовательно, в настоящее время поправка на обмен воздуха в шлюзе для пищи не вносится, и по той же причине небольшое изменение объема, возникающее в результате удаления или добавления материала, здесь также не рассматривалось.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОСТАТОЧНОГО БЛАНКА ПРИ РАСЧЕТАХ.

Для облегчения расчетов и ради единообразия в представлении результатов используется специальная форма бланка, которая позволяет записывать основные данные относительно анализов воздуха в камере в конце каждого периода. Так, в верхней части листа записываются время, номер периода, вид эксперимента, имя или инициалы испытуемого и указание на то, какой калориметр используется. Барометрическое давление, записанное в миллиметрах, указывается в колонке слева и непосредственно под заголовком, вместе с температурой калориметра, выраженной в градусах Цельсия. Температура калориметра, записанная физическим наблюдателем, обычно выражается в произвольной шкале мостика Уитстона и должна быть переведена в шкалу Цельсия с помощью калибровочной таблицы.

Кажущиеся объемы воздуха в подразделах вентиляционной системы записываются под заголовками I, который представляет объем воздуха, содержащего водяной пар, и, следовательно, является воздухом в камере плюс воздух в трубопроводах до поверхности кислоты в первом поглотителе с серной кислотой; I-II, который представляет воздух, содержащий угольную кислоту, и включает объем I плюс объем воздуха в первом сосуде с серной кислотой и объем воздуха в поглотителе с поташной известью; I-III, который включает общий замкнутый объем всей системы, поскольку этот воздух содержит как кислород, так и азот. Эти объемы несколько изменяются в зависимости от размера тела испытуемого, объема материалов, внесенных в камеру, и типа калориметра.

Данные для остаточных анализов записываются в нижнем левом углу: сначала вес воды, поглощенной из 10 литров воздуха, проходящего через счетчик; к логарифму этого значения прибавляется логарифм объема I; результат — логарифм общего веса водяного пара в вентиляционном потоке воздуха. Чтобы перевести это в литры, логарифмический коэффициент 09462 прибавляется к логарифму веса воды, и (a) — это логарифм воды, выраженный в литрах. Аналогичная обработка применяется к весу диоксида углерода, поглощенного из пробы воздуха, при этом (b) в конечном итоге является логарифмом объема диоксида углерода.

Для того чтобы определить общий объем воздуха в камере при стандартных условиях температуры и давления, к логарифму объема I-III прибавляется, во-первых, логарифмический коэффициент для температуры, записанной для калориметра, чтобы привести объем воздуха к стандартной температуре. Поскольку колебания температуры находятся в пределах 1 градуса, была подготовлена таблица, дающая стандартное колебание, представленное формулой

| 1
| ——
| 1 + at

в которой t — температура калориметра. Поправка на давление также была разработана в серии таблиц, и логарифмический коэффициент здесь соответствует отношению p/760, в котором p — наблюдаемое барометрическое давление. Логарифм общего объема записывается как результат сложения этих трех перечисленных логарифмов, и из этого логарифма выражается общий объем воздуха в литрах. Вычитание суммы значений (a) и (b) из общего объема оставляет объем кислорода плюс азот. Расчет остаточного объема азота и запись дополнений к нему ранее выполнялись с точностью, которая сегодня кажется совершенно неоправданной, когда принимаются во внимание другие факторы, влияющие на это значение. Для большинства экспериментов остаточный объем азота можно считать постоянным, несмотря на тот факт, что некоторое количество азота регулярно подается с кислородом. Значимость этого допущения лучше всего видна после рассмотрения метода расчета количества кислорода, подаваемого в камеру.

Расчет остаточного объема азота и запись дополнений к нему ранее выполнялись с точностью, которая сегодня кажется совершенно неоправданной, когда принимаются во внимание другие факторы, влияющие на это значение. Для большинства экспериментов остаточный объем азота можно считать постоянным, несмотря на тот факт, что некоторое количество азота регулярно подается с кислородом. Значимость этого допущения лучше всего видна после рассмотрения метода расчета количества кислорода, подаваемого в камеру.

ОСТАТОЧНЫЙ ЛИСТ № 1.

Расчет остаточных количеств азота, кислорода, диоксида углерода и водяного пара, остающихся в камере на 8:10 утра, 24 июня 1909 года.

Остаток в конце предварительного периода. Эксп.: Роды. №.........

Испытуемый: Миссис Уилан. Калориметр: Кроватный.

------------------------------------------- Барометр, 756,95 мм. Темп. кал., 20,08 °C ---------------------------------------------- Кажущийся объем воздуха

I содержащий H2O 715. литров I-II " CO2 781. " I-III " O+N 755. " ------------------------------------------- Лог. вес H2O до остатка .0815 = 91116 Лог. I = 85431 —— 76547 = 5,88 г H2O Граммы в литры, 09462 —— (a) 86909 = 7,25 л H2O

Лог. вес CO2 в остатке .0438 = 62634 Лог. I-II = 84392 ——— 49026 = 3,09 г CO2 Граммы в литры, 70680 ——— (b) 19706 = 1,57 л CO2 ------------------------------------------- Прочие расчеты 875 48,65 164,55 25,9 ——— 90. 710,46 ——— 4,6 164,55 ——— 715,0 I 14 ——— 781,0 I-II 24 ——— 755,0 I-III ----------------------------- (a) 7,26 л. (b) 1,57 л. ——— 8,82 = л. CO2 + H2O Лог. I-III = 87796 " темп. = 96912 " давление = 99856 ——— Общий объем 84588 = 700,37 л. Объем CO2 + H2O = 8,82 л. ——— " O + N = 691,56 л. " N = 552,96 л. ——— " O = 186,57 л.

СОКРАЩЕННЫЙ МЕТОД ВЫЧИСЛЕНИЯ КИСЛОРОДА, ПОДАВАЕМОГО В КАМЕРУ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВО ВРЕМЯ КРАТКОСРОЧНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

Желая сделать аппарат как можно более практичным, а расчеты — как можно более простыми, была разработана схема расчета, с помощью которой вычисления могут быть значительно сокращены, и в то же время не происходит слишком большого ущерба для точности. Потеря веса кислородного баллона в более сложном методе вычисления рассматривалась как обусловленная кислородом и примерно 3 процентами азота. Количество азота, подаваемого таким образом, было тщательно вычислено, и его объем принят во внимание при расчете остаточного кислорода. Если на мгновение рассмотреть, что подача газа из стального баллона производится с такой скоростью, чтобы компенсировать уменьшение объема воздуха в системе из-за поглощения кислорода испытуемым, можно увидеть, что если бы был известен точный объем газа, покидающего баллон, было бы безразлично, является ли этот газ чистым кислородом, кислородом с некоторым количеством азота или кислородом с любым другим инертным газом, не опасным для дыхания или не поглощаемым серной кислотой или поташной известью. Если бы человек поглотил 10 литров кислорода в течение часа, чтобы вернуть систему к постоянному кажущемуся объему, необходимо было бы подать 10 литров такого газа или смеси газов, предполагая, что в течение часа не было изменений температуры, барометрического давления или остаточных количеств диоксида углерода или водяного пара.

При этих предполагаемых условиях, следовательно, было бы необходимо только измерить количество подаваемого газа, чтобы иметь истинную меру количества поглощенного кислорода. Мера объема подаваемого газа может быть использована как мера поглощенного кислорода, даже когда необходимо вносить поправки на колебания количества диоксида углерода или водяного пара в камере, температуры и барометрического давления. Исходя из потери веса кислородного баллона, если бы баллон содержал чистый кислород, было бы известно, что 10 литров подавались бы на каждые 14,3 грамма потери веса.

Из разницы в весе 1 литра кислорода и 1 литра азота потеря веса газа, содержащего смесь кислорода с небольшим процентом азота, фактически представляла бы несколько больший объем газа, чем если бы подавался чистый кислород. Различия в весе двух газов, однако, и количество присутствующего азота настолько малы, что можно было бы почти полностью пренебречь ошибкой, возникающей таким образом из-за этой примеси азота, и вычислить объем кислорода непосредственно из потери веса баллона.

На самом деле было установлено, что путем увеличения потери веса баллона с кислородом, содержащим 3 процента азота, на 0,4 процента, а затем перевода этого веса в объем путем умножения на 0,7, объем подаваемого газа становится известен с большой точностью. Этот метод расчета успешно использовался в связи с большой камерой и особенно для экспериментов небольшой продолжительности. Он также был с большим успехом внедрен в портативном типе аппарата, описанном в другом месте. В этих условиях, следовательно, нет необходимости вносить какую-либо поправку на остаточный объем азота, как он рассчитан в начале эксперимента. Когда прямое сравнение рассчитанного остаточного количества присутствующего кислорода должно быть сделано с определениями, сделанными с помощью газоанализатора, должен применяться более ранний и гораздо более сложный метод расчета.

КРИТИКА МЕТОДА РАСЧЕТА ОБЪЕМА КИСЛОРОДА.

Поскольку вентиляционный поток воздуха имеет замкнутый объем, в котором постоянно меняются проценты диоксида углерода, кислорода и водяного пара, важно отметить, что азот, присутствующий в аппарате, когда аппарат запечатан, остается неизменным на протяжении всего эксперимента, за исключением небольших количеств, добавленных с коммерческим кислородом — количеств, хорошо известных и для которых могут быть сделаны определенные поправки. Следовательно, чтобы найти количество кислорода, присутствующего в остаточном воздухе в любое время, необходимо только определить количества диоксида углерода и водяного пара, и из этих двух факторов и из известного объема присутствующего азота можно вычислить общий объем кислорода после расчета общего абсолютного объема воздуха в камере в любой данный момент времени.

Хотя кажущийся объем воздуха остается постоянным на протяжении всего эксперимента, по условиям самого эксперимента абсолютное количество может значительно измениться, главным образом из-за колебаний барометрического давления и, во вторую очередь, из-за небольших колебаний температуры воздуха внутри камеры. Хотя наблюдатели пытаются произвольно контролировать температуру этого воздуха в пределах нескольких сотых градуса, временами испытуемый может непреднамеренно перемещать свое тело в кресле всего за несколько мгновений до конца периода и тем самым временно вызвать повышенное расширение воздуха. Аппарат — это, одним словом, большой воздушный термометр, внутри колбы которого сидит испытуемый. Если бы вся система была заключена в жесткие стенки, время от времени происходили бы заметные изменения давления в системе из-за изменений абсолютного объема, но с помощью компенсатора давления этих колебаний давления удается избежать.

Здесь сохраняются те же трудности, которые испытывались с более ранним типом аппарата при определении средней температуры объема воздуха внутри камеры. У нас, с одной стороны, теплая поверхность тела человека, в среднем не далекая от 32° C. С другой стороны, у нас холодная вода в поглотителях тепла при температуре не далекой от 12° C. Очевидно, что воздух в непосредственной близости от этих двух мест значительно теплее или холоднее средней температуры воздуха. Расположение электрических термометров сопротивления вокруг камеры после большого количества экспериментов было сделано таким, чтобы позволить измерить, насколько это возможно, среднюю температуру в камере. Но это в лучшем случае грубое приближение, и мы должны полагаться на допущение, что, хотя температуры, которые фактически измеряются, могут не быть средней температурой, колебания средней температуры параллельны колебаниям измеренных температур. Поскольку прилагаются все усилия, чтобы свести эти колебания к минимуму, видно, что ошибка этого допущения не так велика, как может показаться на первый взгляд. Однако расчет остаточного количества кислорода в камере зависит от этого допущения, и, следовательно, любые ошибки в допущении заметно повлияют на расчет остаточного кислорода.

Попытки сравнить определение кислорода с помощью чрезвычайно точного аппарата Зондена с тем, которое рассчитано после определения водяного пара и диоксида углерода, температуры и давления воздуха в камере, до сих пор приводили к результатам, которые указывают на одно из трех: (1) что смесь не является гомогенной; (2) что в течение времени, необходимого для проведения остаточных анализов, т. е. около трех или четырех минут, может происходить изменение содержания кислорода в воздухе камеры из-за кислорода, постоянно добавляемого из баллона; (3) что кислород, подаваемый из баллона, не полностью смешивается с воздухом в камере до тех пор, пока не пройдет некоторое время. То есть, при методе, используемом сейчас, необходимо заполнить компенсатор давления до определенного давления непосредственно в конце каждого экспериментального периода. Это делается путем подачи кислорода из баллона, и, очевидно, этот кислород не присутствовал в воздухе при анализе. Планируется серия экспериментов с несколько иначе организованной системой, в которой кислород будет подаваться в респирационную камеру напрямую, а не в компенсатор давления, и в конце эксперимента компенсатор давления будет поддерживаться на такой точке, что когда двигатель будет остановлен, количество кислорода, которое нужно добавить для приведения давления к определенной точке, будет небольшим.

В этих условиях есть надежда получить более удовлетворительное сравнение анализов, выполненных с помощью аппарата Зондена, и рассчитанных исходя из состава остаточного воздуха путем гравиметрического анализа. Остается фактом, однако, что с каким бы мастерством и тщательностью ни проводился газометрический анализ, гравиметрически или объемно, расчет остаточного количества кислорода представляет одни и те же трудности в обоих случаях.

РАСЧЕТ ОБЩЕГО ВЫХОДА ДИОКСИДА УГЛЕРОДА И ВОДЯНОГО ПАРА И ПОГЛОЩЕНИЯ КИСЛОРОДА.

По весам сосудов с серной кислотой и поташной известью легко получаются количества водяного пара и диоксида углерода, поглощенные из потока воздуха. Потеря веса кислородного баллона, увеличенная на 0,4 процента (см. стр. 88), дает вес кислорода, поданного в камеру. Остается, следовательно, внести надлежащую поправку на изменения состава воздуха внутри камеры в начале и конце различных периодов. Из остаточных листов определенно известны количества водяного пара, угольной кислоты и кислорода, присутствующие в системе в начале и конце каждого периода. Если, например, происходит увеличение количества диоксида углерода в камере в конце периода, это увеличение должно быть добавлено к количеству, поглощенному из потока воздуха, чтобы получить истинное значение количества, образовавшегося в течение экспериментального периода.

Аналогичный расчет справедлив в отношении водяного пара и кислорода. Для удобства расчетов количество водяного пара и диоксида углерода, остающихся в камере, обычно выражается в граммах, тогда как кислород выражается в литрах. Следовательно, перед выполнением сложения или вычитания из количества поданного кислорода изменения в количестве кислорода, остающегося в системе, следует перевести из литров в граммы. Это делается путем деления на 0,7.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ГОРЕНИЕМ СПИРТА.

После того как аппаратура для определения диоксида углерода, воды и кислорода была доведена до максимально возможной степени совершенства, возникла необходимость подвергнуть ее суровому испытанию и тем самым продемонстрировать ее способность давать удовлетворительные результаты в условиях, которые можно точно контролировать. Выделение определенного количества диоксида углерода из карбоната с помощью кислоты часто применялось для контроля аппаратуры, используемой в исследованиях газообмена, но это дает лишь определенное количество диоксида углерода и никак не проясняет способность аппаратуры определять два других фактора: водяной пар и кислород. Некоторые из ранних исследователей использовали горящие свечи, но мы сочли их крайне неудовлетворительными. Необходимость точного элементарного анализа, высокое содержание углерода в стеарине и парафине, а также возможность изменения химического состава материала делают этот метод непригодным для наиболее точного тестирования. В результате большого количества экспериментов с различными материалами мы по-прежнему полагаемся на использование этилового спирта с известным содержанием воды. Эксперименты с абсолютным спиртом и со спиртом, содержащим различное количество воды, не показали различий в результатах, и поэтому теперь мы обычно приобретаем коммерческий спирт высшего сорта, точно определяем удельный вес и сжигаем этот материал. Мы используем пикнометр Сквибба [28] и благодаря этому можем определять удельный вес спирта до пятого или шестого десятичного знака с высокой степенью точности. Используя алкоголеметрические таблицы Сквибба [29] или Морли [30], можно легко найти процентное содержание спирта по весу, а исходя из химического состава спирта, можно вычислить не только количество образовавшихся диоксида углерода и водяного пара и поглощенного кислорода при сгорании 1 грамма этилового спирта, содержащего определенное известное количество воды, но и тепло, выделившееся при его сгорании.

При создании данной аппаратуры выяснилось, что непрактично использовать тип спиртовой лампы, ранее успешно применявшийся в респирационной камере Уэслианского университета. Невозможность осветить шкалу на боковой стороне лампы и маленькие окна на боковой стороне калориметра исключили ее использование. Пришлось прибегнуть к использованию обычной керосиновой лампы с большим стеклянным резервуаром и горелкой Арганда. Из множества проведенных контрольных испытаний мы приводим одно от 31 декабря 1908 года, выполненное с помощью кроватного калориметра:

Перед тем как поместить лампу в камеру, было сделано несколько предварительных взвешиваний для определения скорости горения. Затем лампу установили на место и включили вентиляцию, не герметизируя крышку. Лампа горела около часа с четвертью, после чего ее снова взвесили. Затем окно было герметизировано, и эксперимент начался как можно скорее. По окончании эксперимента окно немедленно открыли, лампу погасили и взвесили. Количество спирта, сгоревшего за время между взвешиванием и началом эксперимента, было рассчитано исходя из скорости горения до эксперимента, и это количество было вычтено из общего количества, сгоревшего с момента взвешивания лампы перед герметизацией до конца, когда ее взвесили во второй раз. Для минуты, прошедшей между окончанием эксперимента и последним взвешиванием, была использована скорость горения за время самого эксперимента.

В ходе эксперимента было сожжено 142,7 грамма 92,20-процентного спирта с удельным весом 0,8163.

Табличная сводка результатов приведена ниже:

| Found. | Required.
Carbon dioxide   gms. | 259.9 | 251.4
Oxygen               " | 278.5 | 274.8
Water-vapor        " | 165.8 | 165.6
Heat               cals. | 829.0 | 834.5

Таким образом, аппаратура доказывает свою точность при определении всех четырех факторов.

ВЕСЫ ДЛЯ ВЗВЕШИВАНИЯ ИССЛЕДУЕМОГО.

Потеря или увеличение массы тела всегда рассматривались как показатели состояния организма: потеря обычно указывает на уменьшение массы тела, а увеличение — на обратное. В экспериментах, где поддерживается тонкий баланс между поступлением и выделением веществ, как в данных опытах, представляет особый интерес сравнение потерь массы, определенных с помощью весов, с рассчитанным метаболизмом веществ, что позволяет получить проверку вычислений всего процесса метаболизма. Со времен Санкториуса потеря массы тела от периода к периоду представляет особый интерес. Наиболее недавним вкладом в эти исследования являются весы, описанные Ломбардом [31], в которых масса тела регистрируется графически от момента к моменту с помощью чрезвычайно чувствительных весов.

Однако в связи с описанными здесь экспериментами взвешивание на весах имеет особое значение, поскольку оно позволяет косвенно определить потребление кислорода. Как указывали Петтенкофер и Фойт, если принять во внимание массу экскрементов и потерю массы тела, то разница между массой экскрементов и потерей массы тела должна быть массой поглощенного кислорода. С помощью данной аппаратуры мы можем определять водяной пар, выделение диоксида углерода, а также массу мочи и кала при их выделении. Если имеется точное определение массы тела от часа к часу, это должно дать данные для точного расчета потребления кислорода. Более того, у нас есть прямое определение кислорода, с которым можно сравнить косвенный метод.

В ранней аппаратуре это сравнение было далеко не таким удовлетворительным, как хотелось бы. Использовавшиеся там весы имели чувствительность только до 2 граммов, эксперименты были длительными (24 часа и более), и казалось абсолютно невозможным, даже при соблюдении величайших мер предосторожности, каждый день определять массу тела испытуемого в точно такой же одежде и с теми же принадлежностями. Более того, когда происходит постоянное изменение массы тела на 0,5 грамма или более в минуту, очевидно, что взвешивание должно проводиться в точно один и тот же момент изо дня в день. Таким образом, видно, что сравнение с прямым определением кислорода на самом деле является самостоятельным исследованием, требующим наиболее точных измерений и самой тщательной отработки методики.

В надежде внести существенный вклад в наши знания относительно косвенного определения кислорода, над калориметром-стулом были установлены специальные весы, показанные на рис. 9. Эти весы чрезвычайно чувствительны. При статической нагрузке 100 килограммов на каждой чаше они показали чувствительность 0,1 грамма, но для того, чтобы аппаратура была абсолютно герметичной для определения кислорода и диоксида углерода, стержень, на котором подвешен стул для взвешивания, должен проходить через герметичное уплотнение. Для этого уплотнения мы использовали тонкую резиновую мембрану массой около 1,34 грамма, один конец которой привязан к трубке из твердой резины, поднимающейся от стула к верхней части калориметра, а другой конец привязан к подвесному стержню. При движении вверх и вниз этот стержень воспринимает переменную нагрузку от резиновой диафрагмы в зависимости от занимаемого им положения, поэтому чувствительность, отмеченная весами при статической нагрузке и свободном колебании, выше, чем в условиях фактического использования. Предварительные испытания весов позволяют нам полагать, что при небольшом улучшении техники человека можно взвешивать с точностью до 0,3 грамма с помощью этих весов. В момент написания статьи проводится серия контрольных экспериментов для проверки косвенного определения кислорода с помощью прямого, и есть надежда, что эта проблема вскоре будет удовлетворительно решена.

Во время процесса взвешивания поток вентиляционного воздуха останавливается, чтобы предотвратить любое малейшее натяжение резиновой диафрагмы и обеспечить наилучшие условия для чувствительного равновесия. После того как взвешивание произведено и время точно зафиксировано, нагрузка снимается с призм весов, после чего предусмотрено поднятие стержня, поддерживающего стул, и одновременное плотное введение резиновой пробки в трубку из твердой резины в верхней части калориметра, что делает уплотнение абсолютно герметичным. Несколько рискованно полагаться в течение всего периода эксперимента на тонкую резиновую мембрану для герметизации, когда воздуходувка перемещает воздушный поток.

Для поднятия стула и человека, подвешенного на нем, таким образом, чтобы втянуть пробку в трубку из твердой резины, мы ранее использовали большой ручной рычаг, который был не особенно удовлетворительным. Благодаря предложению г-на Э. Х. Меткалфа мы смогли прикрепить пневматический подъемник (рис. 9), при котором поперечина над камерой калориметра, к которой прикреплен подвесной стержень, опирается на две дубовые стойки и может быть поднята путем подачи воздуха в воздушную подушку, через центральное отверстие которой проходит стержень, подвешивающий стул. По мере поступления воздуха в воздушную подушку она расширяется и поднимает большой деревянный диск, который, в свою очередь, поднимает железную поперечину, поднимая стул и подвешенный на нем груз. На нужной высоте, когда пробка была плотно вставлена на место, под концы железной поперечины подкладываются два подвижных блока, и таким образом пробка надежно удерживается на месте. Затем с воздушной подушки снимается напряжение. Эта аппаратура функционирует очень удовлетворительно, поднимая человека или опуская его на призмы весов с величайшей регулярностью и легкостью.

ЧАСТОТА ПУЛЬСА И ЧАСТОТА ДЫХАНИЯ.

Поразительная взаимосвязь, существующая между частотой пульса и общим метаболизмом, отмеченная в экспериментах натощак, проведенных с помощью более ранней аппаратуры, убедила нас в желательности получения записей частоты пульса как можно чаще во время эксперимента. Записи частоты дыхания также представляют интерес, хотя и не столь важный. Чтобы получить частоту пульса, мы прикрепляем стетоскоп Боулза над верхушечным толчком сердца и удерживаем его на месте с помощью легкой брезентовой обвязки. Через длинную передаточную трубку, проходящую через герметичное уплотнение в стенках калориметра, можно без труда подсчитать удары сердца. Частота дыхания определяется путем прикрепления пневмографа Фитца вокруг туловища, на полпути между сосками и пупком. Экскурсии указателя тамбура, записанные на закопченной бумаге кимографа, дают верную картину частоты дыхания.

Однако еще более важным является тот факт, что расширение и сокращение пневмографа предоставляют отличное средство для фиксации незначительной мышечной активности испытуемого, который в остальном считается находящимся в состоянии полного покоя. Малейшее движение руки или сокращение или расслабление любой из мышц туловища приводит к движению тамбура, вполне отличному от дыхательных движений грудной клетки или живота. Эти движения формируют очень верную картину мышечных движений испытуемого, и эти графические записи имели очень большое значение при интерпретации результатов многих экспериментов.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА С ЧЕЛОВЕКОМ.

В многочисленных ранее опубликованных отчетах, описывающих конструкцию респирационного калориметра и эксперименты с ним, мало внимания уделялось описанию порядка проведения работ. Поскольку в связи с растущим интересом к этому типу аппаратуры и возможным созданием других подобных конструкций подробное описание порядка проведения работ было бы полезным, оно включено здесь.

ПОДГОТОВКА ИСПЫТУЕМОГО.

Перед экспериментом испытуемому обычно назначается либо оговоренная диета на период времени, варьирующийся в зависимости от характера эксперимента, либо, как в случае некоторых экспериментов, он должен обходиться без пищи в течение не менее 12 часов до начала. Иногда мы считали целесообразным давать чашку черного кофе без сахара или сливок, и таким образом нам удавалось изучать ранние стадии голодания, не создавая слишком большого дискомфорта для испытуемого. Стимулирующий эффект небольшого количества черного кофе на метаболизм едва заметен, и для большинства экспериментов он не вносит никакой ошибки.

Моча обычно собирается за 24 часа до начала, в 6- или 12-часовые периоды. Во время самого эксперимента моча по возможности выделяется в конце каждого периода. Это дает возможность изучать периодическое выведение азота и часто помогает пролить свет на любые особенности метаболизма.

Даже при использовании длительной предшествующей диеты постоянного состава невозможно полагаться на какое-либо регулярное время для дефекации или на какое-либо четкое разделение кала. Для многих экспериментов непрактично и крайне нежелательно, чтобы испытуемый пытался совершить дефекацию внутри камеры, а для экспериментов короткой продолжительности желание дефекации избегается путем опорожнения нижнего отдела кишечника с помощью клизмы с теплой водой непосредственно перед тем, как испытуемый входит в камеру. Следует подчеркнуть, что следует использовать только умеренное количество воды и опорожнять только нижний отдел кишечника, чтобы не усиливать желание дефекации.

Одежда обычно является обычной для испытуемого, хотя иногда проводились эксперименты по изучению влияния различного количества одежды на человека. Должна быть возможность для удобной регулировки стетоскопа, пневмографа и т. д., и одежда должна быть достаточно теплой, чтобы испытуемый мог оставаться в комфорте и покое во время своего пребывания внутри камеры.

Ректальный термометр, который был предварительно тщательно откалиброван, извлекается из сосуда с теплой водой, смазывается вазелином и вставляется в теплом виде в прямую кишку на глубину от 10 до 12 сантиметров. Провода выводятся через одежду в удобном положении.

Стетоскоп прикрепляется как можно ближе к верхушечному толчку сердца с помощью легкой брезентовой обвязки. При использовании стетоскопа Боулза было обнаружено, что удары сердца легко подсчитываются, если между стетоскопом и кожей есть только один слой одежды. Обычно его помещают прямо на нижнюю рубашку испытуемого.

Пневмограф помещается вокруг тела на полпути между соском и пупком, и к цепи или ремню, удерживающему его на месте, прикладывается достаточное натяжение, чтобы обеспечить хорошее и четкое движение тамбура для каждого дыхательного движения.

Затем испытуемый готов войти в камеру и, поднявшись по стремянке, спускается в отверстие калориметра-стула, садится на стул и готов принять материалы, которые ему будут переданы, и подготовить себя и свою аппаратуру к эксперименту. Обычно в калориметре в удобном положении размещают несколько бутылок с питьевой водой, а также бутылки для мочи, материалы для чтения, клинический термометр, блокнот и т. д. Перед тем как крышка окончательно устанавливается на место, проверяется пневмограф, проверяются соединения стетоскопа, чтобы убедиться, что пульс слышен, проверяются соединения ректального термометра, а телефон, звонок и электрическое освещение приводятся в исправное состояние. Когда испытуемый взвешен на стуле, весы проверяются, чтобы убедиться, что они свободно колеблются и имеют максимальную чувствительность. Все регулировки производятся таким образом, чтобы после начала эксперимента от испытуемого требовалось минимум усилий.

ГЕРМЕТИЗАЦИЯ КРЫШКИ.

Крышка устанавливается на место, и воск плотно вдавливается между ней и краем отверстия. Воск предпочтительно подготавливать в виде длинных валиков размером с карандаш и длиной от 25 до 30 сантиметров. Его вдавливают на место, при необходимости используя плоский нож. Затем обычный паяльник, предварительно умеренно нагретый в пламени газовой горелки, используется для расплавления воска на месте. Этот процесс должен выполняться с величайшей осторожностью и вниманием, так как малейшее отверстие в воске сведет на нет результаты. Герметичность тщательно проверяется с помощью электрического света и предпочтительно двумя лицами независимо друг от друга. После того как герметичность обеспечена, подключаются штекеры, соединяющие термопары и нагревательные провода крышки с проводами остальной части камеры, устанавливается водяная труба, и соединения плотно свинчиваются. Убедившись, что электрические соединения не могут ни в коем случае закоротить ни на металлической камере, ни на металлических трубах, устанавливают асбестовую крышку.

ПОРЯДОК РАБОТЫ НА ПУЛЬТЕ НАБЛЮДАТЕЛЯ.

За некоторое время до того, как человек входит в камеру, внутрь камеры помещается электрическая лампа мощностью от 16 до 24 свечей (в зависимости от размера испытуемого) в качестве замены человека, запускается поток охлаждающей воды, и вся аппаратура настраивается на отвод тепла до входа человека. Скорость потока в калориметре-стуле составляет около 350 кубических сантиметров в минуту при нахождении человека в покое. Производится правильное смешивание холодной и теплой воды, чтобы электрический подогреватель можно было легко регулировать с помощью последовательно включенного сопротивления. Принимаются меры, чтобы вода не поступала в камеру при температуре ниже точки росы, тем самым избегая конденсации влаги на поглотителях. Термопары указывают на разницу температур в стенках, и различные секции нагреваются или охлаждаются по мере необходимости, пока вся система не будет приведена в состояние, максимально близкое к тепловому равновесию.

После того как человек входит, лампа удаляется, и поток воды при необходимости изменяется, а нагрев и охлаждение различных частей регулируются так, чтобы снова обеспечить температурное равновесие всех частей. Когда количество тепла, отводимого потоком воды, точно компенсирует тепло, выделяемое испытуемым, когда элементы термопар в стенках показывают нулевое или очень малое отклонение, когда термометры сопротивления показывают постоянную температуру воздуха внутри камеры и стенок камеры, эксперимент готов к началу.

Физический наблюдатель держит химического ассистента в курсе предполагаемого времени начала эксперимента, чтобы было достаточно времени для проведения остаточных анализов воздуха. После того как эти анализы выполнены и эксперимент вот-вот начнется, наблюдатель за пультом объявляет время с точностью до минуты, в этот момент воздуходувка останавливается и система очистки переключается. Физический наблюдатель измеряет температуру стенки и воздуха с помощью электрических термометров сопротивления, снимает показания ртутных термометров, записывает показания ректального термометра, и в точный момент начала эксперимента поток воды, который ранее стекал в канализацию, направляется в водяной счетчик. В конце периода этот порядок меняется лишь тем, что поток воды направляется из водяного счетчика в небольшую емкость вместимостью около 4 литров, в которую вода течет, пока счетчик взвешивается.

МАНИПУЛЯЦИИ С ВОДЯНЫМ СЧЕТЧИКОМ.

Скорость потока воды через аппаратуру определяется до начала эксперимента. Это делается путем направления воды в течение определенного количества секунд в мерный цилиндр или путем направления ее в небольшую емкость и взвешивания собранной таким образом воды. Затем в течение предварительного периода вода направляется в канализацию. Тем временем открывается главный клапан в нижней части водяного счетчика, вода, накопившаяся от испытаний в предыдущих экспериментах, сливается, и после того, как емкость опустеет, клапан закрывается. Затем счетчик тщательно балансируется на весах, и вес записывается. В начале эксперимента вода направляется из канализации в счетчик. В конце периода, пока вода течет в небольшую емкость, водяной счетчик снова тщательно взвешивается, и вес записывается. Записав вес, воду снова направляют в большой счетчик, а то, что накопилось в небольшой емкости, осторожно переливают в большой счетчик через воронку. Если счетчик почти полон, так что в течение следующего периода вода будет накапливаться и переполнять счетчик, его опорожняют сразу после взвешивания, пока наполняется небольшая емкость. На полное опорожнение емкости требуется около 4 минут.

После того как он опорожнен, его снова взвешивают, поток воды переключают с небольшой емкости на счетчик, а воду, накопившуюся в небольшой емкости, осторожно переливают в счетчик. Все веса на водяном счетчике, как пустой емкости, так и емкости в конце каждого периода, проверяются двумя наблюдателями.

СТОЛ ПОГЛОТИТЕЛЕЙ.

Вскоре после того, как испытуемый вошел в камеру, и во многих случаях до того, как начался процесс герметизации, запускается поток вентиляционного воздуха путем включения воздуходувки. Воздух проходит через один комплект очистителей в течение этого предварительного периода, и поскольку для этого периода измерения не проводятся, нет необходимости в предварительном знании веса поглотителей.

Тем не менее, принимаются все меры предосторожности в отношении обеспечения герметичности соединений и установки их на систему поглотителей. В течение этого периода другой комплект поглотителей тщательно взвешивается и подготавливается к установке и проверке, и примерно за 10 минут до начала самого эксперимента начинаются остаточные анализы. Серия U-образных трубок, которые были предварительно тщательно взвешены, помещается на небольшие наклонные стойки и соединяется со счетчиком, а также с трубкой, ведущей к ртутному клапану. Затем открывается пробковый кран, соединяющий возвратную воздушную трубу с сушильной башней и газовым счетчиком, и опускается ртутный резервуар. Скорость потока воздуха через U-образные трубки регулируется винтовым зажимом на резиновой трубке, ведущей к первой U-образной трубке. Эта скорость регулируется с помощью зажима так, чтобы через U-образные трубки проходило около 3 литров воздуха в минуту, и по мере того как указатель на газовом счетчике приближается к 10 литрам, ртутный резервуар поднимается в такой точке, найденной опытным путем, которая перекроет поток воздуха, когда общий объем на счетчике достигнет 10 литров. Затем закрывается пробковый кран в трубе за счетчиком, U-образные трубки отсоединяются, и устанавливается новый комплект. Проводится дублирующий, а иногда и триплирующий анализ.

Когда физический наблюдатель объявляет время окончания периода, выключатель, управляющий двигателем, размыкается, и химический ассистент открывает задний клапан нового комплекта поглотителей и закрывает задний клапан старого комплекта, а также открывает передний клапан нового комплекта и закрывает передний клапан старого комплекта. Как только поступает сигнал о том, что соединения кислорода были правильно выполнены и что кислород был подан в камеру в надлежащем количестве, воздуходувка снова запускается. Затем необходимо взвесить U-образные трубки, отсоединить старый комплект поглотителей и взвесить их. Если поглотители с серной кислотой не превысили предел увеличения веса, они используются снова; если превысили, их заменяют новыми.

Первый поглотитель с серной кислотой соединяется с передним клапаном, затем канистра с поташной известью, а затем последний поглотитель с серной кислотой; но перед соединением последнего поглотителя с серной кислотой с канистрой с бикарбонатом натрия проводится проверка всей системы от переднего клапана до конца второго поглотителя с серной кислотой. Это делается путем установки резиновой пробки в выходной конец второго поглотителя с серной кислотой и с помощью велосипедного насоса нагнетания сжатого воздуха через трубу, врезанную в трубу от клапана на переднем конце, до тех пор, пока в этой части системы не будет создано давление около 2 футов водяного столба. Эта схема проверки и метод подключения дополнительной трубы были подробно обсуждены в более ранней публикации [32]. Многократные испытания показали, что этот метод проверки аппаратуры на герметичность очень успешен, так как малейшая утечка быстро обнаруживается.

После того как система была тщательно проверена, сначала удаляется резиновая пробка из выходного конца второго поглотителя с серной кислотой, затем отсоединяется трубка, соединенная с насосом и манометром, и ее конец помещается в резервуар со ртутью. Иногда из-за недосмотра давление сбрасывается в испытательной трубке, в результате чего воздух, сжатый в системе, расширяется, выталкивая серную кислоту в клапаны и вниз в воздуходувку, тем самым полностью портя эксперимент. После проверки последний поглотитель с серной кислотой соединяется с канистрой с бикарбонатом натрия. Видно, что это последнее соединение — единственное, которое не проверялось, и было обнаружено, что необходимо следить за использованием только лучших прокладок в этом месте, так как часто возникают утечки; на самом деле, мы обычно смачиваем это соединение мыльной пеной. Если используются новые резиновые прокладки, утечка никогда не обнаруживается.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА.

Чтобы поддерживать кажущийся объем воздуха во всей системе постоянным, кислород подается в компенсатор давления до тех пор, пока в конце не будет оказываться такое же давление на эту часть системы, как и в начале. Это делается путем закрытия клапана, соединяющего компенсатор давления с системой, и подачи кислорода в компенсатор давления до тех пор, пока нефтяной манометр не покажет определенное давление. После остановки двигателя в конце экспериментального периода в воздуходувке остается небольшое количество сжатого воздуха, который почти мгновенно просачивается обратно через воздуходувку, и вся система переходит под атмосферное давление, за исключением той части, которая герметично отделена между двумя уровнями серной кислоты в двух поглощающих сосудах. Через несколько секунд после остановки двигателя закрывается клапан, отсекающий компенсатор давления от остальной части системы, открывается пробковый кран, соединяющий его с нефтяным манометром, и кислород подается путем замыкания электрических соединений на двух ртутных чашках. Это делается руками наблюдателя и должно выполняться очень осторожно и аккуратно, так как в противном случае кислород устремится внутрь так быстро, что вызовет чрезмерное давление. По мере заполнения мешка газом индекс на нефтяном манометре движется по дуге круга и постепенно достигает желаемой точки. В этой точке подача кислорода перекрывается, клапан, соединяющий компенсатор давления с основной системой, открывается, и одновременно игольчатый клапан на редукционном клапане кислородного баллона плотно закрывается, подготавливаясь к взвешиванию баллона. В этот момент двигатель можно запустить и продолжить эксперимент.

Затем необходимо взвесить кислородный баллон. Это делается после предварительного закрытия пробкового крана на конце трубы, проводящей газ под полом комнаты калориметра, отсоединения стеклянного соединения в резиновой трубке, ведущей от редукционного клапана к пробковому крану, и разрыва соединений между двумя резиновыми трубками, одной от пробкового крана и другой к редукционному клапану, а также разрыва электрического соединения, ведущего к магниту на баллоне. Затем баллон готов свободно качаться без каких-либо соединений ни с кислородной трубой, ни с электрическими проводами. Затем его взвешивают, отмечая потерю веса путем удаления латунных гирь на полке, прикрепленной к противовесу. Важно следить за тем, чтобы на полке всегда было достаточное количество латунных гирь, чтобы учесть максимальную потерю веса кислорода из баллона за данный период. Поскольку баллоны содержат около 4–5 килограммов кислорода, при балансировке баллонов в начале принято помещать на полку не менее 4 килограммов латунных гирь, а затем регулировать противовес так, чтобы учесть постепенное удаление этих гирь по мере расходования кислорода.

Как можно скорее после начала периода U-образные трубки взвешиваются на аналитических весах, и если они не набрали слишком много, их соединяют, подготавливая к следующему анализу. Если они уже поглотили слишком много воды или диоксида углерода, их заменяют свежезаполненными трубками.

Сразу по окончании экспериментального периода барометр тщательно устанавливается и считывается, и показания проверяются другим ассистентом. На протяжении всего эксперимента ассистент часто подсчитывает пульс испытуемого с помощью стетоскопа и записывает частоту дыхания, отмечая меньшие колебания указателя тамбура на закопченной бумаге. Эти наблюдения записываются каждые несколько минут в книгу, предназначенную специально для этой цели.

Превосходная сохранность записи незначительных мышечных движений достигается путем погружения закопченной бумаги на барабане кимографа в раствор смолы и спирта. Меньшие движения на бумаге указывают на частоту дыхания, но каждое незначительное мышечное движение, такое как движение руки или любое смещение тела, отображается большим отклонением указателя из регулярной зоны вибрации. Эти записи незначительной мышечной активности имеют большое значение при интерпретации результатов химических и физических определений.

СНОСКИ:

[5] У. О. Этуотер и Ф. Г. Бенедикт: Респирационный калориметр с приспособлениями для прямого определения кислорода. Публикация Института Карнеги в Вашингтоне № 42, стр. 91. (1905.)

Фрэнсис Г. Бенедикт: Влияние голодания на метаболизм. Публикация Института Карнеги в Вашингтоне № 77, стр. 451. (1907.)

[6] У. О. Этуотер и Ф. Г. Бенедикт: Респирационный калориметр с приспособлениями для прямого определения кислорода. Публикация Института Карнеги в Вашингтоне № 42, стр. 114. (1905.)

[7] У. О. Этуотер и Ф. Г. Бенедикт: Респирационный калориметр с приспособлениями для прямого определения кислорода. Публикация Института Карнеги в Вашингтоне № 42, стр. 158. (1905.)

[8] Армсби: Министерство сельского хозяйства США, Бюро животноводства, Бюллетень 51, стр. 34. (1903.)

[9] Бенедикт и Снелл: Новый метод измерения температуры тела. Архив физиологии, том 88, стр. 492–500. (1901.)

У. О. Этуотер и Ф. Г. Бенедикт: Респирационный калориметр с приспособлениями для прямого определения кислорода. Публикация Института Карнеги в Вашингтоне № 42, стр. 156. (1905.)

[10] Роза: Министерство сельского хозяйства США, Управление экспериментальных станций, Бюллетень 63, стр. 25.

[11] Смит: Теплота испарения воды. Physical Review, том 25, стр. 145. (1907.)

[12] Философские труды, том 199, А, стр. 149. (1902.)

[13] Это согласуется со значением 579,6 калории, найденным Ф. Хеннингом, Ann. d. Physik, том 21, стр. 849. (1906.)

[14] Пембри: Учебник физиологии Шефера, том 1, стр. 838. (1898.)

[15] Бенедикт и Снелл: Колебания температуры тела с особым учетом влияния, которое оказывает изменение ежедневных жизненных привычек у человека. Архив физиологии, том 90, стр. 33. (1902.)

Бенедикт: Исследования температуры тела: I. Влияние изменения ежедневного распорядка: температура ночных работников. Американский журнал физиологии, том 11, стр. 145. (1904.)

[16] У. О. Этуотер и Э. Б. Роза: Описание нового респирационного калориметра и эксперименты по сохранению энергии в организме человека. Министерство сельского хозяйства США, Управление экспериментальных станций, Бюллетень 63. (1899.)

[17] Удельная теплоемкость воды при средней температуре воды в теплопоглощающей системе, отнесенная к удельной теплоемкости воды при 20° C.

[18] У. О. Этуотер и Ф. Г. Бенедикт: Респирационный калориметр с приспособлениями для прямого определения кислорода. Публикация Института Карнеги в Вашингтоне № 42, стр. 18. (1905.)

[19] Описание аппаратуры и метода заполнения см. У. О. Этуотер и Ф. Г. Бенедикт: Респирационный калориметр с приспособлениями для прямого определения кислорода. Публикация Института Карнеги в Вашингтоне № 43, стр. 27. (1905.)

[20] У. О. Этуотер и Ф. Г. Бенедикт: Респирационный калориметр с приспособлениями для прямого определения кислорода. Публикация Института Карнеги в Вашингтоне № 42, стр. 56. (1905.)

[21] У. О. Этуотер и Ф. Г. Бенедикт: Респирационный калориметр с приспособлениями для прямого определения кислорода. Публикация Института Карнеги в Вашингтоне № 42, стр. 20. (1905.)

[22] Торн М. Карпентер и Фрэнсис Г. Бенедикт: Ртутное отравление людей в респирационной камере. Американский журнал физиологии, том 24, стр. 187. (1909.)

[23] Фрэнсис Г. Бенедикт: Метод калибровки газовых счетчиков. Physical Review, том 22, стр. 294. (1906.)

[24] Этуотер и Бенедикт: Там же, стр. 38.

[25] Этуотер и Бенедикт: Публикация Института Карнеги в Вашингтоне № 42, стр. 77.

[26] При использовании логарифмов место экономится за счет отказа от использования характеристик.

[27] Фрэнсис Г. Бенедикт: Аппаратура для изучения дыхательного газообмена. Американский журнал физиологии, том 24, стр. 368. (1909.)

[28] Сквибб: Журнал Американского химического общества, том 19, стр. 111. (1897.)

[29] Squibb: Ephemeris, 1884 to 1885, part 2, pp. 562-577.

[30] Морли: Журнал Американского химического общества, том 26, стр. 1185. (1904.)

[31] У. П. Ломбард: Метод регистрации изменений массы тела, происходящих в течение коротких промежутков времени. Журнал Американской медицинской ассоциации, том 47, стр. 1790. (1906.)

[32] Этуотер и Бенедикт: Там же, стр. 21.