Применение закона сохранения энергии для человеческого организма

Трудами ученых XVIII века было доказано, что при совершении механической работы возникает теплота. Но какова количественная связь между ними? Всегда ли надо затратить одно и тоже количество (и какое именно), чтобы получить единицу количества теплоты? Ответ на эти вопросы искали многие ученые IX века. Подсчеты, дающие ответ на эти вопросы, содержались в рукописи молодого французского инженера Сади Карно, изданной после его смерти в 1823 г. Сади Карно сформулировал закон превращения и сохранения энергии в механических и тепловых процессах. Но работа Карно тогда не привлекла внимания физиков.

Немецкий ученый Роберт Майер услышал однажды от моряка, что во время сильной бури вода нагревается. Эти слова, наряду с некоторыми наблюдениями самого ученого, побудили его взяться за определение отношения количеств работы и теплоты.

Основываясь на опубликованных в печати данных по определению удельных теплоемкостей газов, Майер подсчитал количество теплоты, необходимое для нагревания на один градус одной и той же массы газа в разных условиях. Для нагревания газа при постоянном объеме теплота

Q1 необходима только для увеличения его внутренней энергии. Для нагревания же его при постоянном давлении необходимо большее количество теплоты Q2, поскольку в этом случае не только внутренняя энергия газа увеличивается, но, расширяясь, он совершает работу А. Майер нашел способ рассчитать работу газа А. Затем, сравнив ее с разностью Q2 – Q1, он определил, какое количество работы «равноценно» одной калории теплоты. Этот расчет Майер выполнил в 1842 г.

Позднее в своей книге, изданной в 1845 г. , Майер рассмотрел с количественной стороны превращения и сохранения всех форм энергии, которые были известны в то время, и впервые сформулировал закон превращения и сохранения энергии в общей форме. В этой же книге Майер описал круговорот энергии в природе, указав, что источником энергетических превращений на Земле является Солнце.

Английский ученый Джеймс Джоуль, ничего не зная о работах Майера, решил поставить ряд опытов, чтобы доказать, что при различных процессах, при которых совершается работа, выделяется теплота, для получения единицы количества теплоты надо затратить одно и то же количество работы. Уже в 1841 г. он опубликовал выводы из своих опытов по исследованию превращения работы электрического тока в теплоту. К тем же выводам независимо от Джоуля в 1842 г. пришел петербургский академик Эмилий Ленц.

В 1847 г. вышла в свет работа немецкого ученого Германа Гельмгольца. На основе известных научных данных он теоретически исследовал превращения энергии во многих механических, тепловых, электрических, световых, химических процессах и сформулировал закон превращения и сохранения энергии как всеобщий закон природы. Этот закон гласит, что энергия не может исчезать бесследно или возникать из ничего.

ПОЛНАЯ ЭНЕРГИЯ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ, КОТОРАЯ НЕ ОТДАЕТ СВОЕЙ ЭНЕРГИИ И НЕ ПОЛУЧАЕТ ЭНЕРГИИ ИЗВНЕ, ОСТАЕТСЯ НЕИЗМЕННОЙ.

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ И ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ОРГАНИЗМ.

Но человек, все же , не замкнутая система. Работая, мы затрачиваем свою внутреннюю энергию. Для человека единственным источником энергии являются энергия химическая, потребляемая с пищей.

Питание обеспечивает основные жизненные функции организма. К этим функциям необходимо, прежде всего, отнести непрерывное обновление тканей (пластическая роль пищи). Далее, с пищей доставляется энергия, необходимая для всех внутренних процессов организма: правильного обмена веществ, синтеза в клетках, поддержания постоянной температуры тела, а также для осуществления внешней работы и движения. Каждое сокращение мышцы, удар сердца, вдох, выдох, нервные импульсы зависят от количества поставляемой энергии. Потребность в энергии выражается в килокалориях (ккал) в расчете на одного человека в сутки и зависит от энергозатрат организма.

Энергозатраты организма слагаются из: а) расхода энергии на поддержание основных жизненных функций организма (основной обмен); б) специфически-динамического действия пищи – усиления обмена в ответ на прием пищи; в) расход энергии на рост и развитие, отложение тканевых веществ (для детей и подростков); г) расхода энергии на выполнение работы, на двигательную активность.

В состоянии покоя человек тратит энергию только на обмен веществ. На этот процесс влияет много факторов, в частности масса тела, рост, пол, возраст, а также функции внутренней секреции, вырабатывающих гормоны. Из внешних факторов на обмен веществ воздействуют климатические условия. Основной обмен может понижаться под влиянием высоких температур окружающей среды (на 10 – 15 %), повышаться под влиянием холода (на 20 -25 %). На основной обмен влияют также стрессы и некоторые болезненные состояния организма. Но еще более значительное повышение основного обмена наблюдается при несбалансированных рационах питания: расход энергии идет на синтез недостающих в пище ингредиентов, необходимых организму.

Кроме обеспечения основного обмена, энергия химических связей питательных веществ тратится и на переваривание пищи, проявляющей свое специфически-динамическое действие. Отмечается влияние на степень повышения обмена не только количества принятой пищи, но также и ее качества. Более выраженное повышение обмена наблюдается в ответ на прием белковой пищи, меньшим специфически-динамическим действием обладают жиры и углеводы.

Принято считать, что из общего количества расходуемой энергии на рост и развитие ребенка тратится около 15 % ее.

Энергия, затрачиваемая на активность, является, очевидно, наиболее изменчивой частью расходов энергии. Для одного и того же человека при различных физических нагрузках энергетическая потребность человека может колебаться от 2200 до 3150 ккал в сутки. В таблице 1 приведен расход энергии в зависимости от физической активности человека.

ТАБЛИЦА 1

Расход энергии в зависимости от физической нагрузки

(за 1час на 1 кг массы человека).

Вид активности Ккал /час Вид активности Ккал/час

В состоянии покоя (лежа) 1,2 Мытье полов 4

Прием пищи сидя 1,2 Зарядка 4

Стоя без движения 1,2 Езда на велосипеде 4,4

Работа за письменным столом 1,6 Гребля 4,4

Разговор 1,6 Вальсирование 4,5

Утренний и вечерний туалет 1,7 Хождение по глубокому снегу 5

Вождение автомобиля 2,6 Быстрый танец

Одевание 2,8 Игра в теннис 6

Купание в ванне 2,8 Гребля на байдарке (6 км/ч) 6,1

Вождение мотоцикла 3,2 Рубка дров 6,2

Подметание пола 3,2 Игра в футбол 6,6

Работа по дому 3,4 Вскапывание грядок Прогулка в горы 7,8

Застилание постели 3,4 Бег трусцой 8,2

Мытье окон 3,6 Бег на длинные дистанции 8,8

Ходьба 3,8 Спринт 9,8

Глажение белья 3,8 13,2

КОЛИЧЕСТВЕННАЯ АДЕКВАТНОСТЬ ПИТАНИЯ.

Принимая во внимание то, как много факторов влияет на энергетические потребности, можно понять, почему каждому человеку необходимо разное количество энергии.

Установление количественной адекватности питания и его коррекция проводятся путем контроля за массой тела с точным учетом съеденной пищи при кормлении досыта. Достаточная калорийность пищи, обеспечивающая постоянство массы тела взрослого человека и необходимый прирост ее у детей, устанавливается лабораторным путем. Наблюдение ведется в течении 15 – 20 суток ежедневно. В случае, если за срок наблюдения обнаруживается уменьшение массы тела или, наоборот, наметится тенденция к ее увеличению, необходимо произвести коррекцию рациона из расчета 4100 ккал (17,154 кДж) на каждый потерянный или приобретенный килограмм. Например, за полгода масса увеличилась на 2 кг. Это означает, что за этот срок человек получал энергии больше нормы, так как вся неизрасходованная энергия запасается в жировом слое. В течение 180 дней (полгода) человек получил больше на 8200 ккал (4100 х 2), а в расчете на сутки дневной рацион содержал лишних 45 – 46 ккал (8200 : 180). Этот пример не может быть применен к детскому организму или организму подростка, так как у детей часть энергии идет на рост и развитие, который предусматривает и прирост массы тела. Для расчета адекватности питания ребенка, необходимо учитывать среднее увеличение массы тела, соответствующее возрасту.

Резкие расхождения между требуемой и фактической калорийностью или длительное использование субкалорийных рационов могут отразиться не только на изменениях массы тела, но и на здоровье человека.

В таблице 2 приведены рекомендуемые суточные нормы потребления энергии (при средней физической активности).

ТАБЛИЦА 2

Возрастные группы, пол Масса тела, кг Ккал (в сутки)

Женщины

19 – 25 лет 45 – 70 1959 – 2600

26 – 60 лет 45 – 70 2100 – 2450

Старше 60 лет 45 – 70 1850 – 2250

Беременные +300

Кормящие +500

Мужчины

19 – 25 лет 60 – 80 2700 – 3250

26 – 60 лет 60 – 80 2700 – 3100

Старше 60 лет 60 – 80 2200 – 2650

10 – 12 лет 35 – 42 2150 – 2350

13 – 15 лет 47 – 59 2500 – 2850

16 – 18 лет 50 - 70 2600 – 3200

Девушки

10 – 12 лет 35 – 42 2000 – 2150

13 – 15 лет 45 – 55 2200 – 2400

16 – 18 лет 45 -65 2200 – 2600

1 – 3 года 10 – 15 100 – 1500

4 – 6 лет 17 – 21 1500 – 1900

7 – 9 лет 25 - 30 1900 – 2200

Новорожденные

0 – 0,5 года 3,4 – 7,5 370 – 810

0,5 – 1 год 7,6 – 10,0 730 - 960

РАСЧЕТ КАЛОРИЙНОСТИ ПИТАНИЯ ДЛЯ УЧЕНИКА 8 – 9 КЛАССА (14 – 15 ЛЕТ).

Для того чтобы правильно составить диету, следует учитывать потребности каждого отдельного человека и знать энергетическую ценность продуктов. Их необходимые питательные вещества в соответствующем количестве и пропорциях. Чем больше мы едим, тем больше потребляем энергии.

Условием поддержания стабильного веса для взрослого человека является так называемый нулевой энергетический баланс. Для определения нормальной массы тела применяется индекс (body mass index - BMI), который позволяет определить как избыток веса, так и его недостаток. Вычисляется он следующим образом:

BMI = масса тела (кг) : рост в квадрате (м)

Например, если взрослый человек весит 65 кг при росте 1,65 м, то индекс BMI равен:

652 : 1,65 = 65 : 2,72 = 23,9.

Нормальный индекс BMI колеблется от 20 до 24,9. Если индекс BMI ниже 20, то вес недостаточен, если 25 – 29,9 вес избыточен, если свыше 30 – это тучность. Желательно, чтобы всю жизнь индекс сохранялся в пределах от 20 до 24,9.

Для детей и подростков при расчете калорийности питания необходимо учитывать и энергию, затрачиваемую на рост и развитие, которую необходимо добавить к основному обмену и энергозатратам на активность. В таблице 3 представлены составные части расхода энергии у детей и подростков.

ТАБЛИЦА 3

Расход энергии у детей и подростков, ккал/24 час.

Возраст Масса тела, кг Наблюдаемое среднее Обмен покоя Энергозатраты на рост Энергия, имеющаяся для потребление активности

3 мес 4,5 550 355 128 57

9 – 12 мес 9,6 1010 800 60 150

2 – 3 года 13,6 1350 1020 30 310

4 – 5 лет 17,4 1720 1200 35 485

9 – 10 лет 31,3 2420 1750 30 640

16 – 17 лет 60,3 3100 2500 60 540

Объем суточного питания подростка 14 – 15 лет должен составлять до 2,5 литра. Распределение калорийности питания во многом зависит от режима жизни и обучения. На первый завтрак (с 7 ч 30 мин) подростки должны получать до 25 % калоража, второй завтрак (11 ч 30 мин – 12 ч) – 20 % калоража, на обед - 35 – 40 % калорийности. Ужин – около 20 ч, составляющий 20 % суточных калорий. Суточная калорийность питания подростка 14 – 15 лет - около 2900 – 3000 ккал.

Примерный суточный набор продуктов (в г ) для детей 14 – 15 лет приведен в таблице 4.

ТАБЛИЦА 4

Наименование продукта Количество продуктов, г Химический состав, г Калорийность, ккал

Белки Жиры Углеводы

Хлеб пшеничный 200 14 1,4 99,8 480

ржаной 125 6,5 1,5 55,38 267,5

Мука картофельная 5 0,04 4,05 16,75

пшеничная 35 3,26 0,35 24,4 110,95

Крупа, бобовые и макаронные изделия 80 7,55 0,91 54,47 262,9

Картофель

Овощи 400 5,2 60,4 268

Фрукты сухие (яблоки) 400 4,73 22,7 112,85

Фрукты свежие 100 0,2 10,1 42

Сладости 20 0,08 1,46 6,2

Сахар 15 11,1 45,45

Соль 60 57,3 234

Кофе 0,2

Какао 3

Масло растительное 1 0,2 0,19 0,38 4,16

Мясо 15 14,07 130,8

Рыба 175 22,58 4,55 134,75

Яйцо (1 шт) 75 6,15 0,3 27,75

Масло сливочное 50 4,5 4,85 0,15 63,5

Молоко 50 0,2 39,25 0,25 367

Творог 9 % 500 14 17,5 22,5 310

Сметана 50 6 4,25 1,65 70,5

Сыр 20 0,42 5,64 0,62 56,8

15 3,14 3,54 0,3 46,95

Итого 2404 93,75 98,3 427,01 3058,81

Является питание подростка достаточным или избыточным можно рассчитать используя эмпирические ориентировочные формулы физического развития.

1. Рост детей 2 – 25 лет: рост детей в 8 лет – 130 см на каждый недостающий год вычесть по 7 см.

на каждый превышающий год прибавить 5 см.

Или : рост детей 8 – 15 лет:

90 + 5 х n, n – годы жизни; границы колебаний: ± 10 см.

2. Масса детей 12 – 16 лет:

5n – 20 кг, n - годы жизни; границы колебаний: ± 10 кг.

ВЫВОДЫ.

Анализ литературы, использованной для написания данного реферата, позволил выявить обоснованную точку зрения о том, что необходимо потреблять такое количество пищи, которое необходимо человеку для обеспечения энергией в соответствии с его потребностями. Все чаще мы встречаем людей с избыточным весом. Мы без конца слышим и читаем в средствах массовой информации о новейших диетах и способах уменьшения массы тела. Но если бы мы выполняли основное требование к рациональному питанию – соответствие количества и качества пищи потребностям организма, то и к диетам прибегать не приходилось бы.

Тем более, что рассчитать количество, потребляемых калорий, не представляет трудностей, в настоящее время. На всех готовых продуктах и полуфабрикатах указывается химический состав и калорийность. Существует множество справочников энергетической ценности отдельных продуктов и блюд. И если мы будем следовать правилам рационального питания, то возможно, сможем избежать ряд проблем, связанных со здоровьем. Ведь избыточное питание, ровно, как и недостаточное сказывается не только на физическом развитии и эстетическом восприятии нашего тела, но и на заболеваемости.