Natuurkunde: Warmteverlies bij een pasgeboren big
Een pasgeboren big (1,2 kg) wordt in een kraamhok geplaatst met een omgevingstemperatuur van 18°C. De big heeft een lichaamstemperatuur van 39°C. De big verliest warmte via straling, convectie, geleiding en verdamping. De totale warmteafgifte wordt geschat op 5 W per kg lichaamsgewicht bij deze omstandigheden. De big produceert warmte door stofwisseling; de metabole warmteproductie is 4 W per kg. De big heeft een specifieke warmtecapaciteit van ongeveer 3,5 kJ/(kg·K) (voor dierlijk weefsel). De boer vraagt zich af of de big onderkoeld raakt als de warmteafgifte groter is dan de warmteproductie. Bereken of de big warmte verliest en zo ja, hoeveel graden de lichaamstemperatuur daalt in 1 uur als er geen compensatiemechanismen zijn. Daarnaast overweegt de boer een warmtelamp op te hangen. Bespreek de natuurkundige principes van warmteoverdracht en hoe een warmtelamp helpt.
1. Bereken of de big netto warmte verliest of wint. Bereken vervolgens de temperatuurdaling in 1 uur als er geen thermoregulatie is. Toon de berekening.
Read the worked answer
Stap 1: Bereken de warmteafgifte en warmteproductie.
Warmteafgifte = 5 W/kg × 1,2 kg = 6 W.
Warmteproductie = 4 W/kg × 1,2 kg = 4,8 W.
Netto warmteverlies = 6 - 4,8 = 1,2 W (dus de big verliest 1,2 J per seconde).
Stap 2: Bereken de temperatuurdaling in 1 uur.
Energieverlies in 1 uur = 1,2 W × 3600 s = 4320 J = 4,32 kJ.
Warmtecapaciteit van de big = 3,5 kJ/(kg·K) × 1,2 kg = 4,2 kJ/K.
Temperatuurdaling = energieverlies / warmtecapaciteit = 4,32 kJ / 4,2 kJ/K ≈ 1,03 K.
Dus de lichaamstemperatuur zou met ongeveer 1,0°C dalen in 1 uur als er geen compensatie is.
Antwoord: De big verliest netto 1,2 W en de temperatuur zou met ongeveer 1,0°C dalen in 1 uur zonder thermoregulatie. In werkelijkheid zal de big proberen de warmteproductie te verhogen (rillen, etc.) en de warmteafgifte te verlagen (huidvaatvernauwing, oprollen).
2. Leg uit hoe een warmtelamp de warmtebalans van de big beïnvloedt. Betrek hierbij de begrippen straling, convectie en geleiding.
Read the worked answer
Een warmtelamp zendt infraroodstraling uit, waardoor de big extra stralingswarmte ontvangt. Dit verhoogt de inkomende straling en vermindert het netto stralingsverlies. Bovendien warmt de lamp de lucht rond de big op, waardoor de convectieve warmteafgifte afneemt (kleiner temperatuurverschil tussen huid en lucht). Ook kan de big op een warme ondergrond liggen (bijv. een warmteplaat) om geleidingsverlies te beperken. De warmtelamp verhoogt dus de effectieve omgevingstemperatuur en kan de warmteafgifte verlagen of zelfs omzetten in warmtewinst. Hierdoor daalt de lichaamstemperatuur niet en kan de big overleven. Daarnaast kan de boer de big drogen, omdat natte huid zorgt voor extra verdampingskoeling. Al deze maatregelen samen verbeteren de warmtebalans.