农业百科

家畜散热

2023-04-15

简介

家畜机体在新陈代谢过程中产生的热向周围环境散发的生理现象。散热的方式有辐射、对流、传导和蒸发四种。前三种散热方式统称为“非蒸发散热”,所散发的热称为“可感热”或“显热”,显热可影响物质的温度,对畜舍的温度状况有重要影响;以蒸发方式散发的热称为“潜热”,潜热是一种气化热,只有在水汽转化为水或冰时,才能释放出来,故在一般情况下对畜舍温度状况无直接意义。

研究家畜不同散热方式的意义,主要在于了解影响各种散热的诸因素,以便在不同温度下,采取促进或减少家畜散热的措施,从而改善家畜的体热调节,并为改进饲养管理,合理设计畜舍和环境调控设备(供暖、降温、通风、防潮、遮阳等)提供依据。

辐射散热 家畜与其周围有限距离内的物体之间,以电磁波的形式进行的热交换。电磁波可以不依靠中间介质而传递能量。凡温度高于绝对零度(0K或-273℃)的物体均可向周围空间辐射运载能量的电磁波,辐射体温度越高,辐射能量越多。波长4×102~4×104纳米的电磁波有显著的热效应,家畜辐射的电磁波波长约为8×102~8×105纳米,其中一部分被周围物体和空气中的多原子气体吸收,并再次转化为热,其余则部分透射,部分反射。家畜的辐射散热量(Hr)取决于其体表温度Ts与周围环境(空气、畜舍围护结构、设备等)温度(Ta)之差,故冬季辐射散热较多,夏季较少,当环境温度与家畜体表温度相同时,则两者的能量交换处于动态平衡状态,当环境温度高于家畜体表温度时,则家畜不仅不能通过辐射向周围环境散热,反而会由环境得热。此外,家畜辐射散热也与其体表有效辐射面积(As)成正相关,家畜在低温时蜷缩身体、相互依偎,可减小体表有效辐射面积,以减少辐射散热。家畜体表和周围物体的黑度(ε1和ε2)以及玻耳兹曼常数(σ)也与家畜辐射散热有关。家畜的辐射散热量可以下式表达:

Hr=Asσ(ε1T4s2T4a)

对流散热 家畜与流经其体表的流体之间,通过流体粒子混合和运动而进行的热交换。与家畜发生对流热交换的流体,主要是空气(水禽和水牛等也可能是水)。对流散热是热量由家畜体表向与其接触的一层空气进行传导,同时,温度不同的空气粒子的混合、运动,将热由一处带往另一处。空气粒子的运动,可因外力作用而产生“强制对流”,也可因家畜体热散发和体表水分蒸发,引起体表空气温度和湿度变化,使空气密度产生梯度而形成“自然对流”。家畜的对流散热量(Hcv)与其体表温度(Ts)和周围空气温度(Ta)之差成正比,也与对流散热的有效体表面积(As)以及对流系数(Kcv)成正比。影响对流系数大小的因素很多,强制对流时取决于风速,自然对流时取决于家畜体表与周围空气之间的温差。此外,家畜的体型、姿势、被毛特点及厚度、皮下脂肪及结缔组织状况,甚至饲养管理方式、流经家畜体表的空气物理特性(粘滞度、密度、比热、导热性)等,也都影响Kcv值的大小。家畜的对流散热量可以下式表达:

Hcv=KcvAs(Ts-Ta)

传导散热 家畜与不发生位移的传导介质(地板、垫草等)相接触,通过物质内部分子、原子等微观粒子的热运动而进行的热交换。家畜的传导散热量(Hcd)与家畜体表温度Ts和传导介质温度(Tm)之间的温差成正比,与家畜传导散热的有效体表面积(As)以及传导介质的导热系数(λ)成正比,与传导介质的厚度(δ)成反比。家畜的传导散热量可以下式表达:

蒸发散热 家畜体内的水经气化吸热和水汽分子运动而向周围环境散热。水由液态转化为气态所需的热称为“蒸发潜热”,其单位为焦耳/克,其数值为2493.66~2.343t,t为水温(℃)。家畜体内的水可通过皮肤和呼吸道表面进行蒸发。通过皮肤蒸发的形式有两种,一是皮肤组织中的水经上皮向外渗透,在皮肤表面蒸发,称为“渗透蒸发”或“隐汗蒸发”;二是通过汗腺分泌汗液并在皮肤表面蒸发,称为“出汗蒸发”或“显汗蒸发”。除马和骆驼外,家畜的泌汗机能一般较差,且多为顶浆分泌汗腺,蒸发散热作用比人的外分泌汗腺差,加之家畜大多全身有毛,毛层内湿度大,对流作用差,汗液多在被毛表面或毛尖上蒸发,所吸收的热多来自外界空气,对家畜的散热作用显著减小。此外,有些家畜无活动汗腺或无汗腺(如猪、鸡等),故无显汗蒸发散热。由此可见,在高温情况下,大多数家畜皮肤蒸发散热量在蒸发散热总量中所占的比例都较小。通过呼吸道蒸发散热,是由于呼吸道粘膜表面潮湿,温度高,水汽分压大,而吸入空气温度低,水汽分压小,在流经粘膜表面时,一方面可通过传导、对流使吸入空气温度升高而散热(这不属于蒸发散热)。同时,随吸入空气温度升高其饱和水汽压加大,使之能容纳更多由粘膜表面蒸发的水汽,最后随呼出气排出体外而达到散热。呼吸蒸发散热在上呼吸道即可基本完成,因此,在高温时家畜进行浅而快的呼吸(称为“热性喘吸”),不仅可以加强呼吸蒸发散热,而且可以相对减少肺泡的气体交换,以减弱因气体代谢加强而导致的产热增加,并避免因二氧化碳呼出过多而引起血液碱中毒。家禽在热性喘息时,还可通过咽喉扇动(喉颤)进行高频率(有时可达400次/分)的浅呼吸,同时,家禽特有的9个气囊(其总容积比肺大5~7倍)在高温时也参与呼吸蒸发散热,可大大增加蒸发面而不增加气体交换,这对被覆厚厚的羽毛而无汗腺的家禽来说,呼吸蒸发散热在高温时的体热调节中,具有十分重要的意义。家畜的皮肤蒸发散热量(He)与家畜体表蒸发面的水汽压Ps和周围空气的水汽压Pb之差成正比,与有效蒸发体表面积(Ae)成正比,并与风速(v)的n(风速指数)次方以及由蒸发面几何形状决定的蒸发常数(K)成正比。家畜的皮肤蒸发散热量可以下式表达:

He=KAevn (Ps—Pb)

家畜的呼吸蒸发散热量(Hre)与呼出气的水汽压(Pe)和吸入气(即周围空气)的水汽压(Pb)之差成正比(使每升空气水汽压升高1千帕的吸热量为0.0179千焦),与呼吸总通气量(V)成正比。家畜的呼吸蒸发散热量可以下式表达:

Hre=0.0179V (Pe—Pb)

综上所述,三种非蒸发散热量均与家畜散热表面和环境之间的温差成正相关,蒸发散热量却与此温差无直接关系,而与蒸发表面和环境之间的水汽压差成正比。因此,在低温情况下,非蒸发散热占总散热量的比例较大,在高温情况下,蒸发散热所占比例较大。当环境温度等于或高于家畜散热表面温度时,非蒸发散热停止或反而由环境得热,此时家畜散热的唯一途径是通过蒸发。

除以上四种散热方式外,家畜摄入低于体温的饲料和饮水,也会造成失热,在高温季节,除饮用冷水外,这种失热量甚微,而在寒冷季节,其数量则不可忽视,有人建议,家畜温暖饲料和饮水的失热量,可按每摄入1千克比体温低1℃的饲料或饮水,失热3.14千焦计算。

在实际工作中,一般不必进行散热量的计算,因为在体热平衡(体温正常)情况下,家畜产热量等于散热量,故可查家畜产热量表,求得显热(非蒸发散热)、潜热(蒸发散热)及总产热量等数据。

英文

heat loss from livestock