1. Wstęp:

Leczenie zimnem jest bardzo skuteczną metodą walki z różnymi dolegliwościami. „Zimno” łagodzi ból, zmniejsza obrzęk i krwawienie. Nie powoduje skutków ubocznych i nie obciąża układu krążenia. Przez lata opatentowano różne metody wykorzystywania chłodu, min.:

• metoda wykorzystująca bezpośrednie odparowywanie czynnika,

• metoda natryskowa,

• metoda kontaktowa.

Dostępność czynników kriogenicznych (np. ciekłego azotu, który jest czynnikiem neutralnym i chemicznie obojętnym) spowodowała rozwój kriomedyczny, a zwłaszcza krioterapii, która odnosi się do działań leczniczych mających na celu ochłodzenie powierzchni ciała, przy czym nie powoduje zniszczenia tkanek. Ze względu na niską temperaturę wrzenia kriociecze znalazły duże zastosowanie w leczeniu operacyjnym (kriochirurgia).

Celem poniższego ćwiczenia było wyznaczenie efektywności zabiegu kriochirurgicznego wykonane przez urządzenie zasilane ciekłym azotem.

1. Schemat stanowiska pomiarowego:

Rys.1 Schemat stanowiska pomiarowego, gdzie 1-3- miejsca umieszczenia termopar, 4- żelatyna, 5- podstawka pod żelatynę, 6-zbiornik z ciekłym azotem pod ciśnieniem, 7- wskaźnik temperatury.

1. Przebieg pomiarów

Odczytanie wartości temperatur co 30 sek.

Lp.	t	t1	t2	t3
-	s
1.	30	20	20	20
2.	60	17	17	14
3.	90	17	17	5
4.	120	17	16	10
5.	150	17	15	2
6.	180	17	15	-5
7.	210	17	14	-1
8.	240	16	12	-32
9.	270	16	11	-32
10.	300	15	8	-45
11.	330	14	3	-182
12.	360	12	-7	-164
13.	390	11	-16	-187
14.	420	8	-23	-180
15.	450	6	-29	-186

Tab.1. Tabela z wartościami pomiarowymi

1. Obliczenia i wykres:

Obliczenia będą przeprowadzone dla t₃

• Masa zamarzniętej żelatyny

• m_z = ρV, gdzie:

ρ – gęstość żelatyny równa 980$\frac{\text{kg}}{m^{3}}$,

V – objętość zamrożonej żelatyny, którą obliczam zakładam, że zamarznięta żelatyna ma kształt stożka, którego podstawa to elipsa:

$$V = \ \frac{1}{3}P_{p}g = \frac{1}{3}\text{πR}_{1}R_{2}g = \frac{1}{3} \bullet \pi \bullet 3,5\text{cm} \bullet 3,5\text{cm} \bullet 2,4\text{cm} = 3,078 \bullet 10^{- 5}m^{3}$$

R₁, R₂,g – wymiary zamrożonej żelatyny:

R₁=3,5 cm, R₂=3,5 cm, g=2,4 cm

Masa zamarzniętej żelatyny jest równa:

$$m_{z} = \text{ρV} = 980\frac{\text{kg}}{m^{3}} \bullet 3,078 \bullet 10^{- 5}m^{3} = 3,02 \bullet 10^{- 2}\text{kg}$$

• Strumień ciepła odebrany od żelatyny

Q_z = m_zc_pz(T − T₀) + m_zc_pz(T₀−T_zam) + m_zr, gdzie:

m_z – masa zamrożonej żelatyny

c_pz – ciepło właściwe żelatyny, gdzie: T> 273,15K $c_{pz} = 3800\frac{J}{\text{kg}}$

T < 273,15K $c_{pz} = 1850\frac{J}{\text{kg}}$

T –pierwsza zmierzona temperatura

T₀ – temperatura równa 0, kiedy to zmienia się ciepło właściwe żelatyny

T_zam – pierwsza ujemna temperatura równa -5

r – ciepło zamarzania żelatyny równe 3360$\frac{J}{\text{kg}}$

$$Q_{z} = m_{z}c_{pz}\left( {T - T}_{0} \right) + m_{z}c_{pz}\left( T_{0} - T_{\text{zam}} \right) + m_{z}r = 3,02 \bullet 10^{- 2}\text{kg} \bullet 3800\frac{J}{\text{kg}} \bullet \left( 20 - 0 \right) + 3,02 \bullet 10^{- 2}\text{kg} \bullet 1850\frac{J}{\text{kg}} \bullet \left( 0 - \left( - 5 \right) \right) + 3,02 \bullet 10^{- 2}\text{kg} \bullet 3360\frac{J}{\text{kg}} = 1929,79\ J$$

• Strumień ciepła doprowadzany z ciekłym azotem

Q_LN2 = rm_N2, gdzie:

m_N2 – masa zużytego ciekłego azotu podczas doświadczenia równa 222g

m_N2 = masa calkowita − masa zbiornika = 222g

r – ciepło parowania azotu równe 199 $\frac{\text{kJ}}{\text{kg}}$

$$Q_{LN_{2}} = rm_{N_{2}} = 222 \bullet 10^{- 3}\text{kg} \bullet 199\ \frac{\text{kJ}}{\text{kg}} = 44178\ J$$

• Efektywność zabiegu

$$\psi = \frac{Q_{z}}{Q_{LN_{2}}} = \frac{1929,79\ J}{44178\ J} \bullet 100\% = 4,47\%$$

Wyk.1. Wykres przedstawiający zależność temperatury w trzech różnych punktach pomiarowych od czasu chłodzenia

1. Wnioski:

Celem doświadczenia było wyznaczenie sprawności zabiegu chirurgicznego metodą natryskową. Sprawność procesu z obliczonych wyników przedstawia się na poziomie bardzo niskim, 4,47%. Sprawność taka jest wynikiem niedokładności w wykonaniu pomiarów, np. przy niedokładnie zmierzonej objętości zamrożonej części żelatyny. Pomiary sprawiły trudność i wpłynęły na wyniki obliczeń. Błędy w pomiarach mogą być też wynikiem niedokładności przy odczytywaniu czasu z przyrządów pomiarowych.

Z wykresu wynika, że punkty, które położone są wyżej, czyli te, do których ciekły azot dotarł najszybciej, szybciej osiągają niższe temperatury. Stopień schłodzenia punktu 3 jest więc najniższy. Pomiary termoparą sprawiły trudności, ponieważ punkt 2 jest położony najniżej i powinien mieć najwyższą temperaturę, a na wykresie wyższe temperatury osiąga punkt 1, co wynika z niedokładności pomiarowych.