Теплообмен человека с окружающей средой происходит по трём направлениям:
3) испарение влаги с поверхности кожи (как особый случай конвекции).
Когда температура окружающей среды близка или выше температуры человека (выше 34ºС), то основным процессом теплообмена становится теплоотдача за счёт испарения влаги с поверхности кожи, интенсивность которой зависит от влажности воздуха и его подвижности.
Какие тепловые условия считаются комфортными для человека?
Для человека комфортна окружающая среда, не содержащая факторы, препятствующие физической и умственной работе, а также отдыху. Если человек не ощущает ни холода, ни перегрева, ни движения воздуха около тела, то эти параметры окружающей среды в тепловом отношении – комфортные.
Требования к окружающей среде складываются как из субъективных ощущений человека, так и из объективных показателей работы его организма, в частности – системы терморегуляции. На основании данных требований были сформулированы 2 условия комфортности:
1-е условие комфортности: человек, находясь в середине комнаты при данных tR и tВ, отдаёт всю явную теплоту поверхности тела, не испытывая перегрева или охлаждения.
Явная (сухая) теплота – теплота, передаваемая только конвекцией и/или излучением, без наличия испарения или конденсации влаги, т. е. – зависящая только от разности температур.
Скрытая теплота – теплота, передаваемая паром без изменения температуры тел, участвующих в теплообмене, в количестве, отнимаемом или выделяемом при испарении или конденсации соответствующей массы влаги (скрытая удельная теплота парообразования / конденсации для воды равна 2256 кДж/кг).
2-е условие комфортности: человек, не испытывает перегрева или охлаждения от поверхностей, находящихся вблизи от него.
Какие значения параметров воздушной среды являются комфортными для человека?
В зависимости от тяжести выполняемой работы комфортными для человека являются такие значения параметров:
· температура внутреннего воздуха в холодный период: 20-23ºС для лёгкой работы, 17-20ºС для средней и 16-18ºС для тяжёлой работы; в тёплый период: 22-25ºС, 21-23ºС и 18-21ºС соответственно;
· относительная влажность – 40-60%;
· подвижность воздуха в холодный период 0,2-0,3 м/с, в тёплый – 0,2-0,5 м/с.
Условия, учитывающие данные параметры, называются комфортными.
Во многих медико-реабилитационных мероприятиях необходимо учитывать теплообмен человека и среды. Организм человека поддерживает постоянную температуру тела, которая отличается от температуры внешней среды. Вследствие этого между телом человека и окружающей средой возникает теплообмен.
Задача организма состоит в обеспечении равенства между теплотой, выделяющейся в организме (Q выд) и теплотой, отдаваемой в окружающую среду (Q отд)- Если по каким либо причинам поддержка баланса между выделяемой и отдаваемой теплотами становится невозможной, организм погибает от переохлаждения или от перегрева. Выделение теплоты в организме происходит за счет энергии метаболических процессов и характеризуется удельной теплопродукцией – количеством теплоты, выделяемой единицей массы тела за 1 с. Передача теплоты в окружающую среду осуществляется за счет процессов теплообмена, указанных ниже.
Тепловое воздействие на организм человека могут оказывать внешняя среда и процессы, протекающие в самом организме.
Теплообмен за счет теплопроводности. Теплопроводность – процесс передачи теплоты от более нагретых частей системы к менее нагретым, происходящий без переноса массы вещества и без излучения электромагнитных волн. Теплопроводность обусловлена тем, что частицы вещества, обладающие большей кинетической энергией, передают ее менее быстрым частицам. Передача теплоты путем теплопроводности может происходить между любыми телами при непосредственном контакте или через промежуточную среду (кроме вакуума).
Передачу теплоты путем теплопроводности в однородной среде описывают законом Фурье:
Тепловой поток (Р), переносимый через поверхность S, перпендикулярно направлению оси X, вдоль которой убывает температура, пропорционален площади этой поверхности и градиенту температуры: PK = .
При расчете по этой формуле теплообмена между телом и окружающей средой, осуществляемого посредством теплопроводности через одежду, величины, входящие в формулу имеют следующий смысл:
S – площадь поверхности одежды (м2);
a – коэффициент теплопроводности материала одежды.
Знак минус указывает на то, что энергия переносится в направлении убывания температуры.
Значения коэффициента теплопроводности для некоторых веществ приведены в таблице.
Отметим, что коэффициент теплопроводности воздуха сравнительно мал, поэтому потери тепла тела за счет теплопроводности воздуха невелики. Коэффициент теплопроводности воды превышает коэффициент теплопроводности воздуха более чем в 20 раз, поэтому в холодной воде человек начинает мерзнуть довольно быстро.
В живом организме ткани имеют различные теплопроводности, и это различие весьма существенно для поддержания теплового режима организма. Значительная теплопроводность мышечной ткани, в которой находится много кровеносных сосудов, позволяет быстро переносить тепло от внутренних органов к внешним, предохраняя внутренние органы от перегрева. Напротив, при низких температурах внешней среды слой жировой ткани препятствует быстрой утечке тепла. Аналогичную роль играет волосяной покров и слой воздуха между волосами.
Теплообмен за счет конвекции. В тех случаях, когда в теплообмене участвуют жидкости или газы, обычно возникают явления конвекции: одновременно с потоком тепла возникают потоки вещества – более нагретые слои всплывают кверху, а менее нагретые опускаются. Такое перемешивание в громадной степени ускоряет процесс теплообмена. В случае, когда твердое тело находится в обтекающем его потоке жидкости или газа, теплообмен также носит конвекционный характер и происходит значительно быстрее, чем в покоящейся среде. Поэтому даже небольшой ветер (сквозняк) приводит к увеличению потерь тепла с поверхности тела.
Теплообмен посредством конвекции описывается законом Ньютона
, где S – площадь поверхности тела; Тп и Тв– соответственно, температуры поверхности тела (внешней стороны одежды) и воздуха; ac – коэффициент теплопередачи конвекцией.
Для открытых участков конвекционные процессы значительно интенсивнее теплопередачи путем теплопроводности и в воздухе играют основную роль. Напротив, для участков тела, укрытых одеждой, конвекционные процессы могут быть сведены к нулю. Например, температура верхней поверхности зимней одежды обычно равна температуре окружающего воздуха и Рс = 0.
Тепловой удар. Теплопередача путем теплопроводности и конвекции происходит в направлении уменьшения температуры. Если температура окружающей среды выше температуры тела, то теплопроводность и конвекция создают тепловой поток, направленный внутрь тела, что при определенной длительности приводит к перегреву (тепловой удар). Живой организм не в состоянии функционировать без отдачи тепла наружу.
Теплообмен за счет испарения. Еще один механизм, посредством которого организм отдает теплоту в окружающую среду, связан с испарением жидкости. Количество теплоты, расходуемой на парообразование, определяется формулой Q = rт,
где т – масса испарившейся жидкости, r – удельная теплота парообразования.
При комнатной температуре и нормальной влажности человек выводит из организма около 0,35 кг влаги в сутки вместе с выдыхаемым воздухом и примерно 0,5 кг влаги в виде пота. Удельная теплота парообразования воды велика и равна 2,52·106 Дж/кг. Поэтому тепловые потери организма на испарение могут достигать 0,85·2,52·106 »2·106 Дж в сутки, что составляет 25-30% всей теплопродукции организма.
Потоотделение зависит как от температуры внешней среды, так и от ее относительной влажности, так как она в значительной мере обусловливает скорость испарения влаги с поверхности организма. Нормальная относительная влажность среды составляет 40-60%. При высокой влажности процесс испарения с поверхности тела замедляется, а при 100% прекращается полностью. При высокой температуре окружающей среды это ведет к перегреву организма. По этой причине человеку трудно выполнять физическую работу при повышенной влажности. Влажность менее 40% приводит к усилению потери влаги организмом, к его обезвоживанию. Это также затрудняет выполнение работы.
Для протекания некоторых процессов важна не относительная, а абсолютная влажность. Так, испарение воды с поверхности альвеол в легких зависит от абсолютной влажности воздуха, так как из легких выдыхается воздух почти полностью насыщенный паром при температуре примерно 30°С. Количество пара, которым воздух насыщается в легких, очевидно, зависит от абсолютной влажности вдыхаемого воздуха.
Особенности теплового излучения человека. Доля теплового излучения в теплообмене человека с окружающей средой достигает 45%. Инфракрасное излучение различных участков поверхности тела определяется тремя факторами:
1) особенностями васкуляризации (плотности снабжения органов и тканей ссудами) поверхностей тканей;
2) уровнем метаболических процессов (обмена веществ) в них;
3) различиями в теплопроводности (связанными с развитием жировой клетчатки).
При соблюдении стандартных условий регистрируемая топография излучения характерна для данного человека. Изменения топографии излучения могут наблюдаться в следующих случаях.
Вследствие сильной температурной зависимости мощности излучения (четвертая степень термодинамической температуры) даже небольшое повышение температуры поверхности может вызвать сильное изменение излучаемой мощности. Так, если, температура поверхности тела человека изменится на 3 К, то есть приблизительно на 1 %, то мощность изменится на 4%. Такое изменение надежно фиксируется соответствующими приборами (тепловизорами, датчиками на жидких кристаллах и т. п.). У здоровых людей распределение температуры по различным точкам поверхности тела достаточно характерно. Различные процессы (воспаление; изменение кровообращения в венах, например, при охлаждении или нагревании; опухоль) могут изменять местную температуру. Таким образом, регистрация излучения разных участков поверхности тела человека и определение их температуры является надежным неинвазивным диагностическим методом.
Воздействие низких температур. Холод – лечебное средство. Под воздействием холода (лед, снег) происходит спазм мелких сосудов, понижается нервная возбудимость, замедляется кровоток, снижается проницаемость мелких сосудов, предотвращается возникновение отеков. Криокомпресс, (гр. kryos – холод, мороз, лед) уменьшает боль при ушибах мягких тканей, суставов, растяжениях связок и других травм. С лечебной целью на кожу воздействуют процедурой криомассажа, которая осуществляется с использованием жидкого азота. Воздействие на кожу осуществляется при этом с помощью заполненного жидким азотом криодеструктора, на котором имеется тефлоновая насадка с температурой (–50 – –60)°С. Для криогенных методов создают специальную криогенную аппаратуру.
Защита от тепловых воздействий. Важным вопросом, связанным с работой человека в экстремальных температурных условиях, является организация защиты организма от тепловых воздействий. Защита от воздействия высоких температур – сложная задача, требующая комплексного решения. Кроме теплоизоляционных материалов для такой защиты используются металлизированные пленки, хорошо отражающие тепловое излучение, а в ряде случаев и специальный обдув тела охлажденным воздухом. Эффективность использования металлизированных покрытий (например, мелинекса) демонстрирует следующий пример. Испытуемые выполняли работу в помещении с t = 50°С. При этом интенсивность облучения составляла 1487 Вт/м2. У одетых в хлопчатобумажный комбинезон температура тела повышалась в среднем до 39°С, а при использовании одежды с покрытием из мелинекса – до 38°С. При этом применение одежды с покрытием увеличивало время переносимости данных условий на 50-70 %.
Для защиты от радиационного нагрева космонавтов, выходивших на поверхность Луны, применялся специальный комбинезон, надеваемый на скафандр. Он состоял из нескольких слоев ткани с блестящей металлической поверхностью (до 14 слоев). Внутри скафандра располагались трубки, по которым циркулировала охлаждающая жидкость. При разработки конструкции скафандра пришлось учитывать, что теплопродукция различных, частей организма неодинакова. Поэтому охлаждающие трубки в защитном костюме располагают так, чтобы 50% их приходилось на ноги, 23 % – на руки, 19 % – на туловище, 8 % – на голову и шею.
Одежда, предназначенная для защиты от низких температур окружающей среды, должна обеспечивать адекватную вентиляцию, чтобы под одеждой не конденсировалась влага, создавать изолирующую прослойку неподвижного воздуха вокруг тела. Теплоизоляционные свойства одежды снижаются при ветре и при движении. Для защиты от переохлаждения применяют, в частности, одежду с локальным подогревом (на спине, пояснице, стопах, предплечье, шее, лице) до 46-51°С и суммарной мощностью энергопитания 100 Вт. Электрообогреваемая одежда должна не нагревать поверхность тела человека, а лишь способствовать уменьшению теплопотерь и поддерживать нормальную температуру тела независимо от изменений температуры и скорости движения окружающего воздуха, а также интенсивности физической работы. Используют и комбинезоны с водяным подогревом, в которых по системе трубок движется нагретая жидкость, как в отдельных элементах защитного костюма космонавта.
Светолечение. Широкое лечебно-реабилитационное применение имеет светолечение – использование инфракрасного и видимого излучения в лечебных целях.
Источником инфракрасного излучения является любое нагретое тело. Интенсивность и спектральный состав такого излучения определяется температурой нагретого тела. Проникая в ткани, инфракрасные лучи (как и видимые) на месте своего поглощения вызывают образование тепла. Различные слои кожи неодинаково поглощают оптическое излучение разной длины волны (см. рис).
В реабилитационно-лечебной практике в качестве искусственных источников инфракрасного излучения используются различные облучатели, рис. 30.7.
Лампа Минина представляет собой обычную лампу накаливания (в которой также сочетаются видимое и инфракрасное излучение) с рефлектором, локализующим излучение в необходимом направлении (рис. а). Источником излучения служат лампа накаливания мощностью 20-60 Вт из бесцветного или синего стекла.
Светотепловые ванны представляет собой непроводящий полуцилиндрический каркас, состоящий из двух половин, соединенных подвижно между собой (рис. 6). На внутренней поверхности каркаса, обращенной к пациенту, укреплены лампы накаливания мощностью 40 Вт (количество их и включение различно). В таких ваннах на биологический объект действует инфракрасное и видимое излучение, а также нагретый воздух, температура которого может достигать 70°С.
Лампа Соллюкс представляет собой мощную лампу накаливания в которой сочетаются видимое и инфракрасное излучение), помещенную в специальный рефлектор на штативе (рис. в). Источником излучения служит лампа накаливания мощностью более 500 Вт (температура вольфрамовой нити 2800°С, максимум излучения приходится на 2 мкм).
Тепловой обмен человеческого организма с окружающей средой заключается во взаимосвязи между образованием тепла в результате жизнедеятельности организма и отдачей или получением им тепла из внешней среды. Характер и интенсивность теплообмена между человеком и окружающей средой зависят от метеорологических условий среды, теплопродукции организма работающего, функционального состояния организма, передачи тепла от глубоколежащих тканей к коже. Отдача тепла организмом осуществляется путем конвекции, излучения и испарения. Под конвекцией понимается непосредственная отдача тепла с поверхности человеческого тела менее нагретым притекающим к нему слоям воздуха. Интенсивность теплоотдачи пропорциональна площади поверхности тела, разности температуры тела и окружающей среды и скорости движения воздуха. По известному закону охлаждения Ньютона количество тепла, передаваемого посредством конвекции в единицу времени, определяется следующим уравнением: Н = C·S (Т — Тв) больших калорий /м2/ час. град, с, где Н — теплоотдача в больших калориях в час; 5 — площадь поверхности в квадратных метрах; Т — температура тела; Тв — температура воздуха (в градусах Кельвина); С — коэффициент теплоотдачи (величина, не зависящая от этих температур, но зависящая от скорости движения воздуха). По данным ряда авторов, теплоотдача конвекцией у людей в состоянии покоя в комфортных метеорологических условиях составляет 14,2— 33,1% общей теплоотдачи организма. Отдача тепла излучением происходит в направлении поверхностей с более низкой температурой. Передача тепла ИК-излучением в производственных условиях является одним из наиболее мощных путей теплообмена человека с окружающей средой и составляет в состоянии покоя в комфортных метеорологических условиях 43,8—59,1% общей теплоотдачи. Количество передаваемой этим путем тепловой энергии определяется законом Стефана — Больцмана. По этому закону удельная мощность излучения с повышением температуры излучающего тела увеличивается пропорционально 4-й степени его абсолютной температуры. Для характеристики теплообмена излучением между двумя излучающими поверхностями принято следующее уравнение: E=C1C2·K·(Т14 — Т24), где Е — теплоотдача в малых калориях; C1 и С2 — константы излучения поверхностей; К — константа = 1,38·10-12 малых калорий в секунду; T1 и Т2 — температура поверхностей (в градусах Кельвина), между которыми происходит теплообмен излучением. Следовательно, чем выше температура источников тепловыделения, тем больше по сравнению с конвекцией удельное значение отдачи тепла излучением. Следует отметить, что в то время как интенсивность теплоотдачи конвекцией возрастает с повышением скорости движения воздуха, теплоотдача излучением не зависит от нее: воздух для инфракрасного излучения теплопрозрачен. В ряде случаев в производственных условиях некоторое гигиеническое значение приобретает и передача тепла кондукцией, наблюдающаяся при соприкасании поверхности тела работающего с охлажденным или нагретым оборудованием, материалами. Большое место в теплообмене между работающим и окружающей средой занимает отдача тепла испарением влаги с поверхности тела человека. При этом наиболее важное гигиеническое значение принадлежит так называемому физиологическому дефициту влажности, представляющему собой разность между максимальной влажностью при температуре кожи (не при температуре воздуха) и абсолютной влажностью воздуха. Эта величина характеризует возможность насыщения воздуха в данных условиях водяными парами при испарении влаги с поверхности кожи и верхних дыхательных путей. Чем больше физиологический дефицит влажности!) тем больше испарение, тем выше теплоотдача этим путем. На испарение 1 г влаги требуется около 0,6 ккал. На долю испарения в состоянии покоя в комфортных метеорологических условиях приходится 21,7—29,1 всей теплоотдачи человека. При высокой температуре воздуха и окружающих поверхностей теплоотдача испарением значительно возрастает, при низких температурах удельный вес ее ниже. Наконец, на характер и величину теплообмена путем теплоотдачи с поверхности человеческого тела влияет также подвижность воздуха. Подвижный воздух благоприятствует отдаче тепла конвекцией вновь притекающим слоям воздуха более низкой температуры, ускоряется испарение влаги с поверхности тела. Сложный процесс теплообмена в различной степени зависит от физических условий окружающей среды — от степени и сочетания нагретости, влажности и подвижности воздуха и нагретости окружающих поверхностей и, как будет показано в дальнейшем изложении, от состояния физиологических функций организма.
Терморегуляция организма человека
Между человеком и окружающей его средой постоянно происходит теплообмен. Факторы окружающей среды воздействуют на организм комплексно, и в зависимости от их конкретных значений вегетативные центры (полосатое тело, серый бугор промежуточного мозга) и ретикулярная формация, взаимодействуя с корой головного мозга и посылая по симпатическим волокнам импульсы к мышцам, обеспечивают оптимальное соотношение процессов теплообразования и теплоотдачи.
Теплопродукция возрастает при выполнении физической работы, причем тем больше, чем тяжелее работа. Количество вырабатываемой теплоты зависит также от возраста и состояния здоровья человека. Усредненные значения теплопродукции взрослого человека в зависимости от температуры окружающего воздуха и тяжести выполняемой работы.
Теплообмен человека
с окружающей средой
Теплообмен между человеком
и окружающей средой осуществляется:
конвекцией в результате омывания тела
воздухом, теплопроводностью, излучением
на окружающие предметы и в процессе
тепломассообмена при испарении
влаги, выводимой на поверхность
кожи потовыми железами и при дыхании.
Количество тепла, отдаваемого
организмом каждым из этих путей, зависит
от параметров микроклимата на рабочем
месте.
Величина и направление
конвективного теплообмена человека
с окружающей средой определяется в
основном температурой окружающей среды,
атмосферным давлением, подвижностью
и влагосодержанием воздуха. Теплопроводность
тканей человека мала, поэтому основную
роль в процессе транспортирования
теплоты внутри организма играет
конвективная передача с потоком
крови.
Теплопроводность сухого
воздуха мала, поэтому теплоотдача
через соприкосновение человека с воздухом
также мала. Более интенсивно идет обмен
теплом при соприкосновении человека
с не нагретыми поверхностями, но, как
правило, поверхность соприкосновения
в этом случае незначительна.
Лучистый поток при теплообмене
излучением тем больше, чем ниже температура
окружающих человека поверхностей. Излучение
тепла происходит в окружающую среду,
если в ней температура ниже температуры
поверхности одежды (27-30 оС) и открытых
частей тела (33,5 оС). При высоких
температурах (30 – 35 оС) окружающей
среды теплоотдача излучением полностью
прекращается, а при более высоких температурах
теплообмен идет в обратном направлении
– от окружающей поверхности к человеку.
Количество теплоты, отдаваемой
в окружающий воздух с поверхности
тела при испарении пота, зависит
как от температуры воздуха и
интенсивности работы, так и от
скорости окружающего воздуха и
его относительной влажности.
Количество теплоты, выделяемой
человеком с выдыхаемым воздухом, зависит
от его физической нагрузки, влажности,
и температуры вдыхаемого воздуха.
Комфортные условия для
организма человека обеспечиваются при
соблюдении теплового баланса.
Уравнение теплового баланса
для организма человека за определенный
период времени может быть представлено
в следующем виде:
M +S ± R ± C ± P – E = 0,
где M – тепло процессов
метаболизма, полученное из химических
субстратов пищи, подвергшихся
расщеплению в клетках;
S – накопленное организмом
тепло;
R, C, P – тепло отданное (со
знаком -) или полученное (со знаком
+) путем излучения, конвекции, теплопередачи;
E –
тепло, отданное за счет испарения.
Если тепловой баланс
не будет поддерживаться, то дополнительное
тепло, полученное различными
путями, приведет к повышению
температуры тела, а недостаток
тепловой энергии – к его охлаждению.
В обоих случаях создаются
неблагоприятные условия для
функционирования клеток организма,
которые при превышении определенных
температурных границ внутри
тела начинают погибать.
Тепловой баланс любого тела
определяется соотношением между теплом,
которое оно получает, и теплом,
которое оно отдает.
Величина тепловыделения
организмом человека зависит от степени
физического напряжения и составляет
от 75 ккал/ч в состоянии покоя
до 430 ккал/ч при тяжелой работе.
Для комфортных условий работы необходимо,
чтобы тепловыделение организма
равнялось его теплоотдаче, при
этом температура внутренних органов
человека остается постоянной (около 36,6
оС).
Таким образом, тепловое самочувствие
человека, или тепловой баланс в
системе человек – среда обитания
зависит от температуры среды, подвижности
и относительной влажности воздуха,
атмосферного давления, температуры
окружающих предметов и интенсивности
физической нагрузки.
Терморегуляция – совокупность физиологических
процессов, поддерживающих внутреннюю
температуру тела на постоянном уровне.
Теплообразование зависит от интенсивности
химических реакций обмена веществ, рост
которого при охлаждении тела обеспечивается химической терморегуляцией.
А физическая терморегуляция
регулирует отдачу тепла организмом посредством
физических процессов – теплопроводности,
конвекции, излучения и испарения.
Химическая терморегуляция осуществляется изменением
интенсивности окислительных процессов,
вызванных микровибрацией мышц (колебаниями). Теплота
– основа кинетики химических реакций,
из которых складывается жизнедеятельность
организма. Поэтому температурные условия
оказываются одним из важнейших экологических
факторов, влияющих на интенсивность обменных
процессов. Температура относится к числу
постоянно действующих факторов; количественное
ее выражение характеризуется широкими
географическими, сезонными и суточными
различиями.
Организмы – реальные носители жизни,
дискретные единицы обмена веществ. В
процессе обмена организм потребляет
из окружающей среды необходимые вещества
и выделяет в нее продукты обмена, которые
могут быть использованы другими организмами;
умирая, организм также становится источником
питания определенных видов живых существ.
Таким образом, деятельность отдельных
организмов лежит в основе проявления
жизни на всех уровнях ее организации.
Изотермия — постоянство
температуры тела — имеет для
организма большое значение, т. к.
она, во-первых, обеспечивает независимость
обменных процессов в тканях и
органах от колебаний температуры
окружающей среды; во-вторых, обеспечивает
температурные условия для оптимальной
активности ферментов.
Температура отдельных участков
тела человека различна, что связано с
неодинаковыми условиями теплопродукции
и отдачи тепла. В состоянии покоя и умеренной
физической нагрузки наибольшая теплопродукция
и наименьшая теплоотдача происходит
во внутренних органах, поэтому их температура
высокая (самая высокая в печени—37,8-38
°С). От внутренних органов тепло переносится
кровью к поверхности тела, где теплопродукция
небольшая, но высокая теплоотдача, поэтому
температура кожных покровов не высокая.
Наиболее низкая температура кожи у человека
отмечается в области кистей и стоп, значительно
выше она в подмышечной впадине, где она
обычно измеряется (температуру можно
измерять в полости рта, в паховой складке,
в прямой кишке). В нормальных условиях
у здорового человека температура в подмышечной
впадине равна 36,5-36,9 °С. В течение суток
температура тела человека колеблется:
минимальная в 3-4 часа, максимальная —
в 16-18 часов.
Способность гомойотермных
живых организмов поддерживать температуру
тела на постоянном уровне обеспечивается
двумя взаимосвязанными процессами – теплообразованием
и теплоотдачей, равенство которых обеспечивает
изотермию организма.
Процессы, связанные с образованием тепла
в организме, объединяют понятием химическая
терморегуляция, а процессы, обеспечивающие
отдачу тепла — физическая терморегуляция.
Химическая терморегуляция.
Химическая терморегуляция обеспечивает
определенный уровень теплопродукции,
необходимый для нормального осуществления
ферментативных процессов в тканях. Образование
тепла в организме происходит вследствие
непрерывно совершающихся экзотермических
реакций, которые протекают во всех органах
и тканях, но с различной интенсивностью.
Наиболее интенсивное образование тепла
происходит в мышцах. Если даже человек
лежит неподвижно, но с напряженной мускулатурой,
то теплообразование повышается на 10%.
Незначительная двигательная активность
приводит к повышению теплообразования
на 50-80%, а тяжелая мышечная работа — на
400-500%.
Физическая терморегуляция.
Физическая терморегуляция осуществляется
путем изменения отдачи тепла
организмом.
Теплоотдача осуществляется следующими
путями:
1) излучением (радиацией);
2) Проведением (кондукцией);
Теплоизлучение (радиация) обеспечивает
отдачу тепла организмом окружающей
его среде при помощи инфракрасного
излучения с поверхности тела.
Путем радиации организм отдает большую
часть тепла. В состоянии покоя
и в условиях температурного комфорта
за счет радиации выделяется более 60% тепла,
образующегося в организме.
Теплопроведение происходит
при контакте с предметами, температура
которых ниже температуры тела. Путем
теплопроведения организмом теряется
около 3% тепла.
Конвекция обеспечивает отдачу
тепла прилегающему к телу воздуху
или жидкости. В процессе конвекции
тепло уносится от поверхности коки
потоком воздуха или жидкости.
Путем конвекции организмом отдается
около 15% тепла.
Отдача тепла организмом осуществляется
также путем испарения воды с поверхности
кожи и со слизистых оболочек дыхательным
путей в процессе дыхания.
Испарение воды с
поверхности тела происходит
при выделении пота. Даже в
условиях температурного комфорта
и при отсутствии видимого
потоотделения через кожу испаряется
до 0,5 л воды в сутки. Испарение
1 л пота у человека может
понизить температуру тела на
10°С. Путем испарения из организма
удаляется около 20% тепла. При
температуре окружающей среды,
равной или выше температуры
тела человека, когда другие способы
отдачи тепла резко уменьшаются,
испарение воды становится главным
способом отдачи тепла. Отдача
тепла испарением уменьшается
при увеличении влажности воздуха
н полностью прекращается при
100% относительной влажности.
Регуляция постоянства температуры тела.
Температура тела является константой
организма, определяющей постоянство
скорости биохимических реакций—одного
из важнейших условий жизнедеятельности
организма. Поддержание постоянства температуры
тела осуществляется по принципу саморегуляции,
путем формирования функциональной системы
терморегуляции
К показателям, характеризующими микроклимат
в производственных помещениях, относятся:
В соответствии с санитарными нормами
и правилами СанПиН 2.2.4.548-96 нормируются
оптимальные и допустимые параметры микроклимата
с учетом интенсивности энергозатрат
работающих, времени выполнения работы
и периодов года.
Различают два периода года: холодный
и теплый. Холодный период года характеризуется
среднесуточной температурой наружного
воздуха равной +10°С и ниже; теплый
период года – температурой выше +10°С;.
Оптимальные условия микроклимата
установлены по критериям оптимального
теплового и функционального
состояния человека. Они обеспечивают
общее и локальное ощущение теплового
комфорта в течение 8-часовой рабочей
смены при минимальном напряжении
механизмов терморегуляции, не вызывают
отклонений в состоянии здоровья,
создают предпосылки для высокого
уровня работоспособности и являются
предпочтительными на рабочих местах.
Допустимые значения интенсивности
теплового облучения рабочих
на рабочих местах от производственных
источников зависят от степени их нагретости
и от величины облучаемой поверхности
тела человека.
Для оценки сочетанного воздействия
параметров микроклимата в целях
осуществления мероприятий по защите
работающих от возможного перегревания
рекомендуется использовать интегральный
показатель тепловой нагрузки среды (ТНС).
Как осуществляется теплоотдача тела человека в окружающую среду
Московский энергетический институт (ТУ)
Кафедра инженерной экологии и охраны труда
2. Физиологическое действие метеорологических условий на человека
А. Теплообмен человека с окружающей средой
Теплообмен между человеком и окружающей средой осуществляется: конвекцией в результате омывания тела воздухом, теплопроводностью, излучением на окружающие предметы и в процессе тепломассообмена при испарении влаги, выводимой на поверхность кожи потовыми железами и при дыхании.
Количество тепла, отдаваемого организмом каждым из этих путей, зависит от параметров микроклимата на рабочем месте.
Величина и направление конвективного теплообмена человека с окружающей средой определяется в основном температурой окружающей среды, атмосферным давлением, подвижностью и влагосодержанием воздуха. Теплопроводность тканей человека мала, поэтому основную роль в процессе транспортирования теплоты внутри организма играет конвективная передача с потоком крови.
Теплопроводность сухого воздуха мала, поэтому теплоотдача через соприкосновение человека с воздухом также мала. Более интенсивно идет обмен теплом при соприкосновении человека с не нагретыми поверхностями, но, как правило, поверхность соприкосновения в этом случае незначительна.
Лучистый поток при теплообмене излучением тем больше, чем ниже температура окружающих человека поверхностей. Излучение тепла происходит в окружающую среду, если в ней температура ниже температуры поверхности одежды (27-30 о С) и открытых частей тела (33,5 о С). При высоких температурах (30 — 35 о С) окружающей среды теплоотдача излучением полностью прекращается, а при более высоких температурах теплообмен идет в обратном направлении — от окружающей поверхности к человеку.
Количество теплоты, отдаваемой в окружающий воздух с поверхности тела при испарении пота, зависит как от температуры воздуха и интенсивности работы, так и от скорости окружающего воздуха и его относительной влажности.
Количество теплоты, выделяемой человеком с выдыхаемым воздухом, зависит от его физической нагрузки, влажности, и температуры вдыхаемого воздуха.
Комфортные условия для организма человека обеспечиваются при соблюдении теплового баланса.
Уравнение теплового баланса для организма человека за определенный период времени может быть представлено в следующем виде:
где M — тепло процессов метаболизма, полученное из химических субстратов пищи, подвергшихся расщеплению в клетках; S — накопленное организмом тепло; R, C, P — тепло отданное (со знаком -) или полученное (со знаком +) путем излучения, конвекции, теплопередачи; E — тепло, отданное за счет испарения.
Если тепловой баланс не будет поддерживаться, то дополнительное тепло, полученное различными путями, приведет к повышению температуры тела, а недостаток тепловой энергии — к его охлаждению. В обоих случаях создаются неблагоприятные условия для функционирования клеток организма, которые при превышении определенных температурных границ внутри тела начинают погибать.
Тепловой баланс любого тела определяется соотношением между теплом, которое оно получает, и теплом, которое оно отдает.
Величина тепловыделения организмом человека зависит от степени физического напряжения и составляет от 75 ккал/ч в состоянии покоя до 430 ккал/ч при тяжелой работе. Для комфортных условий работы необходимо, чтобы тепловыделение организма равнялось его теплоотдаче, при этом температура внутренних органов человека остается постоянной (около 36,6 о С).
Таким образом, тепловое самочувствие человека, или тепловой баланс в системе человек – среда обитания зависит от температуры среды, подвижности и относительной влажности воздуха, атмосферного давления, температуры окружающих предметов и интенсивности физической нагрузки.
Существуют следующие пути отдачи тепла организмом в окружающую среду: излучение, теплопроведение, конвекция и испарение.
Излучение — это способ отдачи тепла в окружающую среду поверхностью тела человека в виде электромагнитных волн инфракрасного диапазона (а = 5—20 мкм). Количество тепла, рассеиваемого организмом в окружающую среду излучением, пропорционально площади поверхности излучения и разности средних значений температур кожи и окружающей среды. Площадь поверхности излучения — это суммарная площадь поверхности тех частей тела, которые соприкасаются с воздухом. При температуре окружающей среды 20 °С и относительной влажности воздуха 40—60 % организм взрослого человека рассеивает путем излучения около 40—50 % всего отдаваемого тепла. Теплоотдача путем излучения возрастает при понижении температуры окружающей среды и уменьшается при ее повышении. В условиях постоянной температуры окружающей среды излучение с поверхности тела возрастает при повышении температуры кожи и уменьшается при ее понижении. Если средние температуры поверхности кожи и окружающей среды выравниваются (разность температур становится равной нулю), отдача тепла излучением становится невозможной. Снизить теплоотдачу организма излучением можно за счет уменьшения площади поверхности излучения («сворачивания тела в клубок»). Если температура окружающей среды превышает среднюю температуру кожи, тело человека, поглощая инфракрасные лучи, излучаемые окружающими предметами, согревается.
Рис. 13.4. Виды теплоотдачи. Пути отдачи тепла организмом во внешнюю среду можно условно подразделить на «влажную» теплоотдачу, связанную с испарением пота и влаги с кожи и слизистых оболочек, и на «сухую» теплоотдачу, которая не связана с потерей жидкости.
Теплопроведение — способ отдачи тепла, имеющий место при контакте, соприкосновении тела человека с другими физическими телами. Количество тепла, отдаваемого организмом в окружающую среду этим способом, пропорционально разнице средних температур контактирующих тел, площади контактирующих поверхностей, времени теплового контакта и теплопроводности контактирующего тела. Сухой воздух, жировая ткань характеризуются низкой теплопроводностью и являются теплоизоляторами. Использование одежды из тканей, содержащих большое число маленьких неподвижных «пузырьков» воздуха между волокнами (например, шерстяные ткани), дает возможность организму человека уменьшить рассеяние тепла путем теплопроводности. Влажный, насыщенный водяными парами воздух, вода характеризуются высокой теплопроводностью. Поэтому пребывание человека в среде с высокой влажностью при низкой температуре сопровождается усилением теплопотерь организма. Влажная одежда также теряет свои теплоизолирующие свойства.
Конвекция — способ теплоотдачи организма, осуществляемый путем переноса тепла движущимися частицами воздуха (воды). Для рассеяния тепла конвекцией требуется обтекание поверхности тела потоком воздуха с более низкой температурой, чем температура кожи. При этом контактирующий с кожей слой воздуха нагревается, снижает свою плотность, поднимается и замещается более холодным и более плотным воздухом. В условиях, когда температура воздуха равна 20 °С, а относительная влажность — 40—60 %, тело взрослого человека рассеивает в окружающую среду путем теплопро-ведения и конвекции около 25—30 % тепла (базисная конвекция). При увеличении скорости движения воздушных потоков (ветер, вентиляция) значительно возрастает и интенсивность теплоотдачи (форсированная конвекция).
Отдача тепла организмом путем теплопроведения, конвекции и излучения, называемых вместе «сухой» теплоотдачей, становится неэффективной при выравнивании средних температур поверхности тела и окружающей среды.
Теплоотдача путем испарения — это способ рассеяния организмом тепла в окружающую среду за счет его затраты на испарение пота или влаги с поверхности кожи и влаги со слизистых оболочек дыхательных путей («влажная» теплоотдача). У человека постоянно осуществляется выделение пота потовыми железами кожи («ощутимая», или железистая, потеря воды), увлажняются слизистые оболочки дыхательных путей («неощутимая» потеря воды) (рис. 13.4). При этом «ощутимая» потеря воды организмом оказывает более существенное влияние на общее количество отдаваемого путем испарения тепла, чем «неощутимая».
При температуре внешней среды около 20 «С испарение влаги составляет около 36 г/ч. Поскольку на испарение 1 г воды у человека затрачивается 0,58 ккал тепловой энергии, нетрудно подсчитать, что путем испарения организм взрослого человека отдает в этих условиях в окружающую среду около 20 % всего рассеиваемого тепла. Повышение внешней температуры, выполнение физической работы, длительное пребывание в теплоизолирующей одежде усиливают потоотделение и оно может возрасти до 500— 2000 г/ч. Если внешняя температура превышает среднее значение температуры кожи, то организм не может отдавать во внешнюю среду тепло излучением, конвекцией и теплопроведением. Организм в этих условиях начинает поглощать тепло извне, и единственным способом рассеяния тепла становится усиление испарения влаги с поверхности тела. Такое испарение возможно до тех пор, пока влажность воздуха окружающей среды остается меньше 100 %. При интенсивном потоотделении, высокой влажности и малой скорости движения воздуха, когда капли пота, не успевая испариться, сливаются и стекают с поверхности тела, теплоотдача путем испарения становится менее эффективной.
Радиационный теплообмен. В любых условиях жизнедеятельности человека между ним и окружающими телами происходит теплообмен путем инфракрасного излучения (радиационный теплообмен). Человек в процессе своей жизнедеятельности часто подвергается нагревающему воздействию инфракрасных излучений с разными спектральными характеристиками: от солнца, нагретой поверхности земли, зданий, отопительных приборов, и т. д. В производственной деятельности с радиационным нагреванием человек сталкивается, например, в горячих цехах металлургической, стекольной, пищевой промышленности и др.
Излучением человек отдает тепло в случаях, когда температура ограждений, окружающих человека, ниже температуры поверхности тела. В окружающей человека среде часто встречаются поверхности, имеющие температуру значительно ниже температуры тела (холодные стены, застекленные поверхности). При этом потери тепла излучением могут быть причиной местного или общего охлаждения человека. Радиационному охлаждению подвергаются строительные рабочие, рабочие, занятые на транспорте, обслуживающие холодильники и др.
где а рад — коэффициент излучения, Вт/(м2°С); Spaд — площадь поверхности , тела человека, участвующей в радиационном теплообмене, м2; t1 — температура поверхности тела (одежды) человека, °С; t2 — температура поверхности окружающих предметов, °С.
Коэффициент излучения а рад при известных значениях t1 и t2 может быть определен по табл. 1.3.
Поверхность тела человека, участвующая в радиационном Теплообмене, меньше всей поверхности тела, так как некоторые части тела взаимно облучаются и не принимают участия в обмене. Поверхность тела, участвующая в обмене тепла, может составлять 71—95% всей поверхности тела человека. Для людей, находящихся в положении стоя или сидя, коэффициент эффективности излучения с поверхности тела составляет 0,71; в процессе движения человека он может увеличиваться до 0,95.
Конвекционный теплообмен. Передача тепла конвекцией осуществляется с поверхности тела человека (или одежды) движущемуся вокруг него (нее) воздуху. Различают конвекционный теплообмен свободный (обусловленный разностью температур поверхности тела и воздуха) и принудительный (под влиянием движения воздуха). По отношению к общим теплопотерям в условиях теплового комфорта теплоотдача конвекцией составляет 20—30% 4. Существенно возрастают потери тепла конвекцией в условиях ветра.
С использованием суммарного значения коэффициента теплоотдачи ( а рад.конв) могут быть определены значения радиационно-конвективных теплопотерь (Орад.конв) по уравнению
Кондукционный теплообмен. Теплоотдача от поверхности тела человека к соприкасающимся с ним твердым предметам осуществляется проведением (кондукцией). Потери тепла кондукцией в соответствии с законом Фурье могут быть определены по уравнению
Как видно из уравнения, отдача тепла кондукцией тем больше, чем ниже температура предмета, с которым соприкасается человек, чем больше поверхность соприкосновения и меньше толщина пакета материалов одежды.
В обычных условиях удельный вес потерь тепла кондукцией невелик, так как коэффициент теплопроводности неподвижного воздуха незначителен. В этом случае человек теряет тепло кондукцией лишь с поверхности стоп, площадь которых составляет 3% площади поверхности тела. Но иногда (в кабинах сельскохозяйственных машин, башенных кранов, экскаваторов и т. д.) площадь соприкосновения с холодными стенами может быть довольно большой. Кроме того, помимо размера контактирующей поверхности имеет значение и подвергающийся охлаждению участок тела (стопы, поясницы, плеч и т. д.).
Теплоотдача испарением. Важным способом теплоотдачи, особенно при высокой температуре воздуха и выполнении человеком физической работы, является испарение диффузионной влаги и пота. В условиях теплового комфорта и охлаждения человек, находящийся в состоянии относительного физического покоя, теряет влагу путем диффузии (неощутимой перспирации) с поверхности кожи и верхних дыхательных путей. За счет этого человек отдает в окружающую среду 23—27% общего тепла, при этом 1/3 потерь приходится на долю тепла испарением с верхних дыхательных путей и 2/3 — с поверхности кожи. На влагопотери путем диффузии оказывает влияние давлёние водяных паров в воздухе, окружающем человека. Поскольку в земных условиях изменение давления водяных паров невелико, влагопотери вследствие испарения диффузионной влаги принято считать относительно постоянными (30—60 г/ч). Несколько колеблются они лишь в зависимости от кровоснабжения кожи.
Теплоотдача при дыхании. Потери тепла вследствие нагревания вдыхаемого воздуха составляют небольшую долю по сравнению с другими видами потерь тепла, однако с увеличением энерготрат и со снижением температуры воздуха теплопотери этого вида увеличиваются.
Потери тепла вследствие нагревания вдыхаемого воздуха Qдых.н, Вт, могут быть определены по уравнению
где 34 — температура выдыхаемого воздуха, °С (в комфортных условиях) .
В заключение следует отметить, что приведенные выше уравнения для расчета составляющих теплового баланса позволяют лишь ориентировочно оценить теплообмен человека с окружающей средой. Существует также ряд уравнений (эмпирических и аналитических), предложенных разными авторами и позволяющих определить необходимую для расчета теплового сопротивления одежды величину радиационно-конвективных теплопотерь (фрэд конв).
В’ связи с этим в исследованиях наряду с расчетными применяются экспериментальные методы оценки теплообмена организма. К ним относятся методы определения общих влагопотерь человека и потерь влаги испарением путем взвешивания раздетого b одетого человека, а также определения радиационно-конвективных теплопотерь с помощью тепломерных датчиков, размещаемых на поверхности тела.
Помимо прямых методов оценки теплообмена человека используются косвенные, отражающие влияние на организм разницы между теплоотдачей и теплопродукцией в единицу времени в конкретных условиях жизнедеятельности. Это соотношение определяет тепловое состояние человека, сохранение которого на оптимальном или допустимом уровне является одной из главных функций одежды. В связи с этим показатели и критерии теплового состояния человека служат физиологической основой как проектирования одежды, так и ее оценки.
1 1. Иванов К. П. Основные принципы регуляции температурного пзмео-стаза/В кн. Физиология терморегуляции. Л., 1984. С. 113—137.
1.2 Иванов К. П. Регуляция температурного гомеостаза у животных и человека. Ашхабад, 1982.
1 3 Беркович Е. М. Энергетический обмен в норме и патологии. М., 1964.
1.4. Fanger Р. О. Thermal Comfort. Copenhagen, 1970.
k5. Малышева A. E. Гигиенические вопросы радиационного теплообмена человека с окружающей средой. М., 1963.
1 6. Колесников П. А. Теплозащитные свойства одежды. М., 1965
1 7. Витте Н. К- Тепловой обмен человека и его гигиеническое значение. Киев, 1956