Теплообмен человека с окружающей средой

Терморегуляция  – это совокупность процессов в организме, обеспечивающих равновесие между теплопродукцией и теплоотдачей, благодаря которому температура тела человека остается постоянной.

Теплопродукция организма (производимое тепло) в состоянии покоя составляет для «стандартного человека» (масса  70 кг, рост 170 см, поверхность тела 1,8 м кв) до 283 кДж в час. При легкой физической работе – более 283 кДж в час, при работе средней тяжести – до 1256 кДж в час и при тяжелой – 1256 и более кДж в час. Метаболическое, лишнее тепло должно удаляться из организма.

Жизнедеятельность человека сопровождается непрерывным выделением теплоты  в окружающую среду. Ее количество зависит  от степени физического напряжения в определенных климатических условиях. Для того чтобы физиологические  процессы в организме протекали  нормально, выделяемая организмом теплота  должна полностью отводится в  окружающую среду. Нарушение теплового  баланса может привести к перегреву  либо к переохлаждению организма  и как следствие к потере трудоспособности, быстрой утомляемости, потере сознания и тепловой смерти.

Нормальная жизнедеятельность  осуществляется в том случае, если тепловой баланс (тепловое равновесие), то есть соответствие между теплопродукцией вместе с теплотой, получаемой из окружающей среды, и теплоотдачей достигается без напряжения процессов терморегуляции. Отдача тепла организмом зависит от условий микроклимата, который определяется комплексом факторов, влияющих на теплообмен: температурой, влажностью, скоростью движения воздуха и радиационной температурой окружающих человека предметов.

Температура, скорость, относительная  влажность и атмосферное давление окружающего воздуха получили название параметров микроклимата. Чтобы понять влияние того или иного показателя микроклимата на теплообмен, нужно знать основные пути отдачи тепла организмом. При нормальных условиях организм человека теряет примерно 85 % тепла через кожу и 15 % тепла расходуется на нагревание пищи, вдыхаемого воздуха и испарения воды из легких. 85 % тепла, отдаваемого через кожу, распределяется следующим образом: 45 % приходится на излучение, 30 % на проведение и 10 % на испарение. Эти соотношения могут изменяться в зависимости от условий микроклимата.

Одним из важных интегральных показателей  теплового состояния организма  является средняя температура тела (внутренних органов) порядка 36,6 градусов по Цельсию. Она зависит от степени  нарушения теплового баланса  и уровня энергозатрат при выполнении физической работы. При выполнении работы средней тяжести и тяжелой при высокой температуре воздуха, температура тела может повышаться от нескольких десятых градуса до 1…2 градусов по Цельсию. Наивысшая температура внутренних органов, которую выдерживает человек, составляет +43 градусов по Цельсию, минимальная +25 градусов по Цельсию. Температурный режим кожи играет основную роль в теплоотдаче. Ее температура меняется в довольно значительных пределах и при нормальных условиях средняя температура кожи под одеждой составляет 30…34 градусов по Цельсию. При неблагоприятных метеорологических условиях на отдельных участках тела она может понижаться до 20 градусов по Цельсию, а иногда и ниже.

При комфортном микроклимате физиологические  процессы терморегуляции не напряжены, теплоощущение хорошее, функциональное состояние нервной системы оптимальное, физическая и умственная работоспособность  высокая, организм устойчив к воздействию  негативных факторов среды.

Дискомфортный микроклимат вызывает напряжение процессов терморегуляции, имеет место плохое теплоощущение, ухудшается условно-рефлекторная деятельность и функция анализаторов, понижается работоспособность и качество труда, снижается устойчивость организма  к воздействию неблагоприятных  факторов.

Рекомендуемые нормами параметры  микроклимата должны обеспечить в процессе терморегуляции такое соотношение  физиологических и физико-химических процессов, при котором поддерживалось бы устойчивое тепловое состояние в  течение длительного времени, без  снижения работоспособности человека.

2.2 Терморегуляция организма человека

 

Основными параметрами, обеспечивающими  процесс теплообмена с окружающей средой являются параметры микроклимата. В естественных условиях эти параметры  изменяются в существенных пределах.

Вместе с изменением параметров микроклимата меняется и тепловое самочувствие человека. Условия, нарушающие тепловой баланс, вызывают в организме реакции, способствующие его восстановлению.

Процессы регулирования тепловыделений для поддержания постоянной температуры  тела человека называются терморегуляцией. Она позволяет сохранять температуру  внутренних органов постоянной, близкой  к 36,5°С.

Процессы регулирования тепловыделений осуществляются в основном тремя  способами: биохимическим путем, путем  изменения интенсивности кровообращения и интенсивности потовыделения.

Терморегуляция биохимическим  путем заключается в изменении  интенсивности происходящих в организме  окислительных процессов.

Терморегуляция путем изменения  интенсивности кровообращения заключается  в способности организма регулировать подачу крови (которая является в  данном случае теплоносителем) от внутренних органов к поверхности тела путем  сужения или расширения кровеносных  сосудов.

Терморегуляция путем изменения  интенсивности потовыделения заключается  в изменении процесса теплоотдачи  за счет испарения влаги.

Терморегуляция организма осуществляется одновременно всеми способами.

Параметры микроклимата воздушной  среды, которые обуславливают оптимальный  обмен веществ в организме  и при которых нет неприятных ощущений и напряженности системы  терморегуляции, называются комфортными  или оптимальными. Зона, в которой  окружающая среда полностью отводит  теплоту, выделяемую организмом, и нет  напряжения системы терморегуляции, называется зоной комфорта.

Условия, при которых нормальное тепловое состояние человека нарушается, называются дискомфортными. При незначительной напряженности системы терморегуляции и небольшой дискомфортности  метеорологические условия считаются  допустимыми.

Непосредственным измерением трудно установить количество теплоты, отдаваемой человеком. Поэтому об интенсивности  общей теплоотдачи судят по косвенным  показателям - значениям эффективной  и эквивалентно - эффективной температур, характеризующих пребывание в так  называемой “зоне комфорта”, где  терморегуляция обеспечивается организмом легко, или за пределами этой зоны, когда для нормальной терморегуляции организм человека преодолевает большие  нагрузки.

Эффективной называется температура  воздуха, ощущаемая человеком при  определенной относительной влажности  воздуха и при отсутствии движения его в помещении.

 Эффективно-эквивалентной называется  температура воздуха, ощущаемая  человеком при определенной относительной  влажности воздуха и определенной  скорости его движения.

2.3 Влияние параметров микроклимата  на самочувствие человека

 

Параметры микроклимата оказывают  непосредственное влияние на тепловое состояние человека. Например, понижение  температуры и повышение скорости движения воздуха, способствует усилению конвективного теплообмена и  процесса теплоотдачи при испарении  пота, что может привести к переохлаждению организма.

При повышении температуры воздуха  возникают обратные явления.

Переносимость человеком температуры, как и его теплоощущение, в  значительной мере зависит от влажности  и скорости окружающего воздуха. Чем больше относительная влажность, тем меньше испаряется пота в единицу  времени и тем быстрее наступает  перегрев тела.

Особенно неблагоприятное воздействие  на тепловое самочувствие человека оказывает  высокая влажность при температурах окружающего воздуха более 30°С, так  как при этом почти вся выделяемая теплота отдается в окружающую среду  при испарении пота. При повышении  влажности пот не испаряется, а  стекает каплями с поверхности  кожного покрова. Возникает так  называемое проливное течение пота, изнуряющее организм и не обеспечивающее необходимую теплоотдачу.

Недостаточная влажность приводит к интенсивному испарению влаги  со слизистых оболочек их пересыхания  и растрескивания, а затем и  к загрязнению болезнетворными  микробами. Поэтому, при длительном пребывании людей в закрытых помещениях, рекомендуется ограничиваться относительной  влажностью 30…70%

При обильном потовыделении масса  организма человека уменьшается. Считается  допустимым для человека снижение его  массы на 2…3% путем испарения  влаги – обезвоживания организма.

Вместе с потом организм теряет значительное количество минеральных  солей. Для восстановления водного  баланса работающих в горячих  цехах устанавливают пункты подпитки подсоленной газированной водой.

Длительное воздействие высокой  температуры особенно с повышенной влажностью может привести к значительному  накоплению теплоты в организме  и развитию перегревания организма  выше допустимого уровня – гипертермии.

Производственные процессы, выполняемые  при пониженной температуре, большой  подвижности и влажности воздуха, могут быть причиной охлаждения и  даже переохлаждения организма –  гипотермии.

Параметры микроклимата оказывают  существенное влияние на производительность труда.

В горячих цехах промышленных предприятий  большинство технологических процессов  протекают при температурах, значительно  превышающих температуру воздуха  окружающей среды. Нагретые поверхности  излучают в пространство потоки лучистой энергии, которые могут привести к отрицательным последствиям. При  температуре до 500°С с нагретой поверхности  излучаются тепловые (инфракрасные) лучи, а при более высоких температурах наряду с возрастанием инфракрасного  излучения появляются видимые световые и ультрафиолетовые лучи.

Под влиянием теплового облучения  в организме происходят биохимические  сдвиги, уменьшается кислородная  насыщенность крови, понижается венозное давление, замедляется кровоток и  как следствие наступает нарушение  деятельности сердечно-сосудистой и  нервной систем.

 

По характеру воздействия на организм человека инфракрасные лучи подразделяют на коротковолновые и  длинноволновые. Тепловые излучения  коротковолнового диапазона глубоко  поникают в ткани и разогревают  их, вызывая быструю утомляемость, понижение внимания, усиленное потовыделение, а при длительном облучении –  тепловой удар.      Длинноволновые лучи глубоко в ткани не проникают  и поглощаются в основном в  эпидермисе кожи. Они могут вызывать ожоги кожи и глаз (катаракта глаза).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 3. Тепловой баланс, самочувствие и оценка теплового состояния человека.

3.1 Тепловой баланс и тепловое  самочувствие.

 

Нормальное тепловое самочувствие имеет место, когда тепловыделение Qтп человека полностью воспринимается окружающей средой Qто, то есть когда имеет место тепловой баланс Qтп = Qто. В этом случае температура внутренних органов остается постоянной. Если теплопродукция организма не может быть полностью передана окружающей среде (Qтп > Qто), происходит рост температуры внутренних органов и такое тепловое самочувствие характеризуется понятием жарко. Теплоизоляция человека, находящегося в состоянии покоя (отдых сидя или лежа), от окружающей среды приведет к повышению температуры внутренних органов уже через 1 час на 1,2 градусов Цельсия. Теплоизоляция человека, производящего работу средней тяжести, вызовет повышение температуры уже на 5 градусов и вплотную приблизится к максимально допустимой. В случае, когда окружающая среда воспринимает больше теплоты, чем ее воспроизводит человек (Qтп < Qто), то происходит охлаждение организма. Такое тепловое самочувствие характеризуется понятием холодно.

Теплообмен между человеком  и окружающей средой осуществляется конвекцией Qк в результате омывания тела воздухом, теплопроводностью Qт, излучением на окружающие поверхности Qл и в процессе тепломассобмена (Qтм = Qп + Qд) при испарении влаги, выводимой на поверхность кожи потовыми железами Qп и при дыхании Qд:

Qтп = Qк + Qт + Qл +Qтм.

Конвекционный теплообмен определяется законом Ньютона:

Qк = @кFэ(tпов - tок),

где @к – коэффициент теплоотдачи  конвекцией; при нормальных параметрах микроклимата @к = 4,06 Вт/(м кв на градус по Цельсию); tпов – температура поверхности тела человека (для практических расчетов зимой около 27,7 градусов, летом около 31,5 градусов); tок – температура воздуха, омывающего тело человека; Fэ – эффективная поверхность тела человека (размер эффективной поверхности тела зависит от положения его в пространстве и составляет приблизительно 50…80 % геометрической внешней поверхности тела человека); для практических расчетов Fэ = 1.8 м кв.

На основании изложенного выше можно сделать вывод, что величина и направление конвективного  теплообмена человека с окружающей средой определяется в основном температурой окружающей среды, атмосферным давлением, подвижностью и влагосодержанием воздуха.

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 организма.

Условия, нарушающие тепловой баланс, вызывают в организме реакции, способствующие его восстановлению. Процессы регулирования  тепловыделений для поддержания  постоянной температуры тела человека называется терморегуляцией. Она позволяет сохранять температуру внутренних органов постоянной. Терморегуляция организма осуществляется одновременно всеми способами. Так, при понижении температуры воздуха увеличению теплоотдачи за счет увеличения разности температур препятствуют такие процессы, как уменьшение влажности кожи, и следовательно, уменьшение теплоотдачи путем испарения, снижение температуры кожных покровов за счет уменьшения интенсивности транспортирования крови от внутренних органов, и вместе с этим уменьшение разности температур.

3.2 Показатели и критерии теплового  состояния человека при  взаимодействии  с окружающей средой

 

Большая часть тепла, образующегося  в организме человека, рассеивается с поверхности тела. Это определяет значение температуры кожи при оценке теплового состояния организма. Зависимость уровня температуры  кожи от термических условий среды, тесная корреляционная связь с теплоощущениями  позволяют считать ее одним из информативных показателей теплового  состояния организма.