Теплоотдача организма. Теплообмен в организме
Жизнедеятельность человека сопровождается непрерывным выделением теплоты в окружающую среду. Ее количество зависит от степени физического напряжения и составляет от 85 Вт (в состоянии покоя) до 500 Вт (при выполнении тяжелой работы) . Чтобы физиологические процессы в организме протекали нормально, выделяемая организмом теплота должна полностью отводиться в окружающую среду. Нарушение теплового баланса может привести к перегреву либо к переохлаждению организма и, как следствие, к потере трудоспособности, быстрому утомлению, потере сознания и тепловой смерти.
Температурный режим кожи играет основную роль в теплоотдаче. Ее температура изменяется в довольно значительных пределах и под одеждой составляет 30...34 °С. При неблагоприятных метеорологических условиях на отдельных участках тела температура может понижаться до 20 °С, а иногда и ниже.
Нормальное тепловое самочувствие имеет место, когда тепловыделения человека полностью воспринимаются окружающей средой, т.е. когда имеется тепловой баланс и температура внутренних органов остается постоянной. Если теплопродукция организма не может быть полностью передана окружающей среде, происходит рост температуры внутренних органов и такое тепловое самочувствие характеризуется понятием «жарко». Наивысшая температура внутренних органов, которую выдерживает человек, составляет 43 °С. В случае, когда окружающая среда воспринимает больше теплоты, чем ее воспроизводит человек, происходит охлаждение организма. Такое тепловое самочувствие характеризуется понятием «холодно». Минимальная температура внутренних органов, которую выдерживает человек, составляет 25 °С. Комфортной средой является такая, охлаждающая способность которой соответствует теплопродукции человека. В условиях комфорта у человека не возникает беспокоящих его тепловых ощущений - холода или перегрева.
Тепловой баланс организма человека при различных метеоусловиях различен. Наибольшее влияние на самочувствие человека оказывает температура
воздуха. Она ощущается, в первую очередь, открытыми поверхностными частями тела человека. От температуры тела зависят интенсивность обмена веществ и окислительных процессов в тканях, регулирование кровоснабжения кожи, потоотделения и дыхания. При обычной температуре от кожного покрова человека в воздух помещения отводится до 45 % теплоты путем излучения, до 30 % за счет конвективного теплообмена и до 25 % при испарении пота.
Высокая температура воздуха оказывает неблагоприятное воздействие на сердечно-сосудистую и центральную нервную систему человека. Низкая температура может вызвать местное и общее переохлаждение организма, стать причиной простудных заболеваний.
Теплообмен между человеком и окружающей средой осуществляется посредством конвекции (процесс обмывания тела воздухом).
Температура, скорость, относительная влажность и атмосферное давление окружающего воздуха получили название показателей микроклимата , а их числовые значения -параметров микроклимата .
Параметры микроклимата и интенсивность физической нагрузки организма характеризуют степень комфортности производственного микроклимата, теплоощущения человека, его работоспособность.
Установлено, что при температуре воздуха более 30 °С работоспособность человека начинает падать. Предельная температура вдыхаемого воздуха, при
которой человек еще в состоянии дышать в течение нескольких минут без специальных средств защиты, составляет около 116 °С.
Переносимость человеком температуры также зависит от влажности и скорости передвижения окружающего воздуха. Чем больше относительная влажность воздуха, тем меньше испаряется пота в единицу времени и тем быстрее наступает перегрев организма. Особенно неблагоприятное воздействие на тепловое самочувствие человека оказывает высокая влажность при температуре воздуха выше 30 °С. При такой температуре вся выделяемая теплота идет на испарение пота. Но при высокой влажности пот не испаряется, а стекает каплями с поверхности кожного покрова, изнуряя организм и не обеспечивая необходимую теплоотдачу. Вместе с потом организм человека теряет значительное количество минеральных солей. При неблагоприятных условиях производственного микроклимата потеря жидкости человеком может достигать 8...10 л за смену и с ней до 40 г поваренной соли (всего в организме человека около 140 г). При высокой температуре воздуха более интенсивно расходуются углеводы, жиры, разрушаются белки.
Длительное воздействие высокой температуры, особенно в сочетании с повышенной влажностью, может привести к значительному накоплению теплоты в организме и развитию перегревания организма выше допустимого уровня - гипертермии - состояния, при котором температура тела поднимается до
38...39 °С (тепловой удар). При этом состоянии возникает головная боль, головокружение, общая слабость, искажение цветового восприятия, сухость во рту, тошнота, рвота, обильное потовыделение, пульс и дыхание учащены. Наблюдается бледность, синюшность, зрачки расширены, временами могут появляться судороги, потеря сознания.
В горячих цехах по ремонту железнодорожного подвижного состава имеются технологические процессы, которые протекают при температурах, значительно превышающих температуру воздуха окружающей среды. Нагретые поверхности излучают в пространство потоки лучистой энергии, которые могут привести к отрицательным последствиям. Инфракрасные лучи оказывают на организм человека в основном тепловое воздействие, при этом наступает нарушение нормальной деятельности сердечно-сосудистой и центральной нервной системы. Эти лучи могут вызвать ожог кожи и глаз. Наиболее частым и тяжелым поражением глаз вследствие воздействия инфракрасных лучей является катаракта глаза.
Производственные процессы, выполняемые при пониженной температуре, большой подвижности и влажности воздуха, могут явиться причиной охлаждения и даже переохлаждения организма - гипотермии. В начальный период воздействия умеренного холода наблюдается уменьшение частоты дыхания, увеличение объема вдыхаемого воздуха. При продолжительном действии холо-
Для правильного понимания механизмов закаливания и его успешного осуществления необходимо знать, каким образом человеческий организм может приобрести устойчивость к неблагоприятным воздействиям внешней среды. Известно, что температура тела здорового человека практически постоянна, хотя в жизни ему приходится переносить и жгучие морозы, и изнурительный зной. Происходит это вследствие того, что организм обладает способностью регулировать свою температуру. Без механизма, поддерживающего постоянную температуру тела, жизнь была бы, по словам И. П. Павлова, «игрушкой в руках внешних температурных условий».
У тех, кто привык чересчур тепло одеваться или установил в помещении кондиционер , создавая для себя слишком комфортные микроклиматические условия, теплорегулирующий аппарат редко вступает в работу, получает слабое функциональное развитие и уже не может служить надежной «броней» против изменяющихся атмосферных условий. Приспособляемость организма к капризам погоды ухудшается, и он становится подверженным простудным заболеваниям .
Регуляция тепла осуществляется путем выработки тепла организмом (теплопродукция) и путем отдачи его в окружающую среду (теплоотдача). Непрерывное протекание жизненных процессов в организме сопровождается образованием тепла. За сутки человек, даже находящийся в покое, вырабатывает примерно столько тепла, что его хватило бы на нагревание 15 л воды до кипения. Величина теплопродукции зависит от числа вовлеченных в работу органов и тканей. Не случайно, во время выполнения физической работы теплопродукция резко увеличивается.
Кроме тепла, которое образуется в результате обмена веществ в самом организме, человек в жаркое время года получает тепло из окружающей среды. И если бы одновременно с повышением температуры воздуха в организме не происходила теплоотдача, человек погиб бы от перегревания. Ведущая роль в процессе терморегуляции принадлежит высшим отделам центральной нервной системы. Повышение или понижение температуры окружающей и внутренней среды организма воспринимается особыми нервными окончаниями — терморецепторами, заложенными в коже и внутренних органах. Возникающие в них импульсы передаются в центральную нервную систему, которая и осуществляет ответную реакцию организма. Вот почему на изменение температуры реагирует не только участок тела, непосредственно подвергающийся раздражению, но и наступают изменения в функциях всего организма.
Так, при понижении температуры окружающей среды происходит рефлекторное сужение кровеносных сосудов кожи, вследствие чего количество протекающей через них крови уменьшается, а следовательно, снижается и отдача тепла. Выработка тепла во внутренних органах, главным образом в печени, увеличивается. Благодаря этому организму удается сберечь тепло и сохранить постоянную температуру тела.
При повышении температуры внешней среды ответная реакция организма, наоборот, выражается в усилении теплоотдачи: расширяются кожные сосуды, увеличивается количество протекающей через них крови, усиливается потоотделение и учащается дыхание. Выработка тепла при этом снижается, и тем самым организм избегает перегревания.
Нарушения теплового равновесия причиняют существенный вред здоровью. Чрезмерное охлаждение ведет к ослаблению организма, снижению его устойчивости, уменьшению сопротивляемости болезнетворным микробам, повышает риск развития заболеваний.
Академик И. П. Павлов говорил, что «простудный элемент есть специальный раздражитель кожи вместе с сыростью; это специальное раздражение ведет к возбуждению задерживающего нерва, понижает жизнедеятельность организма, его отдельных органов — легких, почек и др. И тогда все виды инфекции, которые всегда в наличности и которым, так сказать, только не дается ходу, берут перевес и дают то нефрит, то пневмонию и т. д.».
Исследования ученых показали, что у человека при погружении ступней ног в холодную воду происходит прилив крови к слизистым оболочкам носа и верхних дыхательных путей, повышение их температуры и увеличение количества выделяемой слизи. Все это создает благоприятные условия для развития микробов, попадающих на слизистые оболочки. Быстрое увеличение числа микробов и одновременное ослабление сопротивляемости организма ведут к возникновению воспалительных процессов, простудных заболеваний — катару верхних дыхательных путей, ангине, воспалению легких.
Вместе с тем было замечено, что люди неодинаково реагируют на охлаждение — не у всех возникают простудные заболевания. У некоторых уже при одном упоминании о холодной воде начинают бегать «мурашки» по телу. Но есть немало людей, которые безболезненно перенося резкие колебания тепла и холода.
Оказалось также, что степень чувствительности к холоду зависит не от врожденных особенностей организма, а обусловливается условиями жизни. Не у всех людей терморегулирующий аппарат действует одинаково хорошо. У тех, кто постоянно подвергает свой организм температурным воздействиям, он обычно тренируется и совершенствуется и на любое изменение атмосферных условий отвечает более быстрой и правильной реакцией.
И, наоборот, у тех, кто привык чересчур тепло одеваться, кто старается в помещении поддерживать одну и ту же температуру, искусственно создавая для себя слишком комфортные микроклиматические условия, теплорегулирующий аппарат редко вступает в работу, получает слабое функциональное развитие и уже не может служить надежной «броней» против изменяющихся атмосферных условий. Приспособляемость организма к капризам погоды ухудшается, и он становится подверженным простудным заболеваниям.
Теплорегулирующий аппарат действует значительно лучше на участках тела, которые постоянно подвергаются действию метеорологических факторов (лицо, руки), и «хуже работает» на тех частях, которые постоянно закрыты одеждой (грудь, спина). Значит, избегая смены тепла и холода, мы не даем возможности упражняться нашему терморегуляторному аппарату. Организм теряет способность своевременно реагировать на меняющиеся температурные условия, делается изнеженным и легче подвергается простудным заболеваниям. Что бы, например, произошло, если бы наподобие того, как мы закутываем свои холодовые точки, стали бы также предохранять глаза от всякого действия света, уши — от всякого звука и шума и т. д. Стоит припомнить, например, какая светобоязнь возникает у людей, бывших долго в темноте, или какая сильная звукобоязнь развивается после долгого пребывания в полной тишине, чтобы понять, в какое ненормальное состояние высокой болезненной восприимчивости мы приводим и наши холодовые точки кожи, раз мы устраняем их во время всей почти жизни от действия. Для ограждения себя от простудных заболеваний и повышения устойчивости организма необходимо постоянными и систематическими упражнениями добиться такого укрепления терморегулирующего аппарата, которое позволило бы человеку безболезненно переносить любые температурные колебания внешней среды. В этом, собственно, и заключается цель закаливания — путем целенаправленных воздействий развить имеющиеся в организме защитные силы, выработать в нем способность быстро и безотказно их мобилизовать. Благодаря закаливанию организм получает способность реагировать на изменение температуры окружающей среды раньше, чем наступит чрезмерное охлаждение или перегревание.
Помимо улучшения сопротивляемости организма по отношению к климатическим факторам, закаливающие процедуры оказывают благотворное влияние на весь организм — улучшают кровообращение, повышают тонус центральной нервной системы и обмен веществ, способствуют воспитанию воли и характера. Однако слишком сильное охлаждение или согревание может нарушить здоровье человека, независимо от степени его закалки. При острых заболеваниях и обострениях хронических недугов принимать закаливающие процедуры нельзя. В то же время, частые катары верхних дыхательных путей, ангины, фурункулез служат показаниями для назначения закаливающих процедур. Врачи утверждают, что люди, страдавшие этими заболеваниями, избавлялись от них путем систематически проводимого закаливания. И еще один совет: щедрыми дарами природы следует пользоваться умеючи, соблюдая научно обоснованные гигиенические правила.
Теплообразование, или теплопродукция, определяется интенсивностью обмена веществ. Регуляция теплообразования путем увеличения или уменьшения обмена веществ обозначается как химическая терморегуляция.
Выработанное организмом тепло постоянно отдается в окружающую его внешнюю среду. Если бы не существовала отдача тепла, организм погиб бы от перегревания. Теплоотдача может увеличиваться и уменьшаться. Регуляция теплоотдачи путем изменения осуществляющих ее физиологических функций обозначается как физическая терморегуляция.
Количество образующегося в организме тепла зависит от уровня обмена веществ в органах, который определяется трофической функцией нервной системы. Наибольшее количество тепла образуется в органах с интенсивным обменом веществ - в скелетной мускулатуре и в железах, главным образом в печени и в почках. Наименьшее количество тепла освобождается в костях, хрящах и соединительной .
При повышении температуры окружающей среды теплообразование уменьшается, а при ее понижении - увеличивается. Следовательно, между температурой внешней среды и теплообразованием существуют обратно пропорциональные отношения. Летом теплообразование понижается, а зимой увеличивается.
Соотношение между теплообразованием и теплоотдачей зависит от температуры окружающей среды. При среды 15-25°С теплообразование в покое в одежде находится на одном уровне и уравновешивается теплоотдачей (зона безразличия). Когда температура среды ниже 15°С, то при тех же условиях теплопродукция повышается при 0°С и постепенно снижается к 15°С (нижняя зона повышения обмена). Если температура среды 25-35°С, обмен веществ несколько снижается (зона пониженного обмена) и сохраняется терморегуляция. При повышении температуры среды больше 35°С происходит нарушение терморегуляции, обмен веществ и температура тела повышаются (верхняя зона повышения обмена, зона перегревания). Следовательно, повышение температуры внешней среды или согревание организма уменьшает теплопроизводство только до известного уровня при определенной температуре внешней среды. Эта температура называется критической, так как дальнейшее её повышение ведет уже не к уменьшению, а к увеличению теплообразования и повышению температуры тела. Точно так же при охлаждении существуют критическая температура внешней среды, ниже которой теплопроизводство начинает понижаться.
При мышечном покое увеличение теплообразования при охлаждении тела незначительно.
Особенно значительное увеличение теплообразования при низкой температуре внешней среды наблюдается при дрожи и работе мышц. Неправильные, небольшие сокращения мышц – дрожание и усиленные движения, которые человек делает на холоде с целью согреться и избавиться от озноба или дрожи, повышают трофические функции, значительно увеличивают обмен веществ и производство тепла. Несколько повышается выработка тепла и при «гусиной коже» -сокращение мышц волосяных мешочков.
Необходимо учесть, что ходьба увеличивает теплопроизводство почти в 2 раза, а быстрый бег - в 4-5 раз, температура тела может повыситься на несколько десятых градуса, причем повышение температуры во время работы ускоряет окислительные процессы и тем самым способствует окислению продуктов распада белков. Однако при продолжительной интенсивной работе при температуре внешней среды выше 25°С температура тела может возрасти на 1-1,5°С, что уже вызывает изменения и нарушения жизнедеятельности. Когда во время мышечной работы при высокой температуре внешней среды температура тела повышается более чем до 39°С, может наступить тепловой удар. На долю мышц приходится 65-75% теплообразования, а при интенсивной работе даже 90%.
Остальная доля тепла образуется в железистых органах, главным образом в печени.
Организм в покое непрерывно теряет тепло: 1) теплоизлучением, или отдачей тепла кожей окружающему воздуху; 2) теплопроведением, или непосредственной отдачей тепла тем предметам, которые соприкасаются с кожей; 3) испарением с поверхности кожи и легких.
В условиях покоя 70-80% тепла отдается в окружающую среду кожей теплоизлучением и теплопроведением, а испарением воды в коже (потоотделением) и в легких - около 20%. Отдача тепла нагреванием выдыхаемого воздуха, мочой и калом ничтожна, она составляет 1,5-3% общей теплоотдачи.
При мышечной работе резко возрастает отдача тепла испарением (у человека главным образом потоотделением), доходя до 90% всего суточного теплообразования.
Теплоотдача теплоизлучением и теплопроведением зависит от разности температур кожи и окружающей среды. Чем выше температура кожи, тем больше теплоотдача указанными путями. Л температура кожи зависит от притока к ней крови. При повышении температуры окружающей среды артериолы и капилляры кожи. Но так как разница температуры кожи уменьшается, то абсолютная величина теплоотдачи при высоких температурах окружающей среды меньше, чем при низких.
Когда температура кожи сравнивается с температурой окружающей среды, теплоотдача прекращается. При дальнейшем повышении температуры окружающей среды кожа не только не теряет тепло, но сама нагревается. В этом случае теплоотдача теплоизлучением и теплопровидением отсутствует и сохраняется только теплоотдача испарением.
Наоборот, на холоде артериолы и капилляры кожи суживаются, кожа становится бледной, количество протекающей через пес крови уменьшается, температура кожи понижается, разница температур кожи и окружающей среды сглаживается, и теплоотдача уменьшается.
Человек уменьшает теплоотдачу искусственными покровами (бельем, одеждой и т. д.). Чем больше воздуха в этих покровах, тем легче сохраняется тепло.
Регуляция теплоотдачи испарением воды играет большую роль, особенно при мышечной работе и значительном повышении температуры окружающей среды. При испарении 1 дм 3 воды с поверхности кожи или слизистых оболочек теряется телом 2428,4 кДж.
Потеря воды кожей происходит за счет проникновения воды из глубоких тканей на поверхность кожи и главным образом за счет функционирования потовых желез. При средней температуре окружающей среды взрослый человек ежесуточно теряет испарением с кожи 1674,8-2093,5 кДж.
В связи с резким увеличением потоотделения при повышении температуры окружающей среды и при мышечной работе значительно возрастает и теплоотдача, хотя и не весь пот испаряется.
Большие потери пота сопровождаются потерями больших количеств минеральных солей, так как содержание одной только поваренной соли в поту равно 0,3-0,6%. При потере 5-10дм 3 пота теряется 25-30 грамм поваренной соли. Поэтому если возникшая при обильном потоотделении жажда удовлетворяется водой, то наступают тяжелые расстройства вследствие потери значительных количеств солей (судороги и т. д.). Уже при потере 2 дм 3 пота получается дефицит солей в организме. Эти потери восполняются питьем воды, содержащей 0,5-0,6% поваренной соли, которую рекомендуется пить при обильном длительном потоотделении.
Испарение воды постоянно происходит и с поверхности легких. Выдыхаемый воздух насыщен водяными парами на 95-98% и поэтому чем суше вдыхаемый воздух, тем больше тепла отдается испарением с легких. В обычных условиях легкими ежесуточно испаряется 300-400 см 3 воды, что соответствует 732,7-962,9 кДж. При высокой температуре дыхание учащается, а на холоде становится редким. Испарение воды с поверхности кожи и легких становится единственным путем теплоотдачи, когда температура воздуха достигает температуры тела. В этих условиях в покое испаряется более 100 см 3 пота в час, что позволяет отдавать около 251,2 кДж в час.
Испарение воды с поверхности кожи и легких зависит от относительной влажности воздуха. Оно прекращается в воздухе, насыщенном водяными парами. Поэтому пребывание во влажном горячем воздухе, как, например, бане, тяжело переносится. В сыром воздухе человек плохо чувствует себя, даже при сравнительно невысокой температуре окружающей среды - при 30°С. Плохо переносится кожаная и резиновая одежда, так как она непроницаема для и делает невозможным испарение пота, поэтому под такой одеждой пот накапливается. При высокой температуре воздуха и мышечной работе в кожаной и резиновой одежде у человека повышается температура тела.
Перегревание человека в , насыщенной водяными парами, особенно опасно, так как лишает возможности освобождаться от избытка тепла наиболее действенным способом - испарением.
Наоборот, в сухом воздухе человек сравнительно легко переносит значительно более высокую температуру, чем во влажном.
Большое значение для увеличения теплоотдачи теплоизлучением, теплопроведением и испарением имеет движение воздуха. Увеличение скорости движения воздуха увеличивает теплоотдачу. На сквозняке и на ветру резко увеличивается потеря тепла. Но если окружающий воздух имеет высокую температуру и насыщен водяными парами, то движение воздуха не охлаждает. Следовательно, физическая терморегуляция обеспечивается: 1) сердечнососудистой системой, которая определяет приток и отток крови в кровеносных сосудах кожи, а следовательно, количество тепла, отдаваемого кожей в окружающую среду; 2) системой органов дыхания, т. е. изменениями вентиляции легких; 3) изменением функции потовых желез.
Регуляция теплоотдачи производится нервной системой и посредством гормонов. Существенное значение имеют условные рефлексы на обстановку, в которой неоднократно нагревалось или охлаждалось тело.
Изменение функций сердечнососудистой системы, дыхания и потовых желез рефлекторно регулируется раздражением внешних органов чувств и особенно раздражением рецепторов кожи при изменениях температуры внешней среды, а также раздражением нервных окончаний внутренних органов при колебаниях температуры внутри организма. Физиологические механизмы физической терморегуляции осуществляются большими полушариями, промежуточным, продолговатым и спинным мозгом.
Теплоотдача изменяется при поступлении в гормонов, изменяющих функции органов, участвующих в физической терморегуляции.
Человек постоянно находится в состоянии обмена теплотой с окружающей средой.
Наилучшее тепловое самочувствие человека будет тогда, когда тепловыделения (QТB) организма человека полностью отдаются окружающей среде (QТО), т.е. имеет место тепловой баланс
Превышение тепловыделения организма над теплоотдачей в окружающую среду (QTB > QTО) приводит к росту температуры внутренних органов, нагреву организма и к повышению его температуры - человеку становится жарко. Наоборот, превышение теплоотдачи над тепловыделением (Q.ТВ < QТО) приводит к охлаждению организма и к снижению его температуры - человеку становится холодно.
Средняя температура тела человека - 36,6 0 С. Даже незначительные отклонения от этой температуры в ту или другую сторону приводят к ухудшению самочувствия человека.
Тепловыделения (QTB) организма определяются прежде всего тяжестью и напряженностью выполняемой человеком работы, в основном величиной мышечной нагрузки.
Теплоотдача от организма человека в окружающую среду происходит в результате:
Теплопроводности (QТ) через одежду. Теплота может передаваться только от тела с более высокой температурой к телу с менее высокой температурой. Интенсивность отдачи теплоты зависит от разности температур тел (в нашем случае - это температура тела человека и температура окружающих человека предметов и воздуха) и теплоизолирующих свойств одежды.
Чтобы проиллюстрировать это, можно выполнить простейший эксперимент.
Опустите в стакан с горячей водой термометр, а сам стакан поместите в емкость сначала с теплой, а затем с холодной водой. Наблюдайте за скоростью уменьшения показаний термометра в первом и во втором случае.
Понижение температуры в стакане при нахождении его в холодной воде будет происходить быстрее, чем интенсивность отдачи теплоты от горячей воды в стакане к теплой воде в емкости. Этот опыт иллюстрирует зависимость теплопередачи от разницы температур.
Регулировать теплообмен человека с окружающей средой можно за счет температуры окружающей среды и выбора одежды с различными теплоизолирующими свойствами.
Конвективного теплообмена (QК). Что это такое? Воздух, находящийся вблизи теплого предмета, нагревается. Нагретый воздух имеет меньшую плотность и, как более легкий, поднимается вверх, а его место занимает более холодный воздух окружающей среды.
Явление обмена порций воздуха за счет разности плотностей теплого и холодного воздуха называется естественной конвекцией.
Если теплый предмет обдувать холодным воздухом, то процесс замены более теплых слоев воздуха у предмета на более холодные ускоряется. В этом случае у нагретого предмета будет находиться более холодный воздух, разность температур между нагретым предметом и окружающим воздухом будет больше, и, как мы уже выяснили раньше, интенсивность отдачи тепла от предмета окружающему воздуху возрастет. Это явление называется вынужденной конвекцией.
Например: иллюстрирующим явление вынужденной конвекции, является то, что при одинаковой температуре воздуха в ветреную погоду человек воспринимает климатические условия как более холодные, т.к. отдача тепла от его организма более интенсивная.
Таким образом, регулировать теплообмен между человеком и окружающей средой можно изменением скорости движения воздуха.
- - излучения (QИЗ) на окружающие поверхности. Тепловая энергия, превращаясь на поверхности горячего тела в лучистую (электромагнитную волну) - инфракрасное излучение, передается на другую - холодную - поверхность, где вновь превращается в тепловую. Лучистый поток тем больше, чем больше разница температур человека и окружающих предметов. Причем лучистый поток может исходить от человека, если температура окружающих предметов ниже температуры человека и наоборот, если окружающие предметы более нагреты.
- - испарения (QИСП) влаги с поверхности кожи. Если человек потеет, на его коже появляются капельки воды, которые испаряются, и вода из жидкого состояния переходит в парообразное. Этот процесс сопровождается затратами энергии (QИСП) на испарение и в результате охлаждением организма.
От чего же зависит интенсивность испарения, а, следовательно, и величина отдачи тепла от организма окружающей среде?
Во-первых, от температуры окружающей среды - чем выше температура, тем выше интенсивность испарения; во-вторых, от влажности воздуха - чем выше влажность, тем меньше интенсивность испарения. Для каждой температуры воздуха характерно максимальное количество воды, которое может находиться в единице объема воздуха в парообразном состоянии.
Проиллюстрировать это явление поможет простейший эксперимент. Налить в небольшую бутылку воды, опустить в нее термометр, обернуть бутылку мокрой тряпкой и поставить ее на солнце. Следить за показаниями термометра. Температура воды в бутылке начнет понижаться.
Если бутылка не будет завернута в мокрую тряпку, температура будет повышаться. Это говорит о том, что тепловая энергия расходуется на испарение воды из тряпки.
Этим простейшим приемом можно пользоваться в том случае, если в жаркую погоду захочется попить охлажденной воды. Охлаждением за счет испарения объясняется также то, что в жаркую солнечную погоду не рекомендуется поливать растения, особенно чувствительные к температуре. За счет интенсивного испарения вегетативные части растений могут охладиться до недопустимых температур.
Обычно влажность воздуха измеряют величиной относительной влажности (?), выраженной в процентах. Например, относительная влажность? = 70% означает, что в воздухе воды в парообразном состоянии находится 70% от максимально возможного количества. Относительная влажность 100% означает, что воздух насыщен водяными парами и в такой среде испарение происходить не может.
Интенсивность испарения возрастает при увеличении скорости движения воздуха. Это объясняется теми же причинами, что и увеличение теплообмена при вынужденной конвекции. Слои воздуха, находящиеся вблизи тела человека и насыщенные водяными парами, за счет движения воздуха удаляются и заменяются более сухими порциями воздуха, при этом возрастает интенсивность испарения.
Нагрева выдыхаемого воздуха (QB). В процессе дыхания воздух окружающей среды, попадая в легкие человека, нагревается и одновременно насыщается водяными парами. Таким образом, теплота выводится из организма человека с выдыхаемым воздухом (QB).
Таким образом, теплообмен между человеком и окружающей средой осуществляется за счет теплопроводности (QT), конвективного теплообмена (Qк), излучения (Qиз), испарения (QИСП), нагрева выдыхаемого воздуха (QB), т.е.:
Qобщ = QТ + QК + QИЗ + QИСП + QB - уравнение теплового баланса
Вклад перечисленных выше путей передачи тепла непостоянен и зависит от параметров микроклимата в производственном помещении, а также от температуры окружающих человека поверхностей. Если t этих поверхностей ниже t человеческого тела, то теплообмен излучением идет от организма человека к холодным поверхностям. В противном случае теплообмен осуществляется в обратном направлении: от нагретых поверхностей к человеку. Теплоотдача конвекцией зависит от t воздуха в помещении и скорости его движения на рабочем месте, а отдача теплоты путем испарения - от относительной влажности и скорости движения воздуха.
Установлено, что обмен веществ в организме человека оптимален и, соответственно, его работоспособность высока, если составляющие процесса теплоотдачи находятся примерно в следующих пределах:
QK+ QT ? 30%; QИЗ? 45%; QИС?20%; QВ?5%.
Такой баланс составляющих теплоотдачи характеризует отсутствие напряженности системы терморегуляции человека.
Направление тепловых потоков QT, QK, Qиз может быть от человека к окружающим человека воздуху и предметам и наоборот, в зависимости от того, что выше - температура тела человека или окружающего воздуха и окружающих его тел (рис. 1.).
Рис. 1. Схема направления тепловых потоков: QB - выдыхание теплового воздуха; QИ - испарение; Qиз - излучение; QK - конвективный теплообмен; QT - теплопроводность
Тепловыделения организма человека определяются прежде всего величиной мышечной нагрузки при деятельности человека, а теплоотдача -температурой окружающего воздуха и предметов, скоростью движения и относительной влажностью воздуха.
Течение химических реакций в организме человека соответствует норме при температуре его тела в пределах 36-37 ° C. Именно ее наш организм поддерживает без каких-либо дополнительных усилий, если воздух, который нас окружает, нагретый до 20 ° С. Неслучайно такую температуру воздуха называют комфортной — мы даже не чувствуем ее.
На читайте похожие рефераты по теме:
Однако температура среды изменяется в широких пределах. В жару мы должны «свариться в собственном соку», а снижение температуры на 10-15 ° С должно привести к переохлаждению организма и замедления в нем реакций метаболизма. Но даже во время значительных колебаний температуры среды наш организм в течение определенного времени удерживает собственную температуру постоянной.
Организм человека , как и все физические тела, обменивается со средой тепловой энергией. Если температура среды ниже температуры физического тела, тело отдает тепло, т.е. охлаждается. Если температура среды выше, любое тело получает тепло и имеет нагреваться. Так, камень будет охлаждаться или нагреваться, пока его температура не сравняется с температурой воздуха вокруг него. Другое дело — организм человека: только он оценит изменения температуры среды как угрожающие для себя, его теплообмен меняется. Так, чтобы предотвратить перегрев, организм увеличивает теплоотдачу, а с понижением температуры среды — уменьшает.
Для поддержания постоянства собственной температуры организм регулирует и продукцию тепла. Он уменьшает ее, чтобы зря не подогревать себя при высокой температуре воздуха, а при ее снижении увеличивает теплопродукции. В какие способы организм сохраняет оптимальное соотношение между теплоотдачей и производством тепла?
Теплообмен и теплопродукция
Теплообмен между организмом и средой осуществляется несколькими способами. Организм теряет тепло, излучая инфракрасные электромагнитные волны, а под их влиянием нагревается. Тепловая энергия теряется организмом и поступает в него в результате теплопроводности. Такой теплообмен происходит в условиях контакта с менее или более нагретыми телами, в частности воздухом. Увеличивает теплоотдачу движение воздуха, окружающего организм, а также потеря тепла из-за испарения воды с поверхности кожи.
Источником тепла в организме являются реакции расщепления жиров и углеводов, протекающих с выделением тепловой энергии. Они происходят во всех органах тела человека, но их интенсивность зависит от функции органа. «Самыми горячими» среди внутренних органов является печень и толстая кишка. Поставщиками тепла является скелетные мышцы, но только во время интенсивной работы. Меньше тепла производится в кистях рук и стопах ног — недаром они холоднее другие части тела.
Основным переносчиком тепла в организме является имеет высокую теплоемкость . Циркулируя кровеносной системой, она нагревается в «горячих» органах и переносит тепло к тем, что разогретые меньше. Терморегуляция. Что происходит, когда изменения температуры среды угрожают постоянства температуры самого организма?
В мороз потери тепла через открытые участки кожи и дыхательные пути очень большие. Вы рискуете замерзнуть, и организм усиливает теплопродукции и снижает теплоотдачу. Терморецепторы кожи (нейроны, способные воспринимать изменения температуры) регистрируют ее опасное снижение и посылают сигналы в головной мозг, в центр терморегуляции. В нем информация обрабатывается: возникают нервные импульсы, которые направляются к скелетным мышцам и вызывают их быстрое беспорядочное сокращение и расслабление. Дрожь мышц в несколько раз увеличивает теплопродукции. Усиливают теплопродукции и движения: притопа, подпрыгивания и т.д..
Чтобы при теплопродукции не было бесполезным, организм одновременно снижает теплоотдачу. Он ограничивает поступление теплоносителя (крови) к дерме, через которую происходит теплообмен. Сосуды кожи сужаются, и количество крови в них уменьшается. Это улучшает теплоизоляционные свойства кожи и, как следствие, уменьшает теплоотдачу.
Как реагирует организм на угрозу перегрева, возникающего во время жары? Чтобы уменьшить теплопродукции, он прибегает к угнетению активности — вспомните, как вам трудно двигаться и даже думать в жару. Увеличение теплоотдачи происходит прежде всего за счет испарения пота с поверхности кожи. Нейроны, чувствительные к изменениям температуры, сигнализируют головном мозге об опасности перегрева, и он направляет импульсы к потовых желез. Выделение пота растет, его количество может достигать 10 л. в сутки. За счет испарения пота организм за час может отдать тепла столько, сколько отдает за день, находясь в комфортных условиях. Значительно увеличивается теплоотдача и вследствие усиления кровотока в коже: чем больше крови поступает к поверхности тела, тем больше тепла отдается.