Основное уравнение теплового баланса организма

Терморегуляция и тепловой баланс

Выработка тепла (теплопродукция) и температура тела

Человек, как известно, относится к гомойотермным, или теплокровным, организмам. Означает ли это, что температура его тела постоянна, т.е. организм не реагирует на изменения температуры окружающей среды? Реагирует, и даже очень чутко. Постоянство температуры тела – это, собственно, и есть результат непрерывно происходящих в организме реакций, поддерживающих неизменным его тепловой баланс.

С точки зрения обменных процессов, выработка тепла – это побочный эффект химических реакций биологического окисления, в ходе которых поступающие в организм питательные вещества – жиры, белки, углеводы – претерпевают превращения, заканчивающиеся образованием воды и углекислого газа. Такие же реакции с высвобождением тепловой энергии происходят и в организмах пойкилотермных, или холоднокровных, животных, но из-за значительно более низкой их интенсивности температура тела у пойкилотермных лишь незначительно превышает температуру окружающей среды и изменяется в соответствии с последней.

Все протекающие в живом организме химические реакции зависят от температуры. И у пойкилотермных животных интенсивность процессов превращения энергии, согласно правилу Вант-Гоффа*, возрастает пропорционально внешней температуре. У гомойотермных животных эта зависимость замаскирована другими эффектами. Если гомойотермный организм охладить ниже комфортной температуры окружающей среды, интенсивность обменных процессов и, следовательно, выработка тепла у него возрастают, предотвращая понижение температуры тела. Если терморегуляцию у этих животных блокировать (например, при наркозе или повреждении определенных участков ЦНС), кривая зависимости теплопродукции от температуры будет такой же, как и для пойкилотермных организмов. Но даже в этом случае сохраняются существенные количественные различия между обменными процессами у пойкилотермных и гомойотермных животных: при данной температуре тела интенсивность обмена энергии в расчете на единицу массы тела у гомойотермных организмов по меньшей мере в 3 раза превышает интенсивность обмена у пойкилотермных организмов.

Многие животные, из тех, что не относятся к млекопитающим и птицам, способны в некоторой степени менять температуру тела при помощи «поведенческой терморегуляции» (например, рыбы могут заплывать в более теплую воду, ящерицы и змеи – принимать «солнечные ванны»). Истинно гомойотермные организмы способны использовать как поведенческие, так и автономные способы терморегуляции, в частности у них может при необходимости вырабатываться дополнительное тепло за счет активации обмена веществ, тогда как другие организмы вынуждены ориентироваться на внешние источники тепла.

Температура большинства теплокровных млекопитающих лежит в диапазоне от 36 до 40 °С, несмотря на значительные различия в размерах тела. В то же время интенсивность метаболизма (М) зависит от массы тела (m) как ее показательная функция: M = k x m 0,75 , т.е. величина М/m 0,75 одна и та же для мыши и для слона, хотя у мыши интенсивность метаболизма на 1 кг массы тела значительно больше, чем у слона. Этот так называемый закон снижения интенсивности обмена веществ в зависимости от массы тела отражает то, что теплопродукция соответствует интенсивности теплоотдачи в окружающее пространство. Для данной разницы температур между внутренней средой организма и окружающей средой потери тепла на единицу массы тела оказываются тем больше, чем больше соотношение между поверхностью и объемом тела, причем последнее соотношение уменьшается с увеличением размеров тела.

Температура тела и тепловой баланс

Когда для поддержания постоянства температуры тела требуется дополнительное тепло, оно может быть выработано за счет:

1) произвольной двигательной активности;
2) непроизвольной ритмической мышечной активности (дрожь, вызванная холодом);
3) ускорения обменных процессов, не связанных с сокращением мышц.

У взрослого человека дрожь – наиболее важный непроизвольный механизм термогенеза. «Недрожательный термогенез» встречается у новорожденных животных и детей, а также у мелких, адаптированных к холоду животных и у животных, впадающих в зимнюю спячку. Главным источником «недрожательного термогенеза» служит так называемый бурый жир – ткань, характеризующаяся избытком митохондрий и «мультилакулярным» распределением жира (многочисленные мелкие капельки жира, окруженные митохондриями). Эта ткань обнаруживается между лопатками, в подмышечных впадинах и в некоторых других местах.

Чтобы температура тела не изменялась, теплопродукция должна равняться теплоотдаче. По закону охлаждения Ньютона отданное телом тепло (за вычетом потерь, связанных с испарением) пропорционально разности температур между внутренней частью тела и окружающим пространством. У человека теплоотдача равна нулю при температуре окружающей среды 37 °С, а при понижении температуры она возрастает. Теплоотдача зависит также от проведения тепла внутри организма и периферического кровотока.

Термогенез, связанный с обменом веществ в условиях покоя (рис. 1), уравновешивается процессами теплоотдачи в зоне температур окружающей среды Т₂–Т₃, если кожный кровоток постепенно уменьшается по мере снижения температуры от Т₃ до Т₂. При температуре ниже Т₂ постоянство температуры тела может поддерживаться только при усилении термогенеза пропорционально потерям тепла. Наибольшая выработка тепла, обеспечиваемая этими механизмами, у человека соответствует уровню метаболизма, в 3–5 раз превышающему интенсивность основного обмена, и характеризует нижнюю границу диапазона терморегуляции T₁. В случае выхода за эту границу развивается гипотермия, которая может привести к смерти от переохлаждения.

При температуре окружающей среды выше Т₃ температурное равновесие могло бы сохраняться за счет ослабления интенсивности обменных процессов. На самом деле, температурный баланс устанавливается за счет дополнительного механизма теплоотдачи – испарения выделяющегося пота. Температура Т₄ соответствует верхней границе диапазона терморегуляции, которая определяется максимальной интенсивностью выделения пота. При температуре среды выше Т₄ возникает гипертермия, которая может привести к смерти от перегрева. Температурный диапазон Т₂–Т₃, в пределах которого температура организма может поддерживаться на постоянном уровне без участия дополнительных механизмов теплопродукции или потоотделения, называется термонейтральной зоной. В этом диапазоне интенсивность метаболизма и теплопродукция по определению минимальны.

Температура тела человека

Тепло, вырабатываемое организмом в норме (т.е. в условиях равновесия), отдается в окружающее пространство поверхностью тела, поэтому температура частей тела вблизи его поверхности должна быть ниже температуры его центральных частей. В связи с неправильностью геометрических форм тела распределение температуры в нем описывается сложной функцией. Например, когда легко одетый взрослый человек находится в помещении с температурой воздуха 20 °С, температура глубокой мышечной части бедра составляет 35 °С, глубоких слоев икроножной мышцы 33 °С, в центре стопы температура составляет лишь 27–28 °С, а ректальная температура равна примерно 37 °С. Колебания температуры тела, вызванные изменениями внешней температуры, наиболее выражены вблизи поверхности тела и на концах конечностей (рис. 2).

Рис. 2. Температура различных областей тела человека в условиях холода (А) и тепла (Б)

Внутренняя температура тела сама по себе не является постоянной ни в пространственном, ни во временном отношении. В термонейтральных условиях различия температур во внутренних областях тела составляют 0,2–1,2 °С; даже в головном мозге разница температур между центральной и наружной частями достигает более 1 °С. Наиболее высокая температура отмечается в прямой кишке, а не в печени, как считалось раньше. На практике обычно представляют интерес изменения температуры во времени, поэтому ее измеряют на каком-либо одном определенном участке.

Для клинических целей предпочтительнее измерять ректальную температуру (термометр вводят через анальное отверстие в прямую кишку на стандартную глубину 10–15 см). Оральная, точнее подъязычная, температура обычно на 0,2–0,5 °С ниже ректальной. На нее влияет температура вдыхаемого воздуха, пищи и питья.

При исследованиях в спортивной медицине часто измеряют пищеводную температуру (над входом в желудок), которую регистрируют с помощью гибких термодатчиков. Такие измерения отражают изменения температуры тела быстрее, чем регистрация ректальной температуры.

Подмышечная температура также может служить показателем внутренней температуры тела, поскольку, когда рука плотно прижата к грудной клетке, температурные градиенты смещаются так, что граница внутреннего слоя доходит до подмышечной впадины. Однако для этого необходимо некоторое время. Особенно после нахождения на холоде, когда поверхностные ткани были охлаждены и в них произошло сужение сосудов (это особенно часто бывает при простуде). В этом случае для установления теплового равновесия в этих тканях должно пройти около получаса.

В некоторых случаях внутреннюю температуру измеряют в наружном слуховом проходе. Это делают при помощи гибкого датчика, который помещают вблизи барабанной перепонки и предохраняют от внешних температурных влияний при помощи ватного тампона.

Обычно для определения температуры поверхностного слоя тела измеряют температуру кожи. В этом случае измерение в одной точке дает неадекватный результат. Поэтому на практике обычно измеряют среднюю температуру кожи в области лба, груди, живота, плеча, предплечья, тыльной стороны ладони, бедра, голени и дорсальной поверхности стопы. При вычислениях учитывают площадь соответствующей поверхности тела. Найденная таким способом «средняя температура кожи» при комфортной температуре окружающей среды составляет примерно 33–34 °С.

Температура тела человека колеблется в течение дня: она минимальна в предутренние часы и максимальна (часто с двумя пиками) в дневное время (рис. 3). Амплитуда суточных колебаний составляет примерно 1 °С. У животных, активных в ночное время, температурный максимум отмечается ночью. Проще всего было бы объяснить эти факты тем, что увеличение температуры происходит в результате усиления физической активности, однако такое объяснение оказывается неверным.

Колебания температуры – один из многих суточных ритмов. Даже если исключить все ориентирующие внешние сигналы (свет, температурные изменения, часы приема пищи), температура тела

продолжает колебаться ритмически, но период колебаний в этом случае составляет от 24 до 25 ч. Таким образом, суточные колебания температуры тела основаны на эндогенном ритме («биологические часы»), обычно синхронизованном с внешними сигналами, в частности с вращением Земли. Во время путешествий, связанных с пересечением земных меридианов, обычно требуется 1–2 недели для того, чтобы температурный ритм пришел в соответствие с жизненным укладом, определяемым новым для организма местным временем.

На ритм суточных изменений температуры накладываются ритмы с более продолжительными периодами, например температурный ритм, синхронизованный с менструальным циклом.

Во время ходьбы, например, выработка тепла в 3–4 раза, а при напряженной физической работе даже в 7–10 раз выше, чем в состоянии покоя. Увеличивается она и в первые часы после приема пищи (примерно на 10–20%). Ректальная температура во время марафонского бега может достигать 39–40 °С, а в некоторых случаях – почти 41 °С. А вот средняя температура кожи снижается за счет вызванного нагрузкой потоотделения и испарения. Во время работы с субмаксимальной нагрузкой, пока происходит выделение пота, повышение внутренней температуры почти не зависит от окружающей температуры в диапазоне 15–35 °С. Обезвоживание тела приводит к подъему внутренней температуры и заметно снижает работоспособность.

Теплоотдача

Как же тепло, возникшее в недрах организма, покидает его? Частично с выделениями и с выдыхаемым воздухом, но роль главного охладителя играет кровь. Благодаря своей высокой теплоемкости кровь очень хорошо подходит для этой цели. Она забирает тепло у клеток омываемых ею тканей и органов и уносит его по кровеносным сосудам к коже и слизистым оболочкам. Здесь, в основном, и происходит отдача тепла. Поэтому оттекающая от кожи кровь примерно на 3 °С холоднее притекающей. Если организм лишить возможности удалять тепло, то всего лишь за 2 ч температура его повышается на 4 °С, а подъем температуры до 43–44 °С уже, как правило, несовместим с жизнью.

Передача тепла в конечностях до некоторой степени определяется тем, что кровоток здесь происходит по принципу противотока. Глубокие крупные сосуды конечностей располагаются параллельно, благодаря чему кровь, следующая по артериям на периферию, отдает свое тепло близлежащим венам. Таким образом, капилляры, расположенные на концах конечностей, получают предварительно охлажденную кровь, поэтому пальцы рук и ног наиболее чувствительны к пониженным температурам.

Слагаемыми теплоотдачи служат: проведение тепла Н_п, конвекция Н_к, излучение Н_изл и испарение Н_исп. Общий поток тепла определяется суммой этих компонентов:

Перенос тепла путем проведения происходит, когда тело соприкасается (в положении стоя, сидя или лежа) с плотным субстратом. Величина потока тепла определяется температурой и теплопроводностью прилежащего субстрата.

Если кожа теплее окружающего воздуха, прилегающий к ней слой воздуха нагревается, поднимается и замещается более холодным и плотным воздухом. Движущей силой этого конвективного потока служит разница между температурами тела и окружающей среды вблизи него. Чем больше движений возникает во внешнем воздухе, тем тоньше становится пограничный слой (максимальная толщина 8 мм).

Для диапазона биологических температур перенос тепла за счет излучения Н_изл может быть описан с достаточной точностью при помощи уравнения:

где T_кожи – средняя температура кожи, Т_изл – средняя температура излучения (температура окружающих поверхностей, например стен комнаты),
А – эффективная площадь поверхности тела и
h_изл – коэффициент переноса тепла за счет излучения.
Коэффициент h_изл учитывает излучающую способность кожи, которая для длинноволнового ИК-излучения равна примерно 1 независимо от пигментации, т.е. кожа излучает почти столько же энергии, сколько абсолютно черное тело.

Около 20% теплоотдачи тела человека в условиях нейтральной температуры осуществляется за счет испарения воды с поверхности кожи или со слизистых оболочек дыхательных путей. Теплоотдача путем испарения происходит даже при 100% относительной влажности окружающего воздуха. Это происходит до тех пор, пока температура кожи выше температуры окружающей среды и кожа полностью увлажнена благодаря достаточному выделению пота.

Когда температура окружающей среды превышает температуру тела, теплоотдача может осуществляться только путем испарения. Эффективность охлаждения за счет потоотделения очень высока: при испарении 1 л воды организм человека может отдать треть всего тепла, выработанного в условиях покоя за целый день.

Влияние одежды

Эффективность одежды как теплоизолятора обусловлена мельчайшими объемами воздуха в структуре плетеной ткани или в ворсе, в которых не возникают сколько-нибудь заметные конвективные потоки. В этом случае тепло переносится только путем проведения, а воздух является плохим проводником тепла.

Факторы окружающей среды и температурный комфорт

Влияние окружения на тепловой режим организма человека определяется по крайней мере четырьмя физическими факторами: температурой воздуха, влажностью, температурой излучения и скоростью движения воздуха (ветра). От этих факторов зависит, ощущает ли испытуемый «температурный комфорт», жарко ему либо холодно. Условие комфорта состоит в том, чтобы организм не нуждался в работе механизмов терморегуляции, т.е. ему не требовалось бы ни дрожи, ни выделения пота, а кровоток в периферических органах мог сохранять промежуточную скорость. Это условие соответствует упомянутой выше термонейтральной зоне.

Указанные четыре физических фактора до некоторой степени взаимозаменяемы в отношении ощущения комфорта и потребности в терморегуляции. Иными словами, ощущение холода, вызванное низкой температурой воздуха, может быть ослаблено соответствующим повышением температуры излучения. Если атмосфера кажется душной, то соответствующее ощущение может быть ослаблено путем снижения влажности или температуры воздуха. Если температура излучения низкая (холодные стены), для достижения комфорта требуется увеличение температуры воздуха.

Согласно проведенным недавно исследованиям, значение комфортной температуры для легко одетого (рубашка, трусы, длинные хлопковые брюки) сидящего испытуемого равно примерно 25–26 °С при влажности воздуха 50% и равенстве температур воздуха и стен. Соответствующее значение для обнаженного испытуемого составляет 28 °С. При этом средняя температура кожи равна примерно 34 °С. При физической, работе по мере того как испытуемый затрачивает все больше физических усилий, комфортная температура снижается. Например, для легкой кабинетной работы предпочтительная температура воздуха равна примерно 22 °С. Как ни странно, во время тяжелой физической работы комнатная температура, при которой не возникает потоотделения, ощущается как слишком низкая.

Диаграмма на рис. 4 показывает, как соотносятся значения комфортной температуры, влажности и температуры окружающего воздуха во время легкой физической работы. Каждой степени дискомфорта может быть сопоставлено одно значение температуры – эффективная температура (ЭТ). Численное значение ЭТ находят путем проецирования на ось X точки, в которой линия дискомфорта пересекает кривую, соответствующую 50% относительной влажности. Например, все комбинации значений температуры и влажности в темно-серой области (30 °С при относительной влажности 100% или 45 °С при относительной влажности 20% и т.д.) соответствуют эффективной температуре 37 °С, которая в свою очередь соответствует определенной степени дискомфорта. В диапазоне более низких температур влияние влажности оказывается меньшим (наклон линий дискомфорта более крутой), поскольку в этом случае вклад испарения в общую теплоотдачу незначителен. Дискомфорт возрастает с увеличением средней температуры и влажности кожи. Когда значения параметров, определяющие максимальную влажность кожи (100%), превышены, тепловой баланс не может больше сохраняться. Таким образом, человек способен выдерживать условия за пределами этой границы лишь в течение короткого времени; пот при этом стекает ручьями, поскольку его выделяется больше, чем может испариться. Линии дискомфорта, конечно, смещаются в зависимости от тепловой изоляции, обеспечиваемой одеждой, скорости ветра и характера физической нагрузки.

Значения комфортной температуры в воде

Вода обладает по сравнению с воздухом значительно большей теплопроводностью и теплоемкостью. Когда вода находится в движении, возникающий турбулентный поток вблизи поверхности тела отнимает тепло так быстро, что при температуре воды 10 °С даже сильное физическое напряжение не позволяет поддерживать тепловое равновесие, и возникает гипотермия. Если тело находится в полном покое, для достижения температурного комфорта температура воды должна быть 35–36 °С. В зависимости от толщины изолирующей жировой ткани нижняя предельная комфортная температура в воде колеблется от 31 до 36 °С.

* Согласно правилу Вант-Гоффа, при изменении температуры на 10 °С (в пределах от 20 до 40 °С) потребление тканями кислорода изменяется в том же направлении в 2–3 раза.

Основное уравнение теплового баланса организма

1.2. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ЧЕЛОВЕКА

Тепловой баланс достигается координацией процессов, направленных на выработку тепла в организме (теплопродукции) и его выведение — теплоотдачу. Он осуществляется аппаратом химической и физической терморегуляции человека, а также путем приспособительных действий человека, направленных на создание оптимального микроклимата, и использования одежды («поведенческая» терморегуляция).

Тепловой баланс в общем виде может быть описан уравнением

Обе части равенства, характеризующие тепловой баланс (теплообразование и теплоотдача), являются переменными, зависящими как от физиологических, так и от физических параметров.

Теплообразование в большей степени зависит от физиологических реакций, теплоотдача — от физических факторов окружающей среды, одежды. Физиологические реакции регулируют передачу тепла от внутренних тканей тела человека я поверхности кожи.

Теплообразование (теплопродукция человека) —выработка теплоты в организме в результате энергетических превращений в живых клетках; она связана с непрерывно совершающимся биохимическим синтезом белков и других органических соединений, с осмотической работой (переносом ионов), с механической работой мышц (сердечной мышцы, гладких мышц различных органов, скелетной мускулатуры). В организме человека, находящегося в состоянии относительного физического покоя, 50% теплоты образуется в органах брюшной полости (главным образом в печени), 20% в скелетных мышцах и центральной нервной системе, 10% — при работе органов дыхания и кровообращения. При выполнении физической работы, а также при выраженном охлаждении человека в покое (дрожь) значительно увеличивается доля образования теплоты в скелетных мышцах (см. рис. 1.2). Часть энергии, образующейся в организме при выполнении физической работы, расходуется на внешнюю работу [1.3]. Основная же ее часть переходит в тепловую Qт.п (теплопродукцию).

Таким образом, энергия, выделяемая в организме в виде тепла (теплопродукция) и обеспечивающая поддержание постоянного уровня температуры тела, составляет при физической работе только часть энерготрат Qа.т. В случае, когда вырабатываемая в организме человека энергия не расходуется на внешнюю механическую работу, она вся практически превращается в тепловую. Это наблюдается, например, у человека, находящегося в состоянии относительного физического покоя (лежа, сидя, стоя) и выполняющего некоторые виды физической работы (такие, как ходьба по ровной местности [1.3, 1.4]). Энергия расходуемая на выполнение внешней работы N, может быть определена из уравнения

Расход энергии в состоянии полного покоя (при расслаблении мышц, отсутствии внешних раздражителей, натощак, в комфортных микроклиматических условиях), т. е. в условиях, обеспечивающих минимальную активность механизмов терморегуляции, принято называть основным обменом. Он характеризует, то минимальное количество энергии, которое необходимо для поддержания основных жизненных процессов.

Основной обмен у здорового человека колеблется в зависимости от возраста и пола [1.3].

Таким образом, для определения теплопродукции человека, выполняющего физическую работу, необходимо знать его общие энерготраты Qэ.т, термический коэффициент полезного действия г) и основной обмен Qо, т. е.

Энерготраты и термический коэффициент полезного действия яри некоторых видах физической работы человека приведены в табл. 1.2. Данные о теплообразовании используются для определения теплопотерь человека, величина которых является основой для расчета теплового сопротивления одежды, обеспечивающей сохранение теплового баланса организма в конкретных условиях ее эксплуатации.

Особенности жизнедеятельности организмов

Киевский Государственный Университет

Технологии и Дизайна

по биомеханике на тему:

«Особенности жизнедеятельности организмов.

Приближенные тепловые расчёты одежды».

С о д е р ж а н и е

1. Особенности жизнедеятельности организмов:

1.1. Теплопродукция организма и органы теплообразования……………2

1.3. Система теплорегуляции организма (физическая и химическая)…..9

2. Уравнения теплового баланса организма с окружающей средой. Приближенные тепловые расчеты одежды………………………………10

І . Особенности жизнедеятельности организмов.

1.1. Теплопродукция организма и органы теплообразования.

Процессы жизнедеятельности человека сопровождаются непрерывным теплообразованием в его организме и отдачей образованного тепла в окружающую среду.

Организм человека – это саморегулируемая система с внутренним источником тепла, в которой в нормальных условиях теплопродукция – количество образованного тепла – равна количеству тепла, отданного во внешнею среду – теплоотдаче. Внутренняя температура тела постоянна благодаря регулированию интенсивности теплопродукции и теплоотдачи в зависимости от температуры внешней среды. А температура кожи человека при воздействии внешних условий изменяется в относительно широких пределах.

Тепловое равновесие между организмом человека и окружающей его средой – это условие комфорта; оно зависит от температуры окружающей среды: стен и поверхностей, окружающих предметов, скорости движения воздуха, влажности воздуха, характера одежды и величины теплопродукции человека. А эта величина, в свою очередь, зависит от возраста, пола человека, его питания, мышечной деятельности и других факторов. Например, с понижением температуры внешней среды, с приемом пищи и следующими за ним процессами пищеварения, при мышечной работе теплопродукция увеличиваются для достижения теплового равновесия с окружающей средой в результате усиления химических реакций обмена.

Количество энергии, расходуемое организмом человека при полном мышечном покое, до приема пищи при полном мышечном покое, до приема пищи при температуре внешней среды, соответствующей минимальной активности механизма терморегуляции, – это основной (стандартный) обмен. Основной обмен, вычисляемый в калориях на единицу веса или единицу поверхности тела, зависит от функционального состояния организма, от пола, возраста, веса. Основной обмен у лиц одинакового пола, роста, веса и возраста приблизительно одинаков и колеблется в 10-15%.

Экспериментально теплопродукцию человека обычно определяют методом калориметрии.

Тепла в организме человека (в клетках) образуется в процессе сложных биохимических реакций (окисление) биологического обмена веществ. Органом теплообразования является весь организм в целом, работающий на основе безусловно рефлекторных механизмов – в состоянии покоя и рефлекторно – при мышечной деятельности.

Теплопродукция и теплоотдача обусловлены деятельностью центральной нервной системы, регулирующей обмен веществ, кровообращение, потоотделение и деятельность скелетных мышц.

1.2. Виды теплоотдачи.

Теплоотдача – процесс отдачи тепла организмом человека осуществляется:

– дыханием и испарением пота и влаги в легких.

Некоторое количество тепла затрачивается на нагревание пищи и воды во время пищеварения, нагревание воздуха в легких.

Теплообмен человека при выполнении различных видов физической работы значительно меняется, например, значительно увеличиваются теплопотери испарением.

Теплопроводностью (кондукцией) осуществляется теплопередача от поверхности тела человека к соприкасающимся с ним твердых твердым предметам или материалам внешней среды.

Перенос тепла в этом случае происходит по Закону Фурье:

Q _конд. – отдача тепла кондукцией;

F – поверхность соприкосновения человека с предметом, м 2 ;

t₁ – температура поверхности тела, 0 С ;

t 2 – температура поверхности тела соприкосновения, 0 С ;

K – коэффициент теплопередачи, равный.

K = 1/( У [ д / б ]_ТК + У[ д / б ]_возд.) • [ккал/м 2 • ч • град], где

б – коэффициент теплопроводности, ккал/м • ч • град ;

д – толщина пакета одежды, м .

Теплопередача кондукцией через воздух составляет очень незначительную величину, так как коэффициент теплопроводности неподвижно воздуха равен 0,00083 ккал/см • сек • ч • град.

Конвекцией осуществляется передача тепла с поверхности тела или одежды человека движущемуся около него воздуху. В общем балансе теплопотерь теплопередача конвекцией составляет значительную долю (свыше 25-30%).

Для расчетов теплоотдачи конвекцией можно использовать уравнение Н.К.Витте, основанное на учете охлаждение кататермометра и установленных при этом эмпирических постоянных величин:

C ₁ = 0,10 (0,5 + √ v ) • П • (Т_В — Т_П) для v ≤ 0,6 м/сек;

C ₂ = 0,12 (0,273 + √ v ) • П • (Т_В — Т_П) для v > 0,6 м/сек, где

С₁, С₂ – теплоотдача конвекцией;

v – скорость движения воздуха, м/сек ;

П – поверхность тела человека, участвующая в теплообмене, м 2 ;

Т_в – температура воздуха, 0 С ;

Т_п – температура (средняя) поверхности кожи, 0 С .

Теплоотдача радиацией – это передача тепла в форме лучистой энергии с поверхности тела человека на окружающие поверхности, имеющее более низкую температуру, или в окружающее пространство. Количество тепла, отдаваемого излучением, зависит от температуры поверхности тела (одежды), температуры окружающих тело стен и поверхностей, их способности излучать тепло, величины площади тела и окружающих поверхностей, расстояния и взаимного расположения тела и окружающих его поверхностей. Теплоотдача излучением в состоянии покоя человека составляет 43-50% всей потери тепла.

Излучение человеческого тела характеризуется длиной волны от 5 до 40 мк с максимальной длиной волны (от 5 до 40 мк) в 9 мк, а кожа человека поглощает инфракрасные лучи как абсолютно черное тело. Количество тепла, излученного единицей поверхности тела в единицу времени, определяется по закону Стефана-Больцмана, справедливого только для абсолютно черного и серого тел:

Q _рад = C • F _изл • [(273- tn /100) 4 — (273+ t о/100) 4 ] • [ккал/ч], где

с – коэффициент взаимной радиации, ккал/м 2 • ч • град;

F _изл – излучающая поверхность тела человека, м 2 ;

t _п – температура поверхности тела и одежды, 0 С ;

t _o –температура окружающих поверхностей, 0 С .

Этот закон показывает, что интенсивность излучения резко возрастает с повышением температуры поверхности тела.

В помещении теплоотдачу радиацией определяют по формуле Н.Витте:

Q _р – теплоотдача радиацией, ккал/мин ;

П – поверхность тела человека, м 2 ;

Т _ст – температура стен;

Т _т – средневзвешенная температура тела.

В теплообмене человека конвекцией и радиацией принимает участие в среднем 75% всей поверхности тела.

Испарение с поверхности тела человека

При испарении пота у организма человека отнимается тепло, являющееся скрытой теплотой парообразования. Процесс теплоотдачи испарением с поверхности кожи и легких человека в условиях комфорта составляет 23-29% всей теплоотдачи.

Количество тепла, отдаваемого с поверхности тела испарением, определяется уравнением:

W F – часть поверхности тела, покрытая потом, м 2 ;

W – коэффициент увлажнения кожи ≈ 0,2-1;

P _К – парциальное давление водяного пара в насыщенном воздухе, мм рт.ст. над кожей;

P _B – парциальное давление водяного пара в окружающем воздухе, мм рт. ст.;

б _B – коэффициент перехода тепла во внешнюю среду при испарении пота ( ккал/м 2 • ч • мм ), для одетого человека б_B = 1,25К, где К – коэффициент теплопередачи, для неодетого б_B = 10,45 + 8,7 v , где v – скорость воздуха.

Как видно из уравнения, количество испаряющегося пота зависит от скорости движения воздуха, величины поверхности тела, покрытой потом, и от разности парциальных давлений ( P _k — P _B); которая меняется в зависимости от температуры и относительной влажности воздуха. Интенсивность выделения водяных паров с поверхности кожи человека резко возрастает и при интенсивной мышечной деятельности человека.

При приближенных расчетах считают, что количество тепла, отдаваемого с поверхности кожи испарением, в основном зависит от количества испаренной влаги и от температуры кожи.

Теплоотдача в процессе дыхания:

нагревание воздуха и испарение влаги

Количество тепла, отдаваемого телом человека на нагревание воздуха в легких, зависит от количества прошедшего воздуха и его температуры при входе и выходе. А количество тепла, отдаваемого на испарение влаги, зависит от количества воздуха, прошедшего через легкие при дыхании и от содержания влаги во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе. Оно определяется по формуле

Q = 0,001 mp , где

р – удельная теплота испарения воды, ккал/ч ;

m – количество влаги, испаренной в легких за 1ч, ккал/ч ; определяемое разностью содержания влаги во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе.

1.3. Система теплорегуляции организма (физическая и химическая)

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); а физическая – изменением температуры кожи, благодаря расширению (сужению) кожных сосудов, изменению интенсивности потоотделения и дыхания, являющихся реакцией на изменение температуры внешней среды, влажности воздуха и других факторов. Расширение сосудов кожи и увеличение количества притекающей крови ведет к усилению теплоотдачи, сужение их – к снижению ее.

Терморегуляция происходит рефлекторно благодаря раздражению температурных рецепторов кожи и слизистых оболочек, возникновению нервных импульсов, возбуждающих нервные центры.

ІІ. УРАВНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ОРГАНИЗМА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ. ПРИБЛИЖЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ ОДЕЖДЫ

Основное назначение одежды – это защита организма человека от неблагоприятных воздействий внешней среды (ветер, туман, дождь и др.) и обеспечение теплового комфорта, который является условием нормальной жизнедеятельности человека. Необходимое условие сохранения длительного теплового комфорта – поддержание теплового баланса, который достигается путем терморегуляции организма и применения требуемой для данных условий одежды с искусственно регулируемым микроклиматом пододежного воздуха, характеризующегося температурой и влажностью. Основной же показатель теплового комфорта человека – это средневзвешенная температура поверхности тела (кожи), которая приблизительно одинакова для всех видов деятельности человека (≈33 0 С – для кожи, покрытой одеждой). При этом учитывается, что пододежное пространство систематически вентилируется в связи с выделением кожи человека испарений влаги и углекислоты, которые должны удаляться.

Существуют аналитические методы теплового расчета одежды.

1) В процессе постоянного обмена веществ в организме человека в результате распада сложных химических соединений освобождается энергия. Она превращается в тепловую, электрическую и механическую энергии и обеспечивает протекание всех форм деятельности организма. Исходя из І и ІІ-го законов термодинамики энергетический баланс организма человека может быть описан уравнением:

M – энергия, вырабатываемая в организме человека (теплопродукция), ккал/час ;

Z – тепло, которое расходуется на механическую работу;

Q _рад. – потери тепла радиацией (излучение), ккал/ч ;

Q _конв. – потеря тепла теплопроводностью и конвекцией;

Q _исп. – потеря тепла испарением влаги с кожи и верхних дыхательных путей, ккал/ч ;

Q _дых. – потеря тепла на нагрев вдыхаемого воздуха, ккал/ч ;

J – адсорбция тепла радиацией, ккал/ч .

Для расчета средневзвешенной температуры определяют общую поверхность тела, равную сумме поверхностей отдельных его частей методами антропометрии. Наиболее распространенных из них – линейный метод Дюбца: поверхность тела делится на отдельные части – голову, туловище, верхние и нижние конечности, а поверхности этих частей тела производятся по формулам (определяются), выведенным на основании антропометрических измерений человека.

Соотношение поверхности частей к общей поверхности тела:

голова – 7,36% бедро – 20,3%

туловище – 35,5% голень – 12,5%

плечо и предплечье – 13,4% стопа – 6,44%

Расчет средневзвешенной величины температуры поверхности тела человека осуществляется по следующей формуле:

t _i – температура в иpмеряемой точке участка поверхности тела;

S _i – площадь поверхности данного участка тела;

S _общ. – общая площадь поверхности тела.

Для проектирования одежды важным является то, что человек может испытывать комфортные ощущение и при некотором нарушении теплового равновесия. Это результат существования «резерва» тепла организма человека, который используется им в случае охлаждения (1272 — 2448 ккал) и находится во внешних слоях тканей организма, на глубине 2-3 см от кожи. Величина его зависит от веса человека и температуры тела:

D – дефицит тепла в организме, ккал ;

C – удельная теплоемкость тела человека, равная в среднем 0,83 ккал/кг • град ;

P – вес тала человека, кг ;

t_т – температура тела в 0 С ;

t_к – температура кожи в 0 С .

Расчет радиационно-конвективных теплопотерь и требуемого теплового сопротивления одежды производится по методике ЦНИИШП с учетом величины энергозатрат человека (М), времени пребывания его в заданных метеорологических условиях (ф), температуры окружающей среды (t_B), скорости ветра (v_B) и воздухопроницаемости одежды.

1. Определяем энергию, затраченную человеком на механическую работу: Z = ( M — M _осн. ) • 10% / 100%;

2. Q _исп. =[( M + D / t )- Z ] • 20/100% • [( H + D / t ) • ( M — M _осн. )•10% / 100%] • 20/100%

3. Q _исп. = ( M + D / t ) — Z — Q _исп. — Q _дых. = Q 72М +0,028М_осн. + 0,8 D / t — Q _дых.

Зная величину радиационно-конвективных теплопотерь, можно определить плотность теплового потока с поверхности тела человека:

Общая площадь тела человека находится как зависимость площади поверхности тела человека от его роста и веса.

Суммарное тепловое сопротивление одежды определяется по формуле:

При этом ввиду того, что тепловое сопротивление одежды падает при повышении скорости ветра, необходимо установить поправку на ветер к R_сум. с учетом воздухопроницаемости материалов одежды.

2) Метод Г.Кондратьева. За критерий комфорта принята средняя температура кожи также.

Учитывая І-ый закон термодинамики, т.е. закон термодинамики – Закон сохранения энергии, тепловой баланс тела человека выражается уравнением: M = Q + Q ׀ + L + E + A , где

М – теплопродукция, ккал/ч ;

Q – теплоотдача через кожу, покрытую одеждой;

Q ׀ – теплоотдача через кожу, не покрытую одеждой;

Е – теплоотдача через дыхательные пути;

L – потеря тепла на механическую работу;

А – накопление энергии в виде теплоты в организме (внутри).

Величины Q ׀ и А незначительны, поэтому в приближенном расчете исключаются: M = Q + L + E

Величины L и Е составляют некоторые доли от М: L = хМ, Е = уМ, где х,у – правильные дроби, показывающее тепло, теряемое в результате внешней механической работы (х) и при дыхании (у).

Таким образом, получаем полное количество тепла, которое проходит сквозь одежду, т.е.

Полагая, что х≈0,20, у≈0,24 при длительной работе, получим Q=0,56М или Q=qS, где

q – удельный тепловой поток, тепловая нагрузка одежды;

S – поверхность кожи человека, м 2 ;

Для наглядности сравним данную тепловую нагрузку одежды (q) с тепловой нагрузкой, соответствующей нормальному тепловому состоянию организма (q₀), когда температура воздуха, стен, потолка равна 21 0 С, скорость воздуха 0,1 м/сек, относительная влажность воздуха 40-60%, физические усилия отсутствуют, средняя температура кожи под одеждой t₁=33 0 С, тепловое сопротивление воздуха R_По=0,14, т.е. коэффициент теплоотдачи б₀=7,15 ккал/м 2 • ч • град .

N = q / q ₀ = Q / Q ₀ – показатель тепловой нагрузки выражает, во сколько раз теплопотери кожи под одеждой при данных условиях работы организма больше теплопотери при нормальном состоянии.

Аналогично, I — R / R ₀ – показатель теплоизоляционной способности данной одежды выражает теплозащитную способность этой одежды по сравнению с той одеждой, в которую одет человек при нормальном тепловом состоянии. Чем больше І, тем теплее одежда. R₀ – тепловое сопротивление нормализованной одежды = 0,17 ч 0,18 м 2 • ч • град/ккал.

Таким образом, величина М определяется видом деятельности человека, а N = M (1 — x — y )/ Q ₀ , а при (1 — x — y )≈0,56

Для определенной обстановки работы известны t_B – температура внешней среды и б – коэффициент теплоотдачи б от поверхности одежды в окружающую среду. Следовательно, из уравнения находим І, а требуемое тепловое сопротивление одежды по формуле R=0,175 • I.

Проведенный тепловой расчет одежды относится только к установившемуся тепловому режиму организма и стационарным внешним условиям, он исключает период адаптации и относится только к длительной работе, а не к кратким усилиям (длительность исчисляется минутами).

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Р.Г.Рахимов, И.А.Дмитричева. «Гигиена одежды. Лабораторно-практические работы. Методические указания». Киев, 1980.

2. П.А.Колесников. «Теплозащитные свойства одежды». Издательство «Легкая индустрия». Москва, 1965.