Уравнение теплового баланса для организма человека

Уравнение теплового баланса для организма человека

Московский энергетический институт (ТУ)

Кафедра инженерной экологии и охраны труда

Учебно-методический комплекс

Справки по телефону: 362-71-32; e-mail: NovikovSG@mpei.ru доцент Новиков С.Г.

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:

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 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.

Тепловой баланс организма с окружающей средой. Терморегуляция. Гигиеническая оценка теплового состояния человека

Теплообмен человека с окружающей средой осуществляется на основе известных теплофизических законов. Основным из них является закон теплового баланса: постоян­ство температуры тела может быть достигнуто только при усло­вии равенства между количеством тепла, образующегося в орга­низме и поступившего извне (Qтпр) и количеством отдаваемого тепла. Отдача тепла осуществляется конвекцией (Qк), проведением (Qп), излучением (Qрад) и испарением (Qисп). Отсюда вытекает уравнение теплового баланса: Qтпр=Qк+Qп+Qрад+Qисп

Конвекция -отдача тепла движущейся кровью или движущимся воздухом. Тепло­обмен проведением может осуществляться через подошвы обуви, сидения, рукоятки и, наконец, через одежду у человека, лежа­щего па полу, па земле и других поверхностях. Контактное охлаждение может быть очень значительным и вызывать как местное, так н общее переохлаждение. Особенно опасно длитель­ное пребывание в положении лежа на сырой холодной земле, на снегу, что имеет место у военнослужащих, находящихся в око­пах, а также при ремонте боевых и транспортных машин, при вы­полнении строительных работ. Для профилактики кон­тактного переохлаждения следует пользоваться теплоизолирующими покрытиями и переносными подстилками (матами).

На основании приведенного уравнения устанавливаются пара­метры внешней среды, при которых еще возможно сохранение теплового равновесия и границы выживания (временная характе­ристика), определяющие режим труда в экстремальных темпе­ратурных условиях. Проводятся мероприятия по предупрежде­нию холодовых и тепловых поражений. Для этого необходимы сведения об интенсивности теплообразования, с одной стороны, и сведения об условиях теплоотдачи и ее величинах, зависящих от качества одежды (Код) и возможных пределов изменения ее тепловых свойств, а также от теплового состояния внешней среды и колебаний ее основных параметров — с другой.

Одним из результатов физико-химических (биохимических) реакций, непрерывно протекающих в организме человека, яв­ляется образование тепла. Известно, что даже в состоянии полного покоя оно составляет около 75—80 ккал/ч. Существенное влия­ние па теплопродукцию оказывает эмоциональное состояние:

в предрабочие и предстартовые периоды она усиливается на 100— 150%. Определенное значение имеет характер питания (см. главу «Гигиена питания»).

Тепловое состояние среды и организма может оказывать воздействие на уровень общего и основного обмена. Холод по­вышает обмен на 30—35%, под влиянием тепла, исключая случаи перегревания, обмен понижается па 10—15% и более. Изменение обмена может быть и более выраженным, все зависит от продол­жительности акклиматизации.

Для процессов теплообразования большое значение имеют также возраст, пол и др. Но наиболее существенное влияние на интенсивность теплопродукции оказывает физическая работа. В зависимости от тяжести ее за короткие сроки генерация тепла может возрасти в десятки раз. Следовательно, только изменяя тяжесть физической работы и учитывая направленность действия других факторов, можно заметно повлиять на тепловой баланс: при угрозе переохлаждения — путем усиления выработки тепла, при опасности перегревания — ее уменьшением.

Регуляция теплообразования. Процесс поддержания теплового равновесия организма путем изменения суммы образующегося в теле тепла получил наименование «химической терморегуля­ции». Регулирование теплопродукции совершается рефлекторно из особого теплового центра, расположенного в гипоталамической области (область серого бугра), и осуществляется при помощи нервной и эндокринной систем.

Установление определенного уровня терморегуляции и наи­более тонкое, точное уравновешивание организма с внешней средой протекает под контролем коры головного мозга. При низ­кой температуре среды отмечается возбуждение центральной нервной системы и увеличение теплообразования, главным об­разом, вследствие непроизвольного сокращения многих мышеч­ных групп (дрожь). При этом все 100% расходуемой энергии превращаются в тепло. Под влиянием симпатической нервной системы повышается обмен веществ в печени и других органах. Импульсы из теплового центра идут также к надпочечникам и вызывают секрецию адреналина; усиливается функция щито­видной железы.При высокой температуре наблюдается снижение обмена и уменьшение теплообразования.

Регуляция теплоотдачи. В регулировании теплоотдачи боль­шую роль играют кожа н ее придатки. Подкожный жир имеет ограниченное значение для человека.

Наиболее совершенными механизмами регулирования тепло­отдачи являются вазомоторная реакция и усиление функции потовых желез. И тот и другой механизм регулируются нейро-гуморальным путем. При высоких температурах может произойти значительное увеличение теплоотдачи вследствие повышения температуры кожи, обусловленного расширением периферических сосудов, перераспределением крови и ускорением кровотока.

При низких температурах происходит сужение сосудов, и по­теря тепла может существенно уменьшаться. Этому способствует усиление секреции адреналина, обладающего, как известно, сосудосуживающим эффектом. Кроме того, под влиянием холода происходит сокращение гладкой мускулатуры кожи, вытеснение депонированной в ной воды, благодаря чему уменьшается ее тепло­проводность, а следовательно, и теплоотдача проведением от вну­тренних частей тела к периферии.

В результате акклиматизации сосудистая реакция па охла­ждение становится более быстрой и адекватной.

Теплоотдача за счет испарения пота регулируется вегетатив­ной нервной системой. При охлаждении наблюдается полное прекращение функции потовых желез; в условиях затрудненной теплоотдачи пли при тяжелой работе происходит включение этого важного и эффективного механизма.

Несмотря на то, что у человека, в отличие от животных, регу­лирование температуры тела достигло большого совершенства, все же поддержание постоянной температуры тела при помощи рассмотренных выше механизмов возможно в сравнительно узких пределах колебаний теплового состояния внешней среды. При рез­ком охлаждении или, наоборот, крайнем затруднении теплоот­дачи человеку приходится прибегать к искусственным средствам сохранения теплового баланса (одежда, жилище).

Оптимальное тепловое состояние организма характеризуется комфортными теплоощущениями, отсутствием напряжения физических механизмов терморегуляции, сохранением высокого уровня работоспособности и здоровья Допустимое тепловое состояние сопряжено с умеренным напряжением физиологических механизмов терморегуляции, появлением дискомфортных теплоощущений, возможным снижением работоспособности, отсутствием нарушений состояния здоровья Предельное тепловое состояние проявляется в резком напряжении механизмов терморегуляции, не обеспечивающем однако стабилизации теплового баланса организма. Вследствие этого происходитнепрерывное нарастание (снижение) его теплосодержания и резкоеснижение работоспособности.

Уравнение теплового баланса для организма человека

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.