Теплообразование и температура человека

Нормальная жизнедеятельность человека может осуществляться только при определенных метеорологических условиях: давлении Р, температуре ί, относительной влажности φ и скорости движения окружающего воздуха W. Эти параметры влияют на интенсивность тепломассообмена тела человека с окружающей средой, в процессе которого отводится вырабатываемая организмом теплота Qвыр, а температура тела поддерживается на определенном уровне, обеспечивающим нормальное протекание обменных реакций в организме человека. Для человека температурный оптимум близок к температуре тела, составляющей около +37°С, под которой понимают температуру его внутренних органов. Ее величина достаточно стабильна и лишь незначительно изменяется с течением суток и с возрастом. Максимальная величина температуры тела (37,0–37,ГС) наблюдается в 16–18 часов, минимальная – (36,0–36,2°С) наблюдается около 3–4 часов. У пожилых людей температура тела снижается до 35,0–36,0°С.

Действие охлаждающего микроклимата на человека зависит от многих условий, среди которых необходимо отметить температуру, влажность и скорость движения воздуха, а также теплозащитные свойства одежды.

Наибольшую опасность представляет общее переохлаждение тела человека. Нарушение сердечной деятельности возникает при температуре тела около 30°С (аритмия, трепетание предсердий), а в дальнейшем сопровождается остановкой дыхания.

Жизнедеятельность организма человека возможна лишь при температуре тела не ниже +25°С и не выше +43°С.

Значительная часть энергии, высвобождающейся при окислительно-восстановительном распаде нищи, трансформируется в теплоту, но основное количество теплоты (от 65 до 70%) вырабатывается в мышцах тела человека. При интенсивной мышечной работе количество выделяемой в мышцах теплоты повышается до 90% от общей теплопродукции тела человека. Теплопродукция организма зависит не только от интенсивности мышечной работы, но также и от температуры окружающей среды (табл. 2.1).

В поверхностном слое тела толщиной примерно 2,5 см происходит снижение температуры тканей, вызванное поте-

Таблица 2.1

Количество теплоты, выделяющейся в теле человека при различных физических нагрузках и температуре воздуха в помещении, Вт

рей теплоты в окружающую среду. Поэтому температура кожи несколько ниже температуры внутренних органов. Так, температура кожи лба колеблется в диапазоне 32,5–34°С, груди 31–33,5°С, кистей рук – 28,5°С, пальцев стопы – 24,4°С. Наибольшее значение температуры кожи наблюдается в подмышечной впадине – 36,5–Зб,9°С. Эту температуру чаще всего и используют для оценки теплового состояния организма человека.

Выделение теплоты в теле человека вызывает нагрев его тканей. Так, количество теплоты, выделяющейся в организме человека, находящегося в состоянии покоя, достаточно для нагрева его тела в течение одного часа на 1,2°С, а при выполнении им работы средней тяжести – почти на 3°С. Однако этому препятствует отвод вырабатываемой теплоты в окружающую среду.

Теплообмен тела человека с окружающей средой осуществляется через кожные покровы, а также в процессе дыхания за счет нагрева вдыхаемого в легкие воздуха и испарения воды с их поверхности. При этом организм использует все существующие в природе механизмы теплообмена: теплоизлучающий, теплопроводный, конвективный и транспирационный (посредством испарения влаги). Поэтому количество отводимой в окружающую среду теплоты можно представить в виде суммы:

где – количество теплоты, отводимой за счет конвекции, теплопроводности, теплового излучения, испарения пота и дыхания соответственно, Вт.

Конвективный теплообмен определяется законом Ньютона:

где – коэффициент теплоотдачи конвекцией, при нормальной температуреВт/м2*°С; – температура кожи тела человека (зимой среднее значение температуры кожи около 27,7°С, летом около 31,5°С); – температура окружающей воздушной среды, °С; F3 – площадь эффективной поверхности тела человека (для практических расчетов эту площадь принимают равной 1,8 м2).

Значение коэффициента теплоотдачи конвекцией можно приближенно определять как

где – коэффициент теплопроводности пограничного слоя воздуха, Вт/(м °С) (при нормальной температуре воздуха Вт/(м*°С));– толщина пограничного слоя воздуха, м.

Толщина пограничного слоя воздуха зависит от скорости движения воздуха. Так, при отсутствии движения воздуха мм, а при скорости движения воздуха 2 м/с толщина пограничного слоя уменьшается до 1 мм.

Таким образом, интенсивность и направление конвективного теплообмена тела человека с окружающей средой определяются в основном температурой и подвижностью окружающего воздуха, т.е.:

Передачу теплоты теплопроводностью можно описать уравнением Фурье:

где – коэффициент теплопроводности тканей одежды человека, Вт/м • °С;– толщина одежды человека.

Теплоизлучающий теплообмен описывается обобщенным законом Стефана – Больцмана:

где – приведенный коэффициент излучения, для практических расчетов Вт/(м2•К4);– площадь поверхности, излучающей лучистый поток, м2; – коэффициент облучаемости, зависящий от расположения и размеров поверхностей и показывающий долю лучистого потока, излучаемого поверхностью пламени (на практике применяется равным единице); – средняя температура кожи, К; – средняя температура окружающих поверхностей, К.

Количество теплоты, отдаваемое телом человека в окружающую среду при испарении пота, определяется уравнением

где – масса испарившегося пота, г/с; – скрытая теплота испарения нота, Дж/г (для воды Дж/г).

Количество пота, выделяемого телом человека, приведено в табл. 2.2.

Испарение пота с поверхности кожи происходит только в том случае,если относительная влажность окружающего воздуха . С уменьшением величины относитель-

Таблица 2.2

Количество пота, выделяемого телом человека при различных физических нагрузках и температуре воздуха в помещении, г/ч

ной влажности воздуха и с ростом скорости движения воздуха интенсивность испарения пота возрастает.

Таким образом, количество теплоты, отдаваемой телом окружающему воздуху в процессе испарения пота, зависит от температуры, его относительной влажности φ и скорости движения XV.

В процессе дыхания окружающий воздух, попадая в легкие человека, нагревается и одновременно насыщается водяными парами. В технических расчетах можно принять, что выдыхаемый воздух имеет температуру 37°С. Количество теплоты, расходуемой на нагревание вдыхаемого воздуха, определяется по формуле

где – объем воздуха, вдыхаемого человеком в единицу времени, “легочная вентиляция”, м3/с; – плотность вдыхаемого воздуха, кг/м3; Ср – удельная теплоемкость вдыхаемого воздуха, кДж/(кг • °С); – температура выдыхаемого воздуха, °С; – температура вдыхаемого воздуха, °С.

Объем легочной вентиляции определяется как произведение объема воздуха, вдыхаемого за один вдох, на частоту дыхания. Частота дыхания человека непостоянна и зависит от состояния организма и физической нагрузки. В состоянии покоя она составляет 12–15 вдохов-выдохов в минуту, а при тяжелой физической нагрузке 20–25. Полный объем легких человека составляет 4–4,5 л, однако в процессе жизнедеятельности он используется не полностью, так как это требует больших затрат энергии на работу грудных мышц. В состоянии покоя объем вдыхаемого воздуха составляет около 0,5 л, а при выполнении тяжелой работы он увеличивается до 1,5-1,8 л.

Вклад каждого из описанных механизмов теплообмена в процесс теплоотдачи от тела человека в окружающую среду зависит от метеорологических условий и интенсивности выполняемой работы. Так, в состоянии покоя при температуре 20°С на долю излучения приходится 50–65% теплоотдачи, на испарение пота – 20–25%, конвекцию – 15%, дыхание – 5%. При изменении температуры, относительной влажности и скорости движения окружающего воздуха это соотношение меняется (рис. 2.1).

Нормальное тепловое состояние организма человека, называемое тепловым комфортом, наблюдается при условии, когда вся вырабатываемая организмом теплота передается телом окружающей среде , т.е. выполняется равенство

Нарушение этого равенства вызывает изменение теплового ощущения человека. При теплота накапливается в теле, его температура повышается и человеку становится жарко, при возникает дефицит теплоты в теле человека, его температура падает, что ощущается как холод.

Влияние параметров микроклимата на самочувствие человека. Параметры микроклимата оказывают непосредственное влияние на тепловое самочувствие человека и его работоспособность. Например, понижение температуры и повышение скорости движения воздуха способствуют усиле-

Рис. 2.1. Показатели выделения теплоты телом человека, находящегося в спокойном состоянии, в зависимости от температуры окружающей среды:

1 – теплота, выделяемая при испарении; 2 – теплота, выделяемая путем конвекции; 3 – теплота, выделяемая излучением

нию конвективного теплообмена и процесса теплоотдачи при испарении пота, что может привести к переохлаждению организма.

При повышении температуры воздуха возникают обратные явления. Установлено, что при температуре свыше 25°С работоспособность человека начинает снижаться (рис. 2.2).

Для человека определены максимальные значения допустимой температуры в зависимости от длительности их воздействия и используемых средств защиты. Переносимость организмом человека высоких температур зависит от влажности и скорости движения воздуха.

Высокая влажность воздуха уменьшает скорость испарения пота, что ухудшает теплосъем с поверхности кожи и ведет к перегреву тела человека. Особенно неблагоприятное воздействие на тепловое самочувствие человека оказывает высокая влажность воздуха при toc > 30°С, когда практически вся теплота, вырабатываемая в теле человека, отдается в окружающую среду за счет испарения пота.

Интенсивное потовыделение при высоких температурах приводит к обезвоживанию организма. Обезвоживание на 6% влечет за собой нарушение умственной деятельности, снижение остроты зрения, обезвоживание на 15–20% приводит к смертельному исходу.

Вместе с потом организм теряет значительное количество минеральных солей, микроэлементов и водорастворимых витаминов (С, В1, В2). При неблагоприятных условиях потери жидкости организмом человека могут достигать 8–10 л за смену. При этом потери соли NaCl (ее концентрация в поте составляет 0,3-0,6%) достигают 40 г, что составляет

Рис. 2.2. Зависимость производительности труда от изменения температуры окружающей среды

почти 30% ее общего количества в организме человека. Потери соли крайне опасны для организма.

Длительное воздействие высокой температуры особенно в сочетании с повышенной влажностью может привести к значительному накоплению теплоты в организме и развитию его перегревания выше допустимого уровня – гипертермии – состоянию, при котором температура тела поднимается до 38–39°С. При гипертермии и, как следствие, тепловом ударе наблюдается головная боль, головокружение, общая слабость, искажение цветового восприятия, сухость во рту, тошнота, рвота, обильное потовыделение, пульс и дыхание учащены. При этом наблюдается бледность, синюшность, зрачки расширены, временами возникают судороги, потеря сознания.

Предельная температура вдыхаемого воздуха, при которой человек в состоянии дышать в течение нескольких минут без специальных средств защиты, составляет около 11б°С.