Зависимость выдыхаемого воздуха от температуры вдыхаемого

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВОГО ОБМЕНА ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ

Теплопродукция организма человека и органы

Теплообразования

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

Организм человека - это саморегулирующая система, физиологический механизм которой с целью поддержания постоянной температуры тела направлен на обеспечение соответствия количества образованного тепла (теплопродукция) количеству тепла, отданного во внешнюю среду (теплоотдача) [1]. В нормальных условиях теплопродукция равна теплоотдаче.

Теплообразование в организме человека происходит вследствие непрерывно совершающихся экзотермических реакций. Эти реакции протекают во всех органах и тканях, но неодинаково интенсивно. В тканях и органах, производящих активную работу (в мышечной ткани, печени, почках), выделяется большее количество тепла, чем в менее активных (соединительной ткани, костях, хрящах) [3].

Потеря тепла органами зависит в большой степени от их месторасположения: поверхностно расположенные органы, например, кожа, скелетные мышцы, отдают больше тепла и охлаждаются сильнее, чем внутренние органы, более защищенные от охлаждения.

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

Теплота в организме человека вырабатывается в результате энергетических превращений в живых клетках. Теплообразование связано:

- 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. Часть энергии, образующейся в организме при выполнении физической работы, расходуется на внешнюю работу. Основная же часть переходит в тепловую Q_Т.П. [5].

Внутренняя температура тела (ядра) постоянна благодаря регулированию интенсивности теплопродукции и теплоотдачи в зависимости от температуры внешней среды. О температуре тела человека обычно судят на основании ее измерения в подмышечной впадине. Здесь температура у здорового человека равна 36,5–36,9 ^оС. Часто измеряют температуру в прямой кишке, где она выше, чем в подмышечной впадине, и равна у здорового человека в среднем 37,2–37,5 ^оС.

Температура тела не остается постоянной, а колеблется в течение суток в пределах 0,5–0,7 ^оС. Покой и сон понижают температуру, мышечная деятельность повышает ее. Максимальная температура тела наблюдается в 16–18 часов, минимальная – в 3–4 часа утра. У рабочих, длительно работающих в ночных сменах, колебания температуры могут быть обратным указанным выше [3].

Температура кожи человека при воздействии внешних условий изменяется в относительно широких пределах.

Условием комфорта является тепловое равновесие организма человека и окружающей среды. Факторами, влияющими на состояние теплового равновесия организма, являются:

- температура окружающей среды (стен и поверхностей, окружающих предметов);

- температура, скорость движения, влажность воздуха;

- характер одежды;

- величина теплопродукции человека.

Величина теплопродукции зависит от возраста, пола человека, его питания, мышечной деятельности др.

Основным (стандартным) обменом (ОО) организма человека называют количество энергии, расходуемое организмом человека при полном мышечном покое, до приема пищи при температуре внешней среды, соответствующей минимальной активности механизма терморегуляции. Основной обмен зависит от функционального состояния человека, пола, возраста, веса и вычисляется в калориях на единицу веса или единицу поверхности тела.

Для взрослого человека среднее значение величины ОО равно 1 ккал/кг/час. Отсюда для взрослого мужчины массой 70 кг величина энергозатрат ОО составляет около 1700 ккал/сутки, для женщин – около 1500 ккал/сутки [4].

Процесс отдачи тепла организмом человека (теплоотдача) осуществляется [11]:

- радиацией (излучением) – 43 - 50 %;

- конвекцией (перемещением) – 25 - 30 %;

- испарением с поверхности кожи и легких – 23 - 29 %;

- нагрев пищи – 1 - 2 %;

- нагрев воздуха в легких – 1 – 1,5 %;

- потеря тепла с выделениями - менее 1 %.;

- кондукцией (проведением) – очень незначительная величина, т.к. коэффициент теплопроводности неподвижного воздуха очень мал.

Проведение тепла кондукцией осуществляется от поверхности тела человека к соприкасающимся с ним твердым предметам или материалам внешней среды.

Перенос тепла в этом случае происходит по закону Фурье:

,

где Q_КОНД– отдача тепла, прошедшего через стенку с площадью Sв течение времениτ,Вт;

S– площадь поверхности соприкосновения человека с предметом, м²;

t₁ –температура внутренней стенки (пакета одежды), ^оС;

t₂ -температура наружной (холодной) стороны, ^оС;

λ –коэффициент теплопроводности пакета одежды, Вт/м∙^оС;

δ –толщина пакета одежды, м.

Из представленного уравнения видно, что отдача тепла кондукцией возрастает со снижением температуры предмета, с которым человек соприкасается, с увеличением площади соприкосновения и уменьшением толщины пакета одежды.

Передача тепла конвекциейосуществляется с поверхности тела или одежды человека движущемуся около него воздуху. Для расчетов теплоотдачи конвекцией можно использовать закон Ньютона:

Q_КОНВ = α_КОНВ ^. S (t_ОД – t_В),

где α_КОНВ –коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м∙^оС), зависит от формы тела и скорости движения воздуха;

S –площадь поверхности тела, м²;

t_ОД –температура поверхности тела (одежды);

t_В –температура воздуха, ^оС.

Потери тепла конвекцией с поверхности одежды, покрывающей тело, выражается формулой

,

где S –площадь поверхности тела раздетого человека, м²;

–отношение площади поверхности тела, закрытой одеждой, к площади поверхности открытых частей тела;

α_КОНВ –коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м∙^оС);

t_ОД –температура поверхности тела человека (одежды);

t_В –температура воздуха, ^оС.

Теплоотдача радиацией – это передача тепла в форме лучистой энергии с поверхности тела человека на окружающие поверхности, имеющие более низкую температуру, или в окружающее пространство. Количество тепла, отдаваемого излучением, зависит от температуры поверхности тела (одежды), температуры окружающих тело стен и поверхностей.

Излучение человеческого тела характеризуется длиной волны от 5 до 40 мк, а кожа человека поглощает инфракрасные лучи как абсолютно черное тело.

В условиях эксплуатации одежды наблюдается практически небольшая разность температур тела и одежды. В этом случае уравнение для определения количества тепла, передаваемого радиацией, представляют в виде

Q_РАД = α_РАД· S_РАД (t₁ – t₂),

где α_РАД –коэффициент излучения (теплоотдачи радиацией), Вт/(м²∙^оС);

S_РАД –площадь поверхности тела человека, участвующая в радиационном теплообмене, м²;

t₁ -температура поверхности тела человека (одежды);

t₂ –температура поверхности окружающих тел, ^оС.

Коэффициент излучения α_РАД зависит от температуры поверхности тела человека (одежды) и температуры окружающих предметов. В радиационном теплообмене участвует не вся поверхность тела человека, т.к. некоторые части тела взаимно облучаются и не принимают участия в теплообмене. В радиационном теплообмене участвует 74-75 % площади тела человека в положении сидя и 77-85 % в положении стоя.

Площадь поверхности тела человека зависит от его роста и массы и может быть определена по графику, представленному на рисунке 1.1.

Рис.1.1. Зависимость площади поверхности тела от роста и массы тела

человека

На рисунке 1.2. показана зависимость площади поверхности тела человека, участвующей в радиационном теплообмене, от роста и массы.

Рис.1.2. Зависимость площади поверхности тела человека, участвующей

в радиационном теплообмене, от роста и массы

Потери тепла с поверхности тела одетого человека определяются по уравнению

,

где S –площадь поверхности тела раздетого человека, м²;

S_ОД -площадь поверхности тела, покрытой одеждой, м²;

S_О -площадь открытой поверхности тела, м²;

t_ОД -температура поверхности одежды, оС;

t_СР –средняя радиационная температура, ^оС.

Теплоотдача испарением осуществляется путем испарения диффузионной влаги и пота. Диффузионная влага (неощутимая перспирация) теряется с поверхности кожи человека и верхних дыхательных путей в условиях теплового комфорта и охлаждения в состоянии относительного физического покоя. В комфортных условиях (сухое охлаждение) количество пара, выделившегося с 1 м² поверхности тела человека, составляет 23 г/час, а со всей поверхности – 40-42 г/час. При этом 1/3 приходится на долю потерь тепла испарением с верхних дыхательных путей и 2/3 – с поверхности кожи.

Потери тепла испарением с верхних дыхательных путей определяют по уравнению

Q_{ИСП.ДЫХ} = 14,9 · 10^-6 · Q_Т.П. · (1880 – Р_А),

где Q_Т.П. –теплопродукция человека Вт,

Р_А –парциальное давление пара в окружающем воздухе, Па.

Скорость испарения влаги с поверхности тела зависит от:

- разности парциальных давлений пара в пограничном слое около кожи и в окружающем воздухе,

- скорости движения воздуха;

- воздухо- и паропроницаемости одежды;

- площади поверхности, увлажненной потом.

Площадь увлажненной поверхности тела может быть рассчитана по формуле

,

где Р_НАС.К – давление насыщенного пара при температуре кожи над влажными участками кожи.

Потери тепла путем испарения диффузионной влаги с поверхности кожи могут быть определены по уравнению

Q_ИСП.Д = 3,06 · 10^-3· S(256t_К – 3360 – Р_А),

где Р_А - парциальное давление пара в окружающем воздухе;

t_К –температура кожи, ^оС.

Величина потоотделения человека определяется:

- уровнем физической активности человека;

- метеорологическими условиями;

- степенью соответствия одежды условиям эксплуатации.

Максимально возможные потери тепла испарением пота Qисп.п.могут быть определены по уравнению

Q_ИСП.П = 17,3 ^. (Е_Ф – е) ^. (0,5 + √v),

где Е_Ф – максимально возможное давление водяного пара при температуре кожи человека, мм рт.ст;

е – давление водяного пара в воздухе (абсолютная влажность), мм рт.ст., определяют по табличным данным в зависимости от температуры и относительной влажности воздуха.

Разницу (Еф – е)называют физиологическим дефицитом насыщения и определяют в зависимости от скорости движения воздуха и возможной величины испарения пота Р с поверхности тела человека [1].

Комфортные теплоощущения могут наблюдаться лишь при определенных соотношениях теплоотдачи испарением и теплоотдачи путем теплового потока (Q_КОНВ + Q_РАД + Q_КОНД). Комфортный уровень теплоотдачи испарением Q_ИСП.П.К,Вт, определяется из уравнения

.

Теплоотдача при дыхании составляет небольшую долю общих теплопотерь и возрастает с увеличением энергозатрат и уменьшением температуры воздуха.

Потери тепла на нагрев вдыхаемого воздуха Q_ДЫХ.Н, Вт, могут быть определены из уравнения

Q_ДЫХ.Н = 0,0012 ^. Q_Э.Т ^. (34 – t_В),

где t_В – температура окружающего воздуха_, ^оС;

34 – средняя температура выдыхаемого воздуха, ^оС.

По А.И.Бекетову температуру выдыхаемого воздуха рекомендуется принимать в зависимости от температуры вдыхаемого воздуха (табл.1.1.).

Таблица 1.1.

Зависимость выдыхаемого воздуха от температуры вдыхаемого