23. Механизмы теплообмена между человеком и окружающей средой.
Тепловое самочувствие человека считается наилучшим, когда имеет место тепловой баланс (тепловыделения полностью отдаются окружающей среде). Тепловыделения (теплопродукция) организма человека определяется, прежде всего, величиной мышечной нагрузки при деятельности человека, а теплоотдача – температурой окружающего воздуха и предметов, скоростью движения и относительной влажностью воздуха.
В состоянии покоя организм человека (масса 70 кг, рост 170 см, поверхность тела 1,8 м²) вырабатывает до 283 КДж/час тепловой энергии. При лёгкой физической работе – более 283 КДж/час, при работе средней тяжести – до 1256 КДж/час и при тяжёлой – более 1256 КДж/час.
Пути отдачи тепла организмом:
15% тепла расходуется на нагревание пищи, вдыхаемого воздуха и испарение воды из лёгких;
45% теряется излучением;
30% — проведением (конвекция – отдача тепла при соприкосновении с воздухом, кондукция – при соприкосновении с предметами);
Интенсивность испарения зависит от:
температуры окружающей среды (чем выше температура, тем интенсивнее процесс);
влажности воздуха (чем выше влажность, тем меньше интенсивность);
скорости движения воздуха (при ветре интенсивность увеличивается).
При испарении 1г влаги организм теряет 2,43 КДж тепла. При нормальных условиях с поверхности кожи человека испаряется около 0,5 л влаги в сутки, с которыми отдаётся около 1200 КДж энергии.
Большая влажность воздуха (свыше 70%) неблагоприятно влияет на теплообмен как при высоких, так и при низких температурах. Если температура воздуха выше 30º — перегревание, т.к. затрудняется испарение. При низкой температуре – переохлаждение, т.к. усиливается отдача тепла конвекцией. Оптимальная влажность – 40 – 60%.
24. Влияние климатических условий на состояние здоровья человека и работоспособность.
Параметры микроклимата называются оптимальными, а условия комфортными, когда выделение теплоты человеком равняется его теплоотводу от человека, т.е. при наличии теплового баланса.
Длительное воздействие низкой температуры, особенно в сочетании с ветром, может привести к переохлаждению организма – гипотермии.
Симптомы: ознобления, припухлость, зуд и жжение кожи, обморожения, миозиты, радикулиты, невриты, ревматоидные заболевания. Продолжительное действие холода может вызвать смертельный исход (минимальная температура внутренних органов +25ºС).
Длительное воздействие высокой температуры, особенно в сочетании с повышенной влажностью воздуха, может привести к перегреванию организма выше допустимого предела – гипертермии (температура тела поднимается выше 38ºС). Наивысшая температура внутренних органов, которую выдерживает человек, составляет +43ºС.
тепловой удар (головная боль, слабость, головокружение, тошнота, рвота, бледность, синюшность, судороги, потеря сознания).
солнечный удар (головная боль, расстройство зрения, рвота, судороги, температура тела нормальная).
Большая влажность воздуха (свыше 70%) неблагоприятно влияет как при высоких, так и при низких температурах. Если температура воздуха выше 30º — перегревание, т.к. затрудняется испарение. При низкой температуре – переохлаждение, т.к. усиливается отдача тепла конвекцией.
При небольшой влажности, особенно при высокой температуре воздуха – пересыхание, растрескивание слизистых оболочек. Оптимальная влажность – 40 – 60%.
Нарушение вводно-солевого баланса при значительном увеличении потери тепловой энергии через испарение может привести к судорожной болезни. Обезвоживание организма – нарушение умственной деятельности, снижение остроты зрения. Сильное обезвоживание (на 15 – 20%) – смертельный исход.
Оптимальное атмосферное давление для нормального насыщения кислородом крови – 760мм. рт.ст. Порциальное давление кислорода 100 – 120мм. рт.ст.
Резкое понижение давления — гипоксия (высотная декомпрессионная болезнь, расширение газов в желудочно-кишечном тракте, высотная тканевая эмфизема). При резком повышении давления – кессонная болезнь (водолазы), боротравма, поражение лёгочной ткани.
Теплообмен человека с окружающей средой.
Необходимость учета основных параметров микроклимата может быть объяснена на основании рассмотрения теплового баланса между организмом человека и окружающей средой.
Величина тепловыделений Q организмом человека зависит от степени физического напряжения в определенных метеорологических условиях и составляет от 85 ( в состоянии покоя) до 500 Дж/ с (тяжелая работа).
Человек постоянно находится в процессе теплового взаимодействия с окружающей средой. Для того, чтобы физиологические процессы в его организме протекали нормально, выделяемая организмом теплота должна отводится в окружающую человека среду. Соответствие между количеством этой теплоты и охлаждающей способностью среды характеризует ее как комфортную.
Нормальное тепловое самочувствие (комфортные условия), соответствующее данному виду работу, обеспечивается при соблюдении теплового баланса:
поэтому температура внутренних органов человека остается постоянной (около 36,3 0 С). Эта способность человеческого организма поддерживать постоянной температуру при изменении параметров микроклимата и при выполнении различной по тяжести работы называется терморегуляцией.
Отдача теплоты организмом человека в окружающую среду производится в результате излучения на окружающие поверхности QИ , конвекции, т.е. перемещения газовой среды у тела и омывания воздухом QК, испарения влаги с поверхности тела QИСП, теплопроводности QТ. Часть теплоты расходуется на нагрев вдыхаемого воздуха QВ.
Количество теплоты, отдаваемое организмом человека различными путями, зависит от величины того или иного параметра микроклимата. Так, теплоотдача конвекции зависит от температуры окружающего воздуха и скорости его движения. Излучение теплоты происходит в направлении окружающих человека поверхностей, имеющих более низкую температуру, чем температура поверхности одежды (27 – 31 0 С) и открытых частей тела человека (около 33,4 0 С). Передача теплоты конвекцией тем больше, чем ниже температура окружающей среды и чем выше скорость движения воздуха. При высоких температурах окружающих поверхностей (30 – 35 0 С) теплоотдача конвекцией и излучением полностью прекращается, а при более высоких температурах теплообмен идет в обратном направлении – от поверхностей к человеку, т.е. происходит нагрев тела человека. Количество теплоты, отдаваемой человеком в окружающую среду при испарении влаги, напрямую зависит, в первую очередь, от температуры воздуха и физической нагрузки человека, при этом количество влаги, выводимой на поверхность потовыми железами колеблется в очень широких пределах от 0,6 до 21 г/мин. Теплопроводность тканей человека мала, поэтому основную роль в процессе транспортирования теплоты играет конвективная передача с потоком крови.
В состоянии покоя при температуре окружающего воздуха 18 0 С доля QИ 45%, QК 30%, QИСП 20%, QВ 5%.
Влияние параметров микроклимата на самочувствие человека.
Параметры микроклимата оказывают непосредственное влияние на тепловое самочувствие человека и его работоспособность.
При высокой температуре воздуха в помещении кровеносные сосуды расширяются, при этом происходит повышенный приток крови к поверхности тела, и теплоотдача в окружающую среду значительно увеличивается. Однако при температурах окружающего воздуха и поверхностей оборудования в помещении 30 – 35 0 С отдача теплоты конвекцией и излучением в основном прекращается. При более высокой температуре большая часть теплоты отдается путем испарения с поверхности кожи. В этих условиях организм теряет определенное количество влаги, а вместе с ней и соли, играющей важную роль в жизнедеятельности.
Вопреки установившемуся мнению величина потоотделения мало зависит от недостатка воды в организме или от ее чрезмерного потребления. У человека, работающего в течение 3 часов без питья, образуется только на 8% меньше пота, чем при полном возмещении потерянной влаги. При потреблении воды вдвое больше потерянного количества наблюдается увеличение потоотделения всего на 6 % по сравнению со случаем, когда вода возмещалась на 100 %.Для человека считается допустимым снижение его массы на 2 – 3 % путем испарения влаги – обезвоживания организма. Обезвоживание на 6 % влечет нарушения умственной деятельности; на 15 –20% — приводит к смертельному исходу. Вместе с потом организм теряет значительное количество минеральных солей (до 1 %, в том числе 0,4 – 0,6 %NaCl). При неблагоприятных условиях потеря жидкости за смену может составить 8 – 10 л, а в них до 60 г поваренной соли (всего в организме 140 г соли). Потеря соли лишает кровь способности удерживать воду и приводит к нарушению деятельности сердечно-сосудистой системы. При высокой температуре воздуха легко расходуются углеводы, жиры, разрушаются белки. Для восстановления водного баланса работающих в горячих цехах устанавливаются пункты подпитки подсоленной (около 0,5 %NaCl) газированной водой из расчета 4…5 л на человека в смену. Возможно применение белково-витаминного напитка. Вообще же в жарких климатических условиях рекомендуется пить охлажденную подкисленную воду или чай .
Длительное воздействие высокой температуры особенно в сочетании с повышенной влажность может привести к значительному накоплению теплоты в организме и развитию перегревания – гипертермии– состоянию, при котором температура тела повышается до 38…39 0 С. При гипертермии и как следствие тепловом ударе, который может произойти при работах на открытом воздухе, наблюдается головная боль, головокружение, общая слабость, искажение цветового восприятия, сухость во рту, тошнота, рвота, обильное потовыделение. Пульс и дыхание учащены. При этом наблюдается синюшность, бледность, временами возникают судороги, потеря сознания.
Производственные процессы, выполняемые при пониженной температуре, большой подвижности и влажности воздуха, могут быть причиной охлаждения, и даже переохлаждения – гипотермии. В начальный период воздействия умеренного холода наблюдается уменьшение частоты дыхания, увеличение объема вдоха. При продолжительном действии холода дыхание становится неритмичным, частота и объем вдоха увеличиваются, изменяется углеводный обмен. Появление мышечной дрожи, при которой внешняя работа не совершается, а вся энергия превращается в теплоту, может в течение некоторого времени задерживать снижение температуры внутренних органов. Дрожь разогревает наше тело. При дрожи организм выделяет энергию в 200 ватт на м 2 , т.е. столько же, как и при ходьбе со скоростью 5 км/ ч. Однако такой способ обогрева очень не экономичен: слишком малое количество энергии при этом переходит в тепло. Результатом действия низких температур являются холодовые травмы и обморожения.
Для того, чтобы согреться организм стремится гармонично регулировать расширение и сужение кровеносных сосудов. Надо ли в этом случае искать спасения в алкоголе или курении? Под влиянием алкоголя сосуды расширяются и ускоряют циркуляцию крови. Сразу же возрастает теплообмен с внешней средой, и тело быстро остывает. Курение действует в другом направлении. Никотин в крови усиливает естественную реакцию сужения сосудов. В этом случае кровь продвигается по сосудам с трудом, и риск обморожения увеличивается.
Переносимость человеком температуры, как и его теплоощущения, в значительной мере зависит от влажности и скорости окружающего воздуха. ( Например, при tОС= +1 0 С и скорости ветра 30 км/ч организм должен согревать себя так, как приtОС= — 39 0 С без ветра). Чем больше влажность, тем меньше испаряется пота в единицу времени и тем быстрее наступает перегрев тела. Особенно неблагоприятное воздействие на тепловое самочувствие человека оказывает высокая влажность (85 %) приtОС30 0 С, т.к. при этом почти вся выделяемая теплота отдается в окружающую среду при испарении пота. При повышении влажности пот не испаряется, а стекает каплями с поверхности кожного покрова. Возникает так называемоепроливное течение пота, изнуряющее организм и не обеспечивающее необходимую теплоотдачу.
Недостаточная влажность ( 20 %) вызывает пересыхание и растрескивание слизистых оболочек дыхательных путей, а затем и загрязнение болезненными микроорганизмами. Оптимальные величины относительной влажности составляют 40 – 60 %.
1.Теплообмен человека с окружающей средой
Одним из необходимых условий нормальной жизнедеятельности человека является обеспечение нормальных метеорологических условий в помещении, оказывающих существенное влияние на тепловое самочувствие человека. Метеорологические условия, или микроклимат, зависят от теплофизических особенностей технологического процесса, климата, сезона года, условий отопления и вентиляции.
Жизнедеятельность человека сопровождается непрерывным выделением тепллоты в окружающую среду. Её количество зависит от степени физического напряжения в определённых климатических условиях и составляет от 85Вт (в состоянии покоя) до 500Вт (при тяжёлой работе). Для того 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, быстрой утомляемости, потере сознания и тепловой смерти.
Одним из важных интегральных показателей теплового состояния организма является средняя температура тела (внутренних органов) порядка 36,5єС. Она зависит от степени нарушения теплового баланса и уровня энергозатрат при выполнении физической работы. При выполнении работы средней тяжести и тяжёлой при высокой температуре воздуха температура тела может повышаться от нескольких десятых градуса до 1…2 о С. Наивысшая температура внутренних органов, которую выдерживает человек, составляет +43ºС, минимальная +25ºС. Температурный режим кожи играет основную роль в теплоотдаче. Её температура меняется в довольно значительных пределах, и при нормальных условиях средняя температура кожи под одеждой составляет 30…34ºС. При неблагоприятных метеорологических условиях на отдельных участках тела она может понижаться до 20ºС, а иногда и ниже.
Нормальное тепловое самочувствие имеет место, когда тепловыделение Qтп человека полностью воспринимается окружающей средой Qто, т.е. когда имеет место тепловой баланс Qтп=Qто, то в этом случае температура внутренних органов остаётся постоянной. Если теплопродукция организма не может быть полностью передана окружающей среде (Qтп>Qто), происходит рост температуры внутренних органов и такое тепловое самочувствие характеризуется понятием жарко. Теплоизоляция человека, находящегося в состоянии покоя (отдых сидя или лёжа), от окружающей среды приведёт к повышению температуры внутренних органов уже через 1ч на 1,2ºС. Теплоизоляция человека, производящего работу средней тяжести, вызовет повышение температуры уже на 5ºС и вплотную приблизиться к максимально допустимой. В случае, когда окружающая среда воспринимает больше теплоты, чем её воспроизводит человек (Qтп 2 · ºС); tпов – температура поверхности тела человека (для практических расчётов зимой около 27,7ºС, летом – около 31,5ºС); tос – температура воздуха, омывающего тело человека; Fэ – эффективная поверхность тела человека (размер эффективной поверхности тела зависит от положения его в пространстве и составляет приблизительно 50…80% геометрической внешней поверхности тела человека); для практических расчётов Fэ = 1,8 м 2 . Значение коэффициента теплоотдачи конвекцией можно определить приближенно как
αк = λ/δ, где λ – коэффициент теплопроводности пограничного слоя, Вт/(м ·˚С); δ – толщина пограничного слоя омывающего газа, м.
Удерживаемый на внешней поверхности тела пограничный слой воздуха (до 4…8 мм при скорости движения воздуха w = 0) препятствует отдаче теплоты конвекцией. При увеличении атмосферного давления в подвижном воздухе толщина пограничного слоя уменьшается и при скорости движения воздуха
2 м/с составляет около 1 мм. Передача теплоты конвекцией тем больше, чем ниже температура окружающей среды и чем выше скорость движения воздуха. Заметное влияние оказывает и относительная влажность воздуха φ, так как коэффициент теплопроводности воздуха является функцией атмосферного давления и влагосодержания воздуха.
На основании изложенного выше можно сделать вывод, что величина и направление конвективного теплообмена человека с окружающей средой определяется в основном температурой окражующей среды, атмосферным давлением, подвижностью и влагосодержанием воздуха, т. е.
Передачу теплоты теплопроводностью можно описать уравнением Фурье:
где λ0 – коэффициент теплопроводности тканей одежды человека, Вт/(м · ˚С); δ0 – толщина одежды человека, м. Теплопроводность тканей человека мала, поэтому основную роль в процессе транспортирования теплоты играет конвективная передача с потоком крови.
Лучистый поток при теплообмене излучением тем больше, чем ниже температура окружающих человека поверхностей. Он может быть определён с помощью обобщённого закона
где Спр – приведённый коэффициент излучения, Вт/(м 2 ·К 4 ); ε – степень черноты окружающих предметов; F1 – площадь поверхности, излучающей лучистый поток, м 2 ; Ψ1-2 – коэффициент облучаемости, зависящий от расположения и размеров поверхностей F1 и F2 и показывающий долю лучистого потока, приходящегося на поверхность F2, от всего потока, излучаемого поверхностью F1; Т1 – средняя температура поверхности тела и одежды человека, К; Т2 – средняя температура окружающих поверхностей, К.
Для практических расчётов в диапазоне температур окружающих человека предметов 10…60˚С приведённый коэффициент излучения Спр≈ 4,9 Вт/(м 2 · К 4 ). Коэффициент облучаемости Ψ1-2 обычно принимают равным 1,0. В этом случае значение лучистого потока зависит в основном от степени черноты ε и температуры окружающих предметов, т. е. Qп = f(Tоп; ε).
Количество теплоты, отводимое человеком в окружающую среду при испарении влаги, выводимой на поверхность потовыми железами,
где Gп – масса выделяемой и испаряющейся влаги, кг/с; r – скрытая теплота испарения выделяющейся влаги, Дж/кг.
Данные о потовыделении в зависимости от температуры воздуха и физической нагрузки человека приведены в табл.1. Как видно из данных таблицы, количество выделяемой влаги меняется в значительных пределах. Так, при температуре воздуха 30ºС у человека, не занятого физическим трудом, влаговыделение составляет 2 г/мин.
Количество теплоты, отдаваемой в окружающий воздух с поверхности тела при испарении пота, зависит не только от температуры воздуха и интенсивности работы, выполняемой человеком, но и от скорости движения окружающего воздуха и его относительной влажности, т. е.
где J – интенсивность труда, производимого человеком, Вт.
Таблица 1. Количество влаги, выделяемое с поверхности кожи и из лёгких человека, г/мин