Показатели теплового обмена человека с окружающей средой

Цель работы: изучение и анализ показателей, характеризующих теплопродукцию и теплоотдачу человека.

Оборудование и материалы: калькулятор, наглядные пособия.

Теоретические основы:

Комфортное тепловое состояние человека в общем случае определяется состоянием динамического равновесия, при котором количество вырабатываемого организмом тепла и количество тепла, отдаваемого в окружающую среду, равны. Тепловой баланс достигается координацией процессов, направленных на выработку тепла в организме (теплопродукции) и его выведение - теплоотдачу. Он осуществляется аппаратом химической и физической терморегуляции человека [1].

Тепловой баланс в общем виде можно описать уравнением:

_т.п +Q _т.н =Q _рад +Q _конв +Q _конд +Q _исп.д +Q _{исп.дых} +Q _исп.п +Q _дых.н +Δ Q _т.с (1.1)

где Q _т.п - теплопродукция человека, Вт;

Q _{т.н -} внешняя тепловая нагрузка, Вт;

Q _рад - потери тепла радиацией, Вт;

Q _рад - потери тепла конвекцией, Вт;

Q _конв - потери тепла кондукцией, Вт;

Q _исп.д - потери тепла испарением диффузионной влаги с поверхности кожи, Вт;

Q _{исп.дых} - потери тепла испарением влаги с верхних дыхательных путей, Вт;

Q _исп.п - потери тепла испарением выделяемого пота, Вт;

Q _дых.н - потери тепла вследствие нагревания вдыхаемого воздуха, Вт;

ΔQ _т.с - потери теплосодержания организма относительно его комфортного уровня (дефицит или накопление тепла в организме)

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

Энергия, выделяемая в организме в виде тепла (теплопродукция) и обеспечивающая поддержание постоянного уровня температуры тела составляет при физической работе только часть энерготрат Q_э.т. В случае, когда вырабатываемая в организме человека энергия не расходуется на внешнюю механическую работу, она вся практически превращается в тепловую. Например: человек в состоянии относительного физического покоя и выполняющего некоторые виды физической работы (ходьба по ровной местности). Энергия, расходуемая на выполнение внешней работы N, может быть определена [1].

= η* (Q_э.т -Q_о) (1.2)

где η - термический коэффициент полезного действия;

Q₀ - величина основного обмена, Вт/м² .

Основной обмен - расход энергии в состоянии полного покоя, т.е минимальная активность организма (расслабленные мышцы, отсутствие внешнего раздражителя, натощак, комфортные микроклиматические условия).

Для определения теплопродукции человека, выполняющего физическую работу, необходимо знать его общие энерготраты Q_э.т. , термический коэффициент полезного действия и основной обмен:

_т.п =Q _э.т -η * (Q_э.т -Q_о) (1.3)

Радиационный теплообмен - в любых условиях жизнедеятельности человека между ним и окружающими телами происходит теплообмен путем инфокрасного излучения (радиационный теплообмен).человек в процессе своей жизнедеятельности часто подвергается нагревающемуся воздействию инфокрасных излучений с разными спектральными характеристиками: от солнца, нагретой поверхности земли, зданий. Отопительных приборов и т.д.

Излучением человек отдает тепло в случаях, когда температура ограждений, окружающих человека ниже температуры поверхности тела, (холодные стены, стекло и т.д).

При неьольшой разности температур, что практически наблюдаеться в реальных условиях жизнидеятельности человека, уравнение для определения потерь тепла радиацией Q _рад Вт, можно определить:

_рад = a_рад*S_рад* (t₁-t₂) (1.4)

где a _рад - коэффициент излучения, Вт/(м²*⁰С);

S _рад -площадь поверхности тела, участвующей в радиационном теплообмене,м^2;

t₁- температура поверхности тела (одежды) человека, ⁰С;

t_2-- температура поверхности окружающих предметов, ⁰С;

Конвекционный теплообмен- передача тепла конвекцией осуществляется с поверхности тела человека (одежды) движущемуся вокруг него (нее) воздуху.

Различают конвекционный теплообмен свободный (обусловленный разностью температур поверхности тела и воздуха) и принудительный (под влиянием движения воздуха). По отношению к общим теплопотерям в условиях теплового комфорта теплоотдача конвекцией составляет 20-30%. Существенно возрастают потери тепла конвекцией в условиях ветра [1].

Потери тепла конвекцией могут быть определены по уравнению:

_конв= a_конв*S_конв* (t_од-t_в) (1.5)

Где a_конв -коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м²*⁰С);

S_конв -площадь поверхности тела, участвующей в конвекционном теплообмене,м² (справочная величина);

t _од - температура поверхности тела (одежды) человека, ⁰С;

t _в - температура окружающего воздуха, ⁰С;

Величина a_конв не являеться постоянной\и зависит от ряда переменных факторов: температуры воздуха, формы поверхности тела и его размеров, шероховатости поверхности. Все эти факторы трудно учесть. В знаительной степени учитываеться скорость ветра.

С использованием суммарного значения коэффициента теплоотдачи (a_{рад.конв}) могут быть определены значения радиционно-конвективных теплопотерь (Q_{рад.конв}) [1]:

∑ Q= (a_конв +a_рад)* S* (t_од-t_в) (1.6)

∑ Q= a_общ.*S* (t_од-t_в) (1.7)

Кондукционный теплообмен - теплоотдача от поверхности тела человека к соприкасающимся с ним твердым предметам осуществляеться проведением (кондукцией). Потери тепла кондукцией в соответствии с законом Фурье:

Q_конд =λ ^(t1-t2) Sτ (1.8)

где - Q_конд количество тепла, прошедшего через стенки с площадью S, м² в течении времени τ, Вт;

λ- коэффициент теплопроводности пакета материалов одежды, Вт/(м²*⁰С);

t₁- температура внутренней стороны пакета материалов одежды, ⁰С;

t_2-температура наружной (холодной) стороны пакета материалов одежды, ⁰С;

δ - толщина пакета материалов одежды, м;

S- площадь поверхности тела, соприкасающейся с твердым предметом

Отдача тепла кондукцией тем больше, чем ниже температура предмета, с которым соприкасается человек, чем больше поверхность соприкосновения, тем меньше толщина пакета материалов одежды.

Для правильного выбора теплозащитной одежды необходимо в первую очередь определить суммарную величину основных потерь тела Q_осн. пренебрегая Q_конд в силу того что площадь соприкосновения мала и условно считая,что внешняя тепловая нагрузка Q_т.н =0, формула (1.1) принимает вид:

Теплоотдача испарением- ванным способом теплоотдачи, особенно при высокой температуре воздуха и выполнении человеком физической работы, является испарение диффузионной влаги и пота. В условиях теплового комфорта и охлаждения человек, находящейся в состоянии относительного физического покоя, теряет влагу путем диффузии (неощутимой перспирации) с поверхности кожи и верхних дыхательных путей.

Потери тепла путем испарения диффузионной влаги с поверхности кожи Q_исп.д Вт, можно выразить уравнением:

Q_исп.д =3,06*10^-3*S(256t_k-3360-p_a) (1.10)

где t_k - температура кожи, ⁰С;

p_a- парациальное давление пара в окружающем воздухе, Па.

Потери тепла, при испарении влаги с верхних дыхательных путей Q _{исп.дых} Вт, можно выразить уравнением:

_{исп.дых} =0,0173* Q_э.т*(P_выд-P_в) (1.11)

где Q_{исп.дых} - энерготраты человека;

P_выд -давление насыщенного водяного пара при температуре выдыхаемого воздуха (t_выд), кПа;

P_выд -давление водяного пара в атмосфере, кПа;

Потери тепла при испарении пота- потоотделение представляет собой один из наиболее мощных механизмов терморегуляции, играющих важную роль в условиях перегревания организма и при выполнении человеком физической работы.

Максимально возможная величина теплопотерь при испарении пота Вт, может быть определена по уравнению:

_исп.п=10,2 (p_нас.к- p_a)(0,5+√ν) (1.12)

где p_нас.к - максимально возможное насыщение водяного пара при температуре кожи человека,мм.рт.ст.;

p_a - давление водяного пара в воздухе,

ν - скорость движения ветра,м/с;

потери тепла испарением пота в комфортных условиях Q_исп.п, Вт, применительно к различному уровню энерготрат может быть определена по уравнению:

Q_исп.п=0,36 S(Q_исп.п/S-58) (1.13)

Общие теплопотери испарением влаги Q_исп.д и Q_исп.п - диффузионной пота), Вт, можно определить:

Q_исп.к = ^{8,816+0,39* Qэ.т} - Q_{исп.дых} (1.14)

Теплоотдача при дыхании - Потери тепла вследствии нагревания вдыхаемого воздуха Q_исп.н Вт, можно определить:

_исп.н =0,0014 Q_э.т (t_выд-t_в) (1.15)

где t_выд - температура выдыхаемого воздуха, ⁰С, вычисляемая по формуле:

t_выд=29+0,2* t_в (1.16)

Для комфортного уровня теплоощущения изменение теплосодержания Δ Q_т.с Для принемаеться равным нулю (не происходит накопление или дефицит тепла) Формула (1.9) принемает вид:

Q_осн = Q_конв +Q_рад =+Q_э.т-N- Q_{исп.дых}-Q_исп.к-Q_дых.н (1.17)

Ход работы:

Исходные данные:

Величина основного обмена в соответствии с исходными данными равна Q_о= = 39,5 Вт/м². В таблице 1.1 представлены результаты расчетов показателей теплопродукции и теплоотдачи человека для исследуемых видов физической деятельности.

Таблица 1.1- Расчет показателей теплопродукции и теплоотдачи человека для различных видов физической деятельности

Значение площади поверхности тела человека равно S=1,89м²

Теплопродукция тела человека, Q_т.п. для различных видов физической деятельности вычисляют по формуле 1.3

_т.п =Q _э.т -η * (Q_э.т -Q_о)

1. Уборка помещения

_т.п = 150-0,1(150-39,5)=

2. Гимнастика

_т.п =200-0,1(200-39,5)=

3. Ходьба по наклонной местности под углом 5^0, скоростью 6,4 км/ч

_т.п =355-0,1(355-39,5)=

4. Теннис

_т.п =267-0,1(267-39,5)=

5.
Обычная лабораторная работа

_т.п =93-0(93-39,5)=

Потери тепла, при испарении влаги с поверхности дыхательных путей Q_{исп.дых}, Вт рассчитывают по формуле 1.11

Q_{исп.дых} =0,0173* Q_э.т*(P_выд-P_в)

1. Уборка помещения

_{исп.дых} =0,0173*150()=

2. Гимнастика

_{исп.дых} =0,0173*200()=

3. Ходьба по наклонной местности под углом 5^0, скоростью 6,4 км/ч

_{исп.дых} =0,0173*355()=

4. Теннис

_{исп.дых} =0,0173*267()=

5. Обычная лабораторная работа

_{исп.дых} =0,0173*93()=

Общие теплопотери испарением влаги Q_исп.д и Q_исп.п - диффузионной пота), Вт, можно определить по формуле 1.14

Q_исп.к = ^{8,816+0,39* Qэ.т} - Q_{исп.дых}

^1,89

1. Уборка помещения

_исп.к = ^{8,816+0,39* 150} - =

^1,89

2. Гимнастика

Q_исп.к = ^{8,816+0,39* 200} - =

^1,89

3. Ходьба по наклонной местности под углом 5^0, скоростью 6,4 км/ч

_исп.к = ^{8,816+0,39* 355} - =

^1,89

4. Теннис

_исп.к = ^{8,816+0,39* 267} - =

^1,89

5. Обычная лабораторная работа

Q_исп.к = ^{8,816+0,39* 93} - =

^1,89

Потери тепла вследствие нагревания вдыхаемого воздуха Q_исп.н Вт, можно определить по формуле 1.15

_исп.н =0,0014 Q_э.т (t_выд-t_в)

1. Уборка помещения

_исп.н =0,0014*150 ()=

2. Гимнастика

_исп.н =0,0014*200 ()=

3. Ходьба по наклонной местности под углом 5^0, скоростью 6,4 км/ч

_исп.н =0,0014*355 ()=

4. Теннис

_исп.н =0,0014*267 ()=

5. Обычная лабораторная работа

_исп.н =0,0014*93 ()=

Для комфортного уровня теплоощущения изменение теплосодержания Δ Q_т.с принимается равным нулю и Q_осн вычисляется по формуле:

_осн = Q_конв +Q_рад =Q_э.т-N- Q_{исп.дых}-Q_исп.к-Q_дых.н

1. Уборка помещения

Q_осн =

2. Гимнастика

Q_осн =

3. Ходьба по наклонной местности под углом 5^0, скоростью 6,4 км/ч

Q_осн =

4. Теннис

Q_осн =

5. Обычная лабораторная работа

Q_осн =

Результаты расчетов представлены в таблице 1.2

Таблица 1.2 - Расчет теплопродукции человека при различных видах физической деятельности

Выводы: В ходе лабораторной работы № 2 былиизучены и проанализированы показатели, характеризующие теплопродукцию и теплоотдачу человека, такие как основной обмен, термический коэффициент полезного действия, энерготраты, теплопродукция человека, потери тепла при испарении влаги с верхних дыхательных путей, общие потери испарением влаги, потери тепла в следствие нагревания выдыхаемого воздуха и общие теплопотери.

Поиск по сайту: