Тепловой обмен человека с окружающей средой

Жизнедеятельность организма сопровождается непрерывным выделением теплоты в окружающую среду.

Величина тепловыделения зависит от степени физического напряжения в определенных климатических условиях и составляет от 85 (в состоянии покоя) до 500 Дж/с (тяжелая работа).

Для нормального физиологического процесса в организме теплота должна отводиться. Нарушение теплового баланса может привести к перегреву, потере трудоспособности и тепловой смерти.

Одним из важных интегральных показателей теплового состояния человека является средняя температура тела (внутренних органов) ў 36,5°С.

При выполнении работы средней тяжести и тяжелой в условиях высокой температуры воздуха температура тела людей может повышаться от нескольких десятых градуса до 1-2°С. Наивысшая температура внутренних органов, которую выдержал человек, составляла +43°С, а минимальная +25°С.

Температура кожи объективно отражает реакцию организма на действие термического фактора, т.к. ее температурный режим играет основную роль в теплопередаче. Она меняется в довольно широких пределах и при нормальных условиях под одеждой = 30-34°С. При неблагоприятных метеоусловиях на отдельных участках тела она может понижаться до 20°С, а иногда и ниже.

Нормальное тепловое самочувствие имеет место при тепловом балансе с окружающей средой.

Qтв = Qт.ср.

где Qтв – тепловыделение организма,

Qт.ср. – тепловыделение окружающей среды. В этом случае температура внутренних органов постоянна и = 36,5°С.

При Qтв > Qт.ср. повышается температура внутренних органов (становится «жарко»). Так, теплоизоляция человека в состоянии покоя (отдых сидя, лежа) от окружающей среды приведет к повышению температуры внутренних органов уже через 1 час на 1,2 °С.

При переноске небольших тяжестей (до 10 кг) и работе стоя повышение температуры уже на 5°С, (т.е. будет максимально допустимой).

При Qтв < Qт.ср. окружающая среда отбирает тепло от человека и происходит переохлаждение (понятие «холодно»).

Уравнение теплового баланса «человек – окружающая среда» впервые проанализировано в 1884г. профессором Флавицким. Теплообмен осуществляется конвекцией в результате омывания тела воздухом (q к), теплопроводностью через одежду (q m), излучением на окружающей поверхности (q и) и в процессе тепломассообмена (q mм) при испарении влаги, выводимой на поверхность кожи потовыми железами (q n) и при дыхании (q g).

Q т.ср. = q л + q m + q и + (q mм = q n + q g)

Конвективный теплообмен – перенос теплоты в жидкостях или газах перемещающимися частицами. Он определяется законом Ньютона:

q к = a к • Fэ (t пов – t о.ср.)где t пов – температура поверхности тела человека (зимой ў27,5°С, летом ў 31°С),

t о.ср. – температура воздуха (окружающей среды), омывающего тело человека,

Fэ – эффективная пов-ть тела человека (зависит от положения тела в пространстве и ў 50-80% геометрической внешней поверхности тела человека). Для практических расчетов Fэ принимается = 1,8 м¤,

a к – коэффициент теплоотдачи конвекцией (в нормальных параметрах микроклимата принимают a к ў 4,06 Вт/줕град). Приближенно можно определить a к ў л г / б, где л г – коэффициент теплопроводности газа пограничного слоя, Вт/м•град, б – толщина пограничного слоя омывающего газа, м.

На поверхности тела человека имеется пограничный слой воздуха (= 4-8 мм при скорости движения воздуха W = 0). При повышении барометрического давления и в подвижном воздухе при W = 2 м/с толщина пограничного слоя составляет ў 1 мм.

Чем меньше температура воздуха и чем больше W, тем больше передача теплоты конвекцией. При t о.ср. > 36,5°С происходит нагрев тела.

На конвективный теплообмен заметное влияние оказывает и относительная влажность воздуха (Ф), т.к. q к = f (Р мм.рт.ст. и влагосодержания).

Передача теплоты через одежду человека q m можно условно представить как передачу тепла от частице к частице при их контакте. Можно написать УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ (уравнение Фурье):

q m = л о / ‑о • Fэ • (t пов – t о.ср.),

где л о – коэффициент теплопроводности тканей одежды человека Вт/м • град,

‑о – толщина тканей одежды человека, м.

Теплообмен излучением q и происходит при помощи электромагнитных волн. Тепловая энергия, превращаясь на поверхности горячего тела в лучистую, передается на другую (холодную поверхность), где вновь превращается в тепловую. Лучистый поток q л может быть определен с помощью обобщенного закона Стефана-Больцмана:

4 4

q л = Спр • F1 • Ф1-2 [ (Т1/100) – (Т2/100) ]

Т1 – средняя температура поверхности тела и одежды человека,

К°, Т2 – средняя температура окружающих поверхностей, К°,

Ф1-2 – коэффициент облучаемости, зависящий от расположения и

размеров поверхностей F1 и F2 и показывающий долю

лучистого потока, приходящуюся на поверхность F2 от

всего потока, излучаемого поверхностью F1,

С1 • С2 2 4

Спр = ------- – приведенный коэффициент излучения Вт/м К

С0 С1 и С2 – коэффициенты излучения теплообменных поверхностей,

2 4 С0 = 5,7 Вт/м К – коэффициент излучения абсолютно черного

тела. 2 4

Для практических расчетов при t = 10-60°С Спр ў 4,9 Вт/м К; Ф1-2 = 1. В этом случае количественное и качественное значение q л зависят в основном от степени черноты e и температуры окружающих человека предметов, т.е. q л = f (t о.ср., e).

Теплообмен при испарении влаги потовыми железами q п

q п = в п • r,

где в п – количество выделяемой и испаряющейся влаги, кг/с,

r – скрытая теплота испарения выделяющейся влаги, Дж/кг.

q п зависит от температуры воздуха, физической нагрузки, скорости движения воздуха W и относительной влажности.

Теплообмен от дыхания q д В технических расчетах можно принимать, что выдыхаемый воздух имеет температуру 37°С и полностью насыщен водяными парами.

q д = Vлв • Рвд • Ср (tвыд – tвд),

где Vлв – «легочная вентиляция», м /с

Рвд – плотность вдыхаемого влажного воздуха, кг/м

Ср – удельная теплоемкость вдыхаемого воздуха, Дж/кг•град

tвыд – температура выдыхаемого воздуха, °С

tвд – температура вдыхаемого воздуха, °С

«Легочная вентиляция» – это объем воздуха, вдыхаемого человеком в единицу времени. Она определяется как произведение объема вдыхаемого за один вдох воздуха (Vв-в, м3) на число циклов (n) дыхания в секунду:

Vлв = Vв-в • n

Частота дыхания непостоянна и зависит от нагрузки. При покое она = 12-15 вдохов в минуту, а при тяжелой физической нагрузке – 20-25.

Объем одного вдоха-выдоха зависит от физической нагрузки. При покое при каждом вдохе в легкие поступает ў 0,5л воздуха, а при тяжелой работе до 1,5-1,8л. Среднее значение Vлв при покое ў 0,4-0,5 м.куб/с, а при физической нагрузке >= 4 м.куб/с. ВЫВОД:

Q m.ср. = f (t о.ср., W, Ф, Т о.предм., Р, I),

где t о.ср. – температура окружающей среды,

W – скорость воздуха,

Ф – влажность,

Т о.предм. – температура окружающих предметов,

Р – давление,

I – интенсивность физической нагрузки.

Параметры температура, скорость, относительная влажность и барометрическое давление получили название параметров микроклимата.

Поиск по сайту: