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) 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.cp. - тепловыделение окружающей среды.
В этом случае температура внутренних органов постоянна и ~ 36,5°С.При qтв > Qт.cp. 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.cp. 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 т), излучением на окружающей поверхности (q и) и в процессе тепломассообмена (q тм) при испарении влаги, выводимой на поверхность кожи потовыми железами (q п) и при дыхании (q g).
Q т.ср. °- q fC.+ q m + q и + (q тм - q n + q g)
КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН - перенос теплоты в жидкостях или газах перемещающимися частицами. Он определяется законом Ньютона:
q к s- а к • Рэ (t пов -1 o.cp.)
где
t пов - температура поверхности тела человека (зимой 27,5°С, летом ЗГС),
to.cp. - температура воздуха (окружающей среды), омывающего тело человека,
Еэ - эффективная пов-ть тела человека (зависит от положения тела в пространстве и 50-80% геометрической внешней поверхности тела человека). Для практических расчетов Еэ принимается -"1,8 мН, а к - коэффициент теплоотдачи конвекцией (в нормальных параметрах микроклимата принимают а к у 4,06 Вт/мП-град).
Приближенно можно определить а к у л r / 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 (- 4-8мм при скорости движения воздуха W - 0). При повышении барометрического давления и в подвижном воздухе при W = 2 м/с толщина пограничного слоя составляет У 1 мм.
Чем меньше температура воздуха и чем больше W, тем больше передача теплоты конвекцией. При t o.cp. > 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 • Еэ • (t пов -1 o.cp.), 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 помощьюОБОБЩЕННОГО ЗАКОНА СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА:
4 4 q л - Спр • Fl • Ф1-2 [ (Tl/100) - (Т2/100) ]
Tl - средняя температура поверхности тела и одежды человека. К", Т2 - средняя температура окружающих поверхностей, К",
Ф1-2 - коэффициент облучаемое™, зависящий от расположения и размеров поверхностей Fl и F2 и показывающий долю лучистого потока, приходящуюся на поверхность F2 от всего потока, излучаемого поверхностью Fl,
С1 • С2 24 Спр =- ——— - приведенный коэффициент излученияВт/м К
СО
С1 и С2 - коэффициенты излучения теплообменных поверхностей, 2 4 СО - 5,7 Вт/м К - коэффициент излучения абсолютно черного тела. 2 4 Для практических расчетов при t — 10-60'С Спр У 4,9 Вт/м К ;
Ф1-2 ° 1. В этом случае количественное и качественное значение q л зависят в основном от степени черноты е и температуры окружающих человека предметов, т.е. q л - f (t o.cp., е).