Теплообмін організму людини з навколишнім середовищем

Рівняння теплового балансу «людина – навколишнє середовище» уперше було проаналізовано в 1884 р. професором И.И. Флавицьким. На відміну від хімічної терморегуляції, яка забезпечує виділення теплоти організмом людини, теплообмін між людиною і навколишнім середовищем здійснюється за рахунок фізичної терморегуляції. Процес фізичної терморегуляції протікає наступними шляхами:

· конвекцією в результаті омивання тіла повітрям;

· теплопровідністю через одяг;

· випромінюванням на навколишні поверхні;

· у процесі тепломаосообміну при випарі вологи, виведеної наповерхню шкіри потовими залозами;

· при диханні в результаті підігріву видихуваного повітря.

Конвекційний теплообмін – це перенос теплоти в рідинах чи газах частками, що переміщаються. Стосовно до організму людини завдяки конвекції відбувається обмін теплотою між поверхнею її тіла і шарами повітрям, які знаходяться безпосереднього біля неї.

Інтенсивність конвекційного теплообміну знаходиться у залежності від багатьох факторів навколишнього середовища.

Так, наприклад вона залежить від барометричного тиску. Це зв'язано з тим, що на віддачу теплоти конвекцією впливає товщина утримуваного на зовнішній поверхні тіла людини прикордонного шару повітря. При збільшенні атмосферного (барометричного) тиску, а також у рухливому повітрі товщина прикордонного шару зменшується.

На інтенсивність протікання цього механізму теплообміну впливає і температура навколишнього середовища. Передача теплоти конвекцією буде тим більше, чим нижче температура навколишнього середовища (t_ос) і чим вище швидкість його руху. При t_ос > 36,5°С відбувається не віддача теплоти, а, навпаки, приймання теплоти тілом людини від повітря, яке характеризується підвищеною температурою. Такий процес носить назву теплосприймання.

На інтенсивності конвекційного теплообміну позначається і відносна вологість повітря. Це пов’язано з тим, що коефіцієнт теплопровідності повітря є не тільки функцією барометричного тиску, але і вмісту вологи. Так як волога являється добрим провідником тепла, то при збільшенні відносної вологості повітря інтенсивність тепловіддачі організмом людини підвищується.

На підставі вищевикладеного можна зробити висновок, що величина і напрямок конвекційного теплообміну людини з навколишнім середовищем визначається в основному температурою навколишнього середовища, атмосферним тиском, рухливістю і відносною вологістю повітря.

Передачу теплоти через одяг можна умовно представити як передачу тепла від однієї частки до другої частки при їхньому безпосередньому контакті. Так як теплопровідність тканин одягу мала, то основну роль у процесі транспортування тепла відіграє конвекційна передача з потоком крові. Таким чином цей процес теплопередачі можливо представити як конвекційний теплообмін, якщо доповнити у фізичну суть цього процесу деякий понижуючий коефіцієнт, значення якого залежить від теплопровідності конкретного одягу.

Теплообмін випромінюванням відбувається за допомогою радіаційного випромінювання в діапазоні інфрачервоних хвиль. Цей вид теплообміну виникає між тілами, які характеризуються різницею температур і розділеними повітряним середовищем, що є прозорим для такого діапазону випромінювань. Теплова енергія перетворюється на поверхні гарячого тіла в променисту і передається по повітряному середовищі на іншу більш холодну поверхню, де знову перетворюється в теплову. Інтенсивність потоку теплових (інфрачервоних) випромінювань збільшується зі збільшенням різниці температур.

Таким чином, віддача тепла інфрачервоним випромінюванням тіла людини тим більше, чим нижче температура навколишніх поверхонь. Характерною рисою цього виду випромінювань є інтенсивне поглинання їх об'єктами, що мають темний колір поверхні.

Віддача теплоти за допомогою тепломасообміну. Цей вид теплообміну полягає у віддачі теплоти в навколишнє середовище з поверхні тіла людини при випарі вологи. При протіканні процесу випарювання вологи відбувається розрив молекулярних зв’язків, який супроводжується вивільненням енергії. У цьому і лежить фізична суть процесу віддачі теплоти за допомогою тепломасообміну.

Інтенсивність цього виду теплообміну залежить, в основному, від температури повітря і фізичного навантаження людини. Додатковими параметрами, які впливають на кількість тепла, що віддається цим механізмом, є швидкість руху навколишнього повітря і його відносна вологість.

Віддача теплоти за допомогою підігріву видихуваного повітря. У процесі дихання повітря навколишнього середовища, потрапляючи в легеневий апарат людини, нагрівається й одночасно насичується водяними парами. Так як температура внутрішніх органів людини відзначається підвищеною температурою (t_{внутр.орг.}≈ 38°С), то повітря, яке видихується, при умові, що температура повітря навколишнього середовища не набагато вища t_н.с.≈ 20...25°С приймає приблизно таку ж температуру. При розрахунках звичайно приймають, що видихуване повітря має температуру 37°С.

Виходячи з вищевикладеного випливає, що кількість теплоти, виділюваної людиною з видихуваним повітрям, залежить від його фізичного навантаження, відносної вологості і температури навколишнього (вдихуваного) повітря. Чим більше фізичне навантаження і чим нижче температура навколишнього середовища, тим більше буде віддаватися теплоти з видихуваним повітрям. З підвищенням температури і зменшенням відносної вологості навколишнього повітря кількість теплоти, що відводиться людиною через дихання, зменшується.

Виходячи із вище викладеного слідує, що теплове самопочуття людини (стан теплового балансу «людина – навколишнє середовище») залежить від температури навколишнього середовища, рухливості і відносної вологості повітря, атмосферного тиску, температури та кольору навколишніх предметів і інтенсивності фізичного навантаження організму.

Життєдіяльність людини супроводжується виділенням тепла в навколишнє середовище. Величина тепловиділення організмом людини залежить від ступеня фізичного напруження за певних кліматичних умов і становить від 85 (у стані спокою) до 500 Дж/с (важка робота). Для того, щоб фізіологічні процеси в організмі відбувалися нормально, тепло, що виділяється організмом люди­ни, повинне повністю відводитися в навколишнє середовище. По­рушення теплового балансу може призвести до перегрівання або переохолодження організму людини і, зрештою, до втрати пра­цездатності, втрати свідомості та до теплової смерті.

Нормальне теплове самопочуття має місце, коли тепловиді­лення (Qтв ) організму людини повністю сприймаються навко­лишнім середовищем (Qтн_I), тобто коли має місце тепловий баланс (Qтв)=(Q_th). У цьому випадку температура внутрішніх органів за­лишається постійною на рівні 36,6"С.