Теплообмін людини з навколишнім середовищем

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

Нормальне теплове самопочуття має місце, коли тепловиділення (Q_ТВ) організму людини повністю сприймаються навколишнім середовищем (Q_ТН), тобто коли має місце тепловий баланс Q_ТВ = Q_ТН. У цьому випадку температура внутрішніх органів залишається постійною на рівні 36,6 ^ºС.

Організм людини здатний підтримувати квазістійку температуру тіла при достатньо широких коливаннях параметрів навколишнього середовища. Так, тіло людини зберігає температуру близько 36,6 ^ºС при коливаннях навколишньої температури від –40 до +40 ºС. При цьому температура окремих ділянок шкіри та внутрішніх органів може бути від 24 дл 37,1 ºС.

Найбільш інтенсивні обмінні процеси відбуваються в печінці – її температура 38 – 38,5 ºС. Існує добовий біоритм температури шкіри: максимальна (37,0 – 37,1 ºС) о 16⁰⁰ – 19⁰⁰, мінімальна (36,0 – 36,2 ºС) о 2⁰⁰ – 4⁰⁰ за місцевим часом.

Теплообмін між людиною та навколишнім середовищем здійснюється конвекцією внаслідок обтікання тіла повітрям (g_К), теплопровідністю через одяг (g_Т), випромінюванням на оточуючі поверхні (g_В) та в процесі тепломасообміну (g_ТМ), при випаровуванні вологи, котра виводиться на поверхню потовими залозами (g_П) і при видиханні (g_Д):

Q_ТВ = g_К + g_Т + g_В + g_ТМ + g_П + g_Д.

Конвективний теплообмін визначається за законом Ньютона:

g_К = α_К ∙ F_е ∙ (t_ПОВ – t_НС),

де α_К – коефіцієнт тепловіддачі конвекцією, α_К = 4,06 Вт/(м² ∙ град); F_е – ефективна поверхня тіла людини (50 – 80% герметричної зовнішньої поверхні тіла людини), для практичних розрахунків приймається рівною 1,8 м²; t_ПОВ – температура поверхні тіла людини, взимку 27,5 ºС, влітку – 31 ºС; t_НС – температура навколишнього середовища.

Величина і напрямок конвективного теплообміну людини з навколишнім середовищем визначається, переважно, температурою навколишнього середовища, барометричним тиском, рухомістю та вологовмістом повітря.

За рівнянням Фур’є можна обчислити теплопровідністю через одяг:

g_Т = α₀ / (∆₀ ∙ F_е ∙ (t_ПОВ – t_НС)),

де α₀ – коефіцієнт теплопровідності тканин одягу людини, Вт/град; ∆₀ – товщина тканин одягу людини, м.

Теплообмін випромінюванням відбувається за допомогою електромагнітних хвиль між тілами, розділеними променепрозорим середовищем. Теплова енергія, перетворюючись на поверхні гарячого тіла у променисту, передається на холодну поверхню, де знов перетворюється у теплову. Променистий потік тим більший, чим нижча температура поверхонь, котрі оточують людину і може бути визначений за допомогою узагальненого закону Стефана-Больцмана:

g_В = С_ПР ∙ F₁ ∙γ_{1 – 2} ∙ (Т₁/100 – Т₂/100),

С_ПР = (С₁ ∙ С₂) / С₀ – приведений коефіцієнт випромінювання, Вт/(м² ∙ К⁴), С₀ – коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла; Т₁ – середня температура поверхні тіла та одягу людини, К; і Т₂ – середня температура оточуючих поверхонь, К; γ_{1 – 2} – коефіцієнт опромінюваност, що залежить від розташування та розмірів поверхонь F₁ та F₂ і котрий вказує на частку променистого тепла, що припадає на поверхню F₂ від всього потоку, який випромінюється поверхнею F₁.

Кількість тепла, котра віддається людиною в навколишнє середовище при випаровуванні вологи, що виводиться на поверхню потовими залозами, визначається за формулою:

g_П = G_П ∙ r,

де G_П – кількість вологи, що виділяється і випаровується, кг/с; r – прихована теплота випаровування вологи, котра виділяється, Дж/кг.

Кількість тепла, що віддається в навколишнє середовище з поверхні тіла при випаровуванні поту, залежить не лише від температури повітря та інтенсивності роботи, що виконується людиною, але й від швидкості руху оточуючого повітря та його відносної вологості.

Кількість тепла, котре витрачається на нагрівання повітря, що вдихається, можна визначити за рівнянням:

g_Д = V_ЛВ ∙ ρ_ВД ∙ С_Р ∙ (t_ВИД – t_ВД),

де V_ЛВ – легенева вентиляція, м³/с; ρ_ВД – густина вологого повітря, що вдихається, кг/м³; С_Р – питома теплоємність повітря, що вдихається, Дж/(кг ∙ град); t_ВИД – температура повітря, що видихається, ºС; t_ВД – температура повітря, що вдихається, ºС.

Легенева вентиляція – це об’єм повітря, що вдихається людиною за одиницю часу. Вона визначається як добуток об’єму повітря, що вдихається за один вдих, на чимло циклів дихання за секунду.

Кількість теплоти, що виділяється людиною з повітря, котре видихається, залежить від фізіологічного навантаження, вологості повітря, температури оточуючого повітря.

Загалом теплове самопочуття людини залежить від інтенсивності фізичного навантаження організму, температури оточуючих предметів та параметрів мікроклімату (температури, рухомості та відносної вологості повітря, барометричного тиску).

 

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться: