Тепловой обмен человека с окружающей средой

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/м¤•град). 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.

Микроклимат в рабочей зоне

Микроклимат влияет на самочувствие и работоспособность. При увеличении температуры больше 30°С работоспособность уменьшается. Для человека определены максимальные температуры в зависимости от длительности их воздействия и использования средств защиты.

Предельная температура вдыхаемого воздуха, при которой человек может дышать в течение нескольких минут без специальных средств защиты = 116°С.

длительности их воздействия.

-.-.- верхняя граница выносливости

----- среднее время выносливости

----- граница проявления симптомов перегрева

Температура окружающей среды, °С

Нижняя кривая показывает начало появления симптомов перегрева. Чем больше относительная влажность, тем меньше испаряется пота в единицу времени, тем быстрее наступает перегрев. Особенно неблагоприятное воздействие оказывает высокая влажность при температуре больше 30 °С, т.к. при этой температуре практически все тепло (выделяемое) отдается в окружающую среду при испарении пота. При увеличении влажности пот не испаряется, а стекает каплями.

При недостаточной влажности увеличивается испарение со слизистых оболочек, будет пересыхание, растрескивание и загрязнение микробами, сгущение крови и нарушение сердечнососудистой системы.

Рекомендуемая Ф = 30-70%

Потоотделение мало зависит от недостатка или избытка воды в организме.

Допустимо обезвоживание организма на 2-3%. При 6% – нарушение умственной деятельности и уменьшение остроты зрения, при 15-20% – смерть.

При потоотделении уменьшается содержание солей (до 1%, в т.ч. NaCl 0, 4-0, 6%). При неблагоприятных условиях потеря жидкости = 8-10 л/смену и в ней до 60г. NaCl (всего в организме NaCl ў 140г.)

При потере соли кровь теряет способность удерживать воду и приводит к нарушению сердечно-сосудистой деятельности.

При высокой температуре и дефиците воды усиленно расходуются углеводы, жиры, разрушаются белки.

Для восстановления водяного баланса:

1. Пить подсоленную газированную воду (ў 0, 5% NaCl) 4-5 л/смену (в горячих цехах).

2. Пить белково-витаминный напиток, холодную воду, чай.

Перегрев организма (гипертермия) – при длительном воздействии высокой температуры. Признаки: головная боль, головокружение, слабость, искажения цветового восприятия, сухость во рту, тошнота, рвота, обильное потовыделение, учащение пульса и дыхания, бледность, расширение зрачков.

Переохлаждение (гипотермия) – при уменьшении температуры, большой подвижности и влажности воздуха. Симптомы: в начале уменьшение частоты дыхания, увеличение объема вдоха, затем неритмичное дыхание, изменение углеводного обмена, мышечная дрожь и холодовая травма.

Параметры микроклимата влияют на производительность труда:

1. Увеличение температуры с 25 до 30°С уменьшает ее на 5% (прядильщицы).

2. При 29, 4°С производительность уменьшается на 13%, а при 33, 6 °С уменьшается на 35% по сравнению с 26°С (машиностроители).

Последовательность изучения влияния факторов

1. Влияние рассматриваемого фактора на организм человека, работоспособность и условия труда.

2. Характеристика фактора как физическое или химическое явление, его сущность.

3. Количественные характеристики, применяемые для оценки опасности фактора.

4. Нормирование фактора.

5. Приборы и методы контроля.

6. Организация, методы и средства защиты от рассматриваемого фактора.

Освещение

Требования к производственному освещению

1. Освещенность Е на рабочем месте должна соответствовать зрительным условиям труда согласно гигиеническим нормам. Увеличение Е улучшает видимость объектов за счет увеличения их яркости, увеличивается скорость различения деталей, что увеличивает производительность труда.

2. Равномерное распределение яркости на рабочей поверхности, а также в пределах окружающего пространства. Применяется комбинированное освещение, светлая окраска потолка, стен и оборудования.

3. На рабочей поверхности должны отсутствовать резкие тени и движущиеся тени. Их необходимо устранять или смягчать (например, жалюзи для предотвращения попадания прямых солнечных лучей, которые создают резкие тени).

4. В поле зрения должна отсутствовать прямая и отраженная блескость – повышенная яркость светящихся поверхностей, вызывающая нарушение зрительных функций.

Прямая блескость создается поверхностями источников света, отраженная – поверхностями с большим коэффициентом отражения.

Меры: уменьшение яркости источников света, подбор угла освещения, увеличение высоты подъема светильников, замена поверхности на матовую.

5. Величина Е должна быть постоянной во времени (стабилизация питания сети, жесткое крепление светильников, уменьшение коэффициента пульсации освещенности и т.д.)

6. Выбирать оптимальную направленность светового потока для рассмотрения внутренней поверхности детали и рельефа элементов рабочей поверхности.

7. Выбирать необходимый спектральный состав света для правильной цветопередачи. Ее обеспечивает естественное освещение или искусственное со спектральной характеристикой, близкой к солнечной.

8. Осветительная установка не должна быть источником дополнительных опасностей и вредностей.

9. Осветительная установка должна быть удобной, надежной и простой в эксплуатации.

Естественное освещение

Зависит от устройства проемов для пропускания света. Может быть боковым, верхним или комбинированным.

Характеризуется отношением естественной освещенности, создаваемой внутри помещения светом неба (непосредственным или отраженным), к значению наружной освещенности земной поверхности от небосвода, выраженным в процентах. Это отношение называется коэффициентов естественной освещенности КЕО(е).

При боковом естественном освещении е min нормируется:

1. При одностороннем освещении – в точке на расстоянии 1 м от стены, наиболее удаленной от световых проемов.

2. При двухстороннем освещении – в точке посередине помещения на пересечении вертикальной плоскости характерного разреза помещения и условной рабочей поверхности (на высоте 0, 8 м от пола).

При верхнем и совместном освещении среднее значение КЕО находится по формуле:

1 е1 еn

е ср. = ----- (--- + е2 + е3 +... + --- )

N-1 2 2

Где N – число точек определения (первая и последняя точки выбираются на расстоянии 1 м от поверхности наружных стен или перегородок)

е1, е2,..., еn – значения КЕО при верхнем и совмещенном освещении в точках характерного разреза помещения.

Нормирование осуществляется по СНиП 11-4-79 «Естественное и искусственное освещение».

Схемы распределения КЕО по разрезу помещения (эпюры)

боковое боковое верхнее

одностороннее двустороннее освещение

освещение освещение

Контроль освещенности осуществляется люксметрами Ю-16, Ю-116, Ю-17 – специальный фотоэлемент плюс миллиамперметр, отградуированный в люксах.

Искусственное освещение

Применяется для освещения при недостатке света и ночью. Источники света:

1. Лампы накаливания (ЛН) – удобны в эксплуатации, просты в изготовлении, мало время разгорания, не нужно дополнительных устройств.

Недостаток – низкая световая отдача, в спектре преобладает желто-красная часть, сравнительно малый срок службы (до 1000 часов). Перспективная разновидность ЛН – галогенные лампы: более белый свет, улучшенная цветопередача, больше срок службы.

2. Люминисцентные лампы (ЛЛ) применяются в светильниках низкого давления – высокая светоотдача (до 75 Лм/Вт), большой срок службы (до 10000 часов), экономичность.

Недостаток: малая единичная мощность при больших размерах и значительное уменьшение светового потока к концу срока службы; Max W = 150 Вт.

3. Газоразрядные лампы высокого давления (ГЛВД) применяются для высокой светоотдаче при компактном источнике света, например металлогенные, натриевые, дуговые ксеноновые трубчатые и т.д.

Системы освещения

На выбор системы наиболее существенно влияет характер выполняемых работ. При этом нужно учитывать размещение источников света, подбор световых характеристик, дальность действия, допустимая высота подвеса, единичная мощность и т.д.

Радиационная безопасность

Источники ионизирующего излучения

1. Корпускулярные (a, b, n)

2. Электромагнитные(g, рентген) – способные при взаимодействии с веществом создает в нем заряженные атомы и молекулы – ионы:

a-частицы – поток ядер He c E = 3-9 МэВ, их пробег в воздухе 8-9 см, а в легкой биологической ткани несколько десятков мкм. Низкая проникающая способность, высокая удельная ионизация (на 1см пути в воздухе несколько десятков пар ионов).

b-частицы – поток электронов или позитронов со скоростью ў С (свет в вакууме), Е = 0, 0005-3, 5 МэВ, max пробег в воздухе =1800см, в биологических тканях 2, 5 см. Ионизирующая способность: несколько десятков пар ионов на 1 мм пробега. Большая проникающая способность, чем a-частиц.

n-частицы – проникающая способность зависит от энергии и состава вещества, с которыми они взаимодействуют.

g-лучи – большая проникающая способность и малое ионизирующее действие. Е = 0, 001-3 МэВ.

рентген – Е = 1 кэВ – 1 МэВ – электромагнитное излучение при бомбардировке вещества потоком электронов за счет перехода электронов вещества (тормозное и характеристическое излучение).

Энергия ионизирующего излучения измеряется во внесистемных единицах -19

эл-вольтах, эВ; 1эВ = 1, 6•10 Дж. Используют и другие кратные единицы:

3 6 1кэВ = 1•10 эВ; 1МэВ =1•10 эВ.

Пожарная безопасность

Петр 1 впервые в истории русского государства начал вводить противопожарные правила в строительстве. В 1736г законом запрещено разводить костры в лесах и предусматривались мероприятия по тушению лесных пожаров. М.В.Ломоносов изучал процесс горения, предложил громоотводы. В 1904г русский инженер А.Г.Лоран получил химическую пену и изобрел огнетушитель (прототип современных). Организационные основы советской пожарной охраны изложены в декрете «Об организации государственных мер борьбы с огнем» 17 апреля 1918г по инициативе и за подписью В.И.Ленина.

Устройства молниезащиты

Здания и сооружения I и II категории молниезащиты должны быть защищены от прямых ударов молнии, вторичных проявлений молнии и заноса высокого потенциала через наземные, подземные и надземные металлические конструкции.

Здания и сооружения III категории молниезащиты, должны быть защищены от прямых ударов молнии и заноса высокого потенциала через наземные и надземные металлические конструкции.

Защита зданий и сооружений от прямых ударов молнии осуществляется молниеотводами различной конструкции в зависимости от категории молниезащиты об'екта и его конфигурации.

В современной практике используются стержневые, тросовые и сетчатые молниеотводы. Каждый из них состоит из следующих основных элементов:

1. молниеприемника, непосредственно воспринимающего удар молнии;

2. несущей конструкции, предназначенной для установки молниеприемника;

3. токоотвода, обеспечивающего отвод тока молнии к заземлителю;

4. заземлителя, отводящего ток в землю. Молниеотвод образует

вокруг себя зону защиты с малой вероятностью (1%) попадания в об'ект молнии.

Пример: построение зоны защиты для одиночного молниеотвода высотой h> 60м /пример иллюстрируется рисунком/

1. От т. «0» отложить в обе стороны по 0, 75h и т.А и В соединить с вершиной молниеотвода,

2. На высоте 0, 8h отложить т.F,

3. От т. «0» отложить в обе стороны по 1, 5h и т.А' и В' соединить с т.F,

4. Огибающая ломанная для обоих конусов является границей зоны защиты. Для расчета молниеотводов существуют специальные методики и формулы.

Эвакуация людей

При проектировании решается вопрос о путях эвакуации эвакуационных выходах.

Выход считается эвакуационным, если он ведет:

а) из помещений первого этажа непосредственно наружу или через коридор;

б) из помещений любого этажа (кроме 1-го) в коридор или проход, выходящей к лестничной клетке или непосредственно на лестничную клетку, которая имеет самостоятельный выход наружу или через вестибюль

в) из помещения в соседние помещения в том же этаже, обеспеченные выходами наружу и не содержащих производственных категорий А и Б.

Число эвакуационных выходов должно быть не больше двух. При пожаре люди должны выйти наружу кратчайшим путем. Максимальное расстояние от наиболее удаленного выхода до рабочего по СНиПу зависит от категории производства, этажности и степени огнестойкости здания и равна 40-100м Нормами также регламентируется максимальная ширина проходов, коридоров, дверей, маршей и лестничных площадок.