Система теплорегуляции организма (физическая и химическая)

1.3. Система теплорегуляции организма (физическая и химическая)

Терморегуляция – совокупность физиологических процессов, поддерживающих внутреннюю температуру тела на постоянном уровне.

Теплообразование зависит от интенсивности химических реакций обмена веществ, рост которого при охлаждении тела обеспечивается химической терморегуляцией. А физическая терморегуляция регулирует отдачу тепла организмом посредством физических процессов – теплопроводности, конвекции, излучения и испарения.

Химическая терморегуляция осуществляется изменением интенсивности окислительных процессов, вызванных микровибрацией мышц (колебаниями); а физическая – изменением температуры кожи, благодаря расширению (сужению) кожных сосудов, изменению интенсивности потоотделения и дыхания, являющихся реакцией на изменение температуры внешней среды, влажности воздуха и других факторов. Расширение сосудов кожи и увеличение количества притекающей крови ведет к усилению теплоотдачи, сужение их – к снижению ее.

Терморегуляция происходит рефлекторно благодаря раздражению температурных рецепторов кожи и слизистых оболочек, возникновению нервных импульсов, возбуждающих нервные центры.

ІІ. УРАВНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ОРГАНИЗМА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ. ПРИБЛИЖЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ ОДЕЖДЫ

Основное назначение одежды – это защита организма человека от неблагоприятных воздействий внешней среды (ветер, туман, дождь и др.) и обеспечение теплового комфорта, который является условием нормальной жизнедеятельности человека. Необходимое условие сохранения длительного теплового комфорта – поддержание теплового баланса, который достигается путем терморегуляции организма и применения требуемой для данных условий одежды с искусственно регулируемым микроклиматом пододежного воздуха, характеризующегося температурой и влажностью. Основной же показатель теплового комфорта человека – это средневзвешенная температура поверхности тела (кожи), которая приблизительно одинакова для всех видов деятельности человека (≈33⁰С – для кожи, покрытой одеждой). При этом учитывается, что пододежное пространство систематически вентилируется в связи с выделением кожи человека испарений влаги и углекислоты, которые должны удаляться.

Существуют аналитические методы теплового расчета одежды.

1)    В процессе постоянного обмена веществ в организме человека в результате распада сложных химических соединений освобождается энергия. Она превращается в тепловую, электрическую и механическую энергии и обеспечивает протекание всех форм деятельности организма. Исходя из І и ІІ-го законов термодинамики энергетический баланс организма человека может быть описан уравнением:

M + J = Q_рад. + Q_конв. + Q_исп. + Q_дых. + Z, где

M – энергия, вырабатываемая в организме человека (теплопродукция), ккал/час;

Z – тепло, которое расходуется на механическую работу;

Q_рад. – потери тепла радиацией (излучение), ккал/ч;

Q_конв. – потеря тепла теплопроводностью и конвекцией;

Q_исп. – потеря тепла испарением влаги с кожи и верхних дыхательных путей, ккал/ч;

Q_дых. – потеря тепла на нагрев вдыхаемого воздуха, ккал/ч;

J – адсорбция тепла радиацией, ккал/ч.

Для расчета средневзвешенной температуры определяют общую поверхность тела, равную сумме поверхностей отдельных его частей методами антропометрии. Наиболее распространенных из них – линейный метод Дюбца: поверхность тела делится на отдельные части – голову, туловище, верхние и нижние конечности, а поверхности этих частей тела производятся по формулам (определяются), выведенным на основании антропометрических измерений человека.

Соотношение поверхности частей к общей поверхности тела:

голова – 7,36% бедро – 20,3%

туловище – 35,5% голень – 12,5%

плечо и предплечье – 13,4% стопа – 6,44%

кисть – 4,5%

Расчет средневзвешенной величины температуры поверхности тела человека осуществляется по следующей формуле:

n

t_{ср.взв.к.} = Σ • t_i • S_i/S_общ. , где

i

t_i – температура в иpмеряемой точке участка поверхности тела;

S_i – площадь поверхности данного участка тела;

S_общ. – общая площадь поверхности тела.

Для проектирования одежды важным является то, что человек может испытывать комфортные ощущение и при некотором нарушении теплового равновесия. Это результат существования "резерва" тепла организма человека, который используется им в случае охлаждения (1272 - 2448 ккал) и находится во внешних слоях тканей организма, на глубине 2-3 см от кожи. Величина его зависит от веса человека и температуры тела:

D = CP (0,7t_Т + 0,3t_К)

D – дефицит тепла в организме, ккал;

C – удельная теплоемкость тела человека, равная в среднем 0,83 ккал/кг • град;

P – вес тала человека, кг;

t_т – температура тела в ⁰С;

t_к – температура кожи в ⁰С.

Расчет радиационно-конвективных теплопотерь и требуемого теплового сопротивления одежды производится по методике ЦНИИШП с учетом величины энергозатрат человека (М), времени пребывания его в заданных метеорологических условиях (τ), температуры окружающей среды (t_B), скорости ветра (v_B) и воздухопроницаемости одежды.

1. Определяем энергию, затраченную человеком на механическую работу: Z = (M - M_осн.) • 10% / 100%;

2. Q_исп.=[(M+D/t)-Z] • 20/100% • [(H+D/t) • (M-M_осн.)•10% / 100%] • 20/100%

3. Q_исп. = (M+D/t) - Z - Q_исп. - Q_дых. = Q72М +0,028М_осн. + 0,8D/t - Q_дых.

Зная величину радиационно-конвективных теплопотерь, можно определить плотность теплового потока с поверхности тела человека:

q = Q_{рад-конв.} / S_общ.

Общая площадь тела человека находится как зависимость площади поверхности тела человека от его роста и веса.

Суммарное тепловое сопротивление одежды определяется по формуле:

R_сум. = t_{ср.взв.к} - t_B / q

При этом ввиду того, что тепловое сопротивление одежды падает при повышении скорости ветра, необходимо установить поправку на ветер к R_сум. с учетом воздухопроницаемости материалов одежды.

2) Метод Г.Кондратьева. За критерий комфорта принята средняя температура кожи также.

Учитывая І-ый закон термодинамики, т.е. закон термодинамики – Закон сохранения энергии, тепловой баланс тела человека выражается уравнением: M = Q + Q^׀ + L + E + A, где

М – теплопродукция, ккал/ч;

Q – теплоотдача через кожу, покрытую одеждой;

Q^׀ – теплоотдача через кожу, не покрытую одеждой;

Е – теплоотдача через дыхательные пути;

L – потеря тепла на механическую работу;

А – накопление энергии в виде теплоты в организме (внутри).

Величины Q^׀ и А незначительны, поэтому в приближенном расчете исключаются: M = Q + L + E

Величины L и Е составляют некоторые доли от М: L = хМ, Е = уМ, где х,у – правильные дроби, показывающее тепло, теряемое в результате внешней механической работы (х) и при дыхании (у).

Таким образом, получаем полное количество тепла, которое проходит сквозь одежду, т.е.

Q = М (1 - х - у)

Полагая, что х≈0,20, у≈0,24 при длительной работе, получим Q=0,56М или Q=qS, где

q – удельный тепловой поток, тепловая нагрузка одежды;

S – поверхность кожи человека, м²;

Для наглядности сравним данную тепловую нагрузку одежды (q) с тепловой нагрузкой, соответствующей нормальному тепловому состоянию организма (q₀), когда температура воздуха, стен, потолка равна 21⁰С, скорость воздуха 0,1 м/сек, относительная влажность воздуха 40-60%, физические усилия отсутствуют, средняя температура кожи под одеждой t₁=33⁰С, тепловое сопротивление воздуха R_По=0,14, т.е. коэффициент теплоотдачи α₀=7,15 ккал/м² • ч • град.

N = q/q₀ = Q/Q₀ – показатель тепловой нагрузки выражает, во сколько раз теплопотери кожи под одеждой при данных условиях работы организма больше теплопотери при нормальном состоянии.

Аналогично, I - R/R₀ – показатель теплоизоляционной способности данной одежды выражает теплозащитную способность этой одежды по сравнению с той одеждой, в которую одет человек при нормальном тепловом состоянии. Чем больше І, тем теплее одежда. R₀ – тепловое сопротивление нормализованной одежды = 0,17 ÷ 0,18 м² • ч • град/ккал.

Таким образом, величина М определяется видом деятельности человека, а N = M (1 - x - y)/Q₀ , а при (1 - x - y)≈0,56

N ≈0,78M/100

Q₀ = 72ккал/ч

Для определенной обстановки работы известны t_B – температура внешней среды и α – коэффициент теплоотдачи α от поверхности одежды в окружающую среду. Следовательно, из уравнения  находим І, а требуемое тепловое сопротивление одежды по формуле R=0,175 • I.

Проведенный тепловой расчет одежды относится только к установившемуся тепловому режиму организма и стационарным внешним условиям, он исключает период адаптации и относится только к длительной работе, а не к кратким усилиям (длительность исчисляется минутами).

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Р.Г.Рахимов, И.А.Дмитричева. "Гигиена одежды. Лабораторно-практические работы. Методические указания". Киев, 1980.

2. П.А.Колесников. "Теплозащитные свойства одежды". Издательство "Легкая индустрия". Москва, 1965.