Тепловой баланс человека в процессе его взаимодействия со средой обитания
Формула теплового баланса между человеческим телом и окружающей средой. В этой формуле принимается за основу теплообмен человека, находящегося в покое, в состоянии температурного баланса с внешней средой, при этом безразлично, какова точно его температура:
Теплота, выделяемая организмом человека, передается в окружающую среду через кожный покров радиационным теплообменом, конвекцией, теплопроводностью (явная теплота) и испранением (скрытая теплота), а также путем выдыхания теплого воздуха.
Радиационный обмен происходит между человеком и поверхностями ограждений, его величина и направление зависят от температуры этих поверхностей. Теплота, передаваемая конвекцией и теплопроводностью, зависит от температуры, влажности и скорости воздуха, вида и теплопроводности одежды.
Испарение влаги с поверхности тела человека (скрытый теплоотвод) осуществляется за счет разности парциальных давлений водяных паров в насыщенном слое у поверхности тела и в воздухе помещения. При этом расходуется энергия организма, идущая на испарения влаги. Теплоотдача испарением будет всегда больше, чем ниже значение относительной влажности при данной температуре воздуха в помещении. Уменьшение относительной влажности приводит к увеличению разности парциальных давлений пара у поверхности тела человека и в окружающем воздухе и тем самым к увеличению испарения.
При постоянной температуре воздуха и поверхностей ограждений с ростом физической нагрузки на организм человека увеличиваются общие тепловыделения и доля теплоты, отводимой испарением влаги.
При неизменной нагрузке и повышении температуры окружающей среды уменьшается доля явного теплоотвода, а теплоотвод испарением возрастает при практически неизменных общих тепловыделениях.
16. Нормирование параметров микроклимата воздуха рабочей зоны.
Нормы производственного микроклимата установлены СанПиН 2.24.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений». Они едины для всех производств и всех климатических зон с некоторыми незначительными отступлениями. В этих нормах отдельно нормируется каждый компонент микроклимата в рабочей зоне производственного помещения: температура, относительная влажность, скорость воздуха в зависимости от способности организма человека к акклиматизации в разное время года, характера одежды, интенсивности производимой работы и характера тепловыделений в рабочем помещении. Для оценки характера одежды (теплоизоляции) и акклиматизации организма в разное время года введено понятие периода года. Различают теплый и холодный период года. При учете интенсивности труда все виды работ, делятся на три категории: легкие, средней тяжести и тяжелые.
В рабочей зоне производственного помещения согласно ГОСТ 12.1.005-88 могут быть установлены оптимальные и допустимые микроклиматические условия.
Вопрос. Тепловой баланс человека
Тепловой баланс осуществляется химической и физической терморегуляцией человека, а также путем приспособительных действий человека, направленных на создание оптимального микроклимата.
Уравнение теплового баланса:
Qт.п.+ Qт.н.= Qрад.+ Qконв.+ Qконд.+ Qисп.д.+ Qисп.дых.+ Qисп.п.+ Qдых.н.+- DQ т.с.
Qт.п. – теплопродукция человека
Qт.н. – внешняя тепловая нагрузка (солнечная радиация)
Qрад. – потери тепла радиацией
Qконв. – потери тепла конвекцией
Qконд. – потери тепла кондукцией
Qисп.д. – потери тепла испарением диффузионной влаги с поверхности кожи
Qисп.дых. – потери тепла испарением влаги с верхних дыхательных путей.
Qисп.п. – потери тепла испарением выделяемого пота
Qдых.н. – потери тепла вследствие нагревания вдыхаемого воздуха
DQт.с. – изменение теплосодержания организма относительно его комфортного уровня (дефицит или накопление тепла в организме)
Обе части равенства (теплообразование и теплоотдача) являются переменными, зависящими как от физиологических, так и от физических параметров. Теплообразование (теплопродукция человека) – выработка теплоты в организме в результате энергетических превращений в живых клетках. Теплоотдача – это теплообмен между поверхностью тела человека и окружающей средой.
2 вопрос. Потеря тепла радиацией и конвекцией
Радиационный теплообмен – теплообмен путем инфракрасного излучения: от солнца, нагретой поверхности земли, зданий, отопительных приборов и т. д. В производственной деятельности человек сталкивается с радиационным нагревом в горячих цехах, при ВТО и т. д. Излучением человек отдает тепло, когда температура ограждений ниже температуры поверхности тела. (это холодные стены, холодное оборудование и т. д.).
Потеря тепла радиацией определяется по формуле:
S – поверхность тела раздетого человека, м*
S-од.- площадь поверхности тела, покрытой одеждой, м*
Sо- площадь открытой поверхности тела, м*
tод.- температура поверхности одежды, *С
tср. – средняя радиационная температура,*С
Передача тепла конвекцией осуществляется с поверхности тела человека движущему вокруг него воздуху. Различают свободный конвекционный обмен и принудительный. Теплоотдача конвекцией составляет 20-30%. Потеря тепла конвекциейопределяется но основе закона охлаждения Ньютона по уравнению:
— коэффициент теплоотдачи конвекцией,
3 вопрос. Кондукционный теплообмен – теплоотдача от поверхности тела человека с соприкасающимися с ним твердым предметом. Отдача тепла кондукцией тем больше, чем ниже температура предмета, с которым соприкасается человек.
Qконд. – количество тепла, прошедшего через стенки с площадью S(м*) в течении времени t (ВТ)
— коэффициент теплопроводности пакета метериалов одежды.
— внутренней стороны материала
— наружной стороны (холодной) пакета.
— толщина пакета материала одежды
— площадь соприкасания одежды с твердым предметом
Потери тепла путем испарения диффузионной влаги с поверхности кожи определяется по уравнению:
— температура кожи, *С
— р – парциальное давление пара в окружающем воздухе, Па
Потери тепла при испарении влаги с верхних дыхательных путей определяется по формуле:
Потеря тепла при испарении пота.
Потоотделение – один из мощных механизмов терморегуляции, играющих важную роль в условиях перегревания организма и при выполнении человеком физической работы. Определяется уровнем физической активности человека, метеорологическими условиями, термическим сопротивлением одежды.
Максимально возможная величина теплопотерь при испарении пота определяется:
— давление водяного пара в воздухе, мм рт. ст.
— скорость движения ветра, м/с
Теплоотдача при дыхании – потеря тепла вследствие нагревания вдыхаемого воздуха. Составляет небольшую долю по сравнению с другими видами потерь тепла. Определяются по уравнению:
Qдых.н. = 0,0012Qэ.т. (34-tв) Вт
Qэ.т. – энергозатраты человека Вт/м*
34- температура выдыхаемого воздуха,*С
Контрольные вопросы:
1. Дать определение тепловому балансу
2. Теплоотдача радиацией, конвекцией, кондукцией
3. Теплоотдача испарением пота
Лекция 3.Показатели теплового состояния человека и критерии оценки.
План лекции:
1. Показатели теплового состояния человека
2. Температура кожи и тела
3. Реакция сердечно-сосудистой деятельности
1 вопрос. Показателями теплового состояния человека является:
— показатели гемодинамики (частота сердечных сокращений, артериальное давление, пульсовое давление и т. д.)
Под воздействием тепла и холода у человека изменяется кровоснабжение кожи, температура венозной крови, что является главной причиной теплового дискомфорта.
Тепловой баланс организма с окружающей средой. Терморегуляция. Гигиеническая оценка теплового состояния человека
Теплообмен человека с окружающей средой осуществляется на основе известных теплофизических законов. Основным из них является закон теплового баланса: постоянство температуры тела может быть достигнуто только при условии равенства между количеством тепла, образующегося в организме и поступившего извне (Qтпр) и количеством отдаваемого тепла. Отдача тепла осуществляется конвекцией (Qк), проведением (Qп), излучением (Qрад) и испарением (Qисп). Отсюда вытекает уравнение теплового баланса: Qтпр=Qк+Qп+Qрад+Qисп
На основании приведенного уравнения устанавливаются параметры внешней среды, при которых еще возможно сохранение теплового равновесия и границы выживания (временная характеристика), определяющие режим труда в экстремальных температурных условиях. Проводятся мероприятия по предупреждению холодовых и тепловых поражений. Для этого необходимы сведения об интенсивности теплообразования, с одной стороны, и сведения об условиях теплоотдачи и ее величинах, зависящих от качества одежды (Код) и возможных пределов изменения ее тепловых свойств, а также от теплового состояния внешней среды и колебаний ее основных параметров — с другой.
Одним из результатов физико-химических (биохимических) реакций, непрерывно протекающих в организме человека, является образование тепла. Известно, что даже в состоянии полного покоя оно составляет около 75—80 ккал/ч. Существенное влияние па теплопродукцию оказывает эмоциональное состояние:
в предрабочие и предстартовые периоды она усиливается на 100— 150%. Определенное значение имеет характер питания (см. главу «Гигиена питания»).
Тепловое состояние среды и организма может оказывать воздействие на уровень общего и основного обмена. Холод повышает обмен на 30—35%, под влиянием тепла, исключая случаи перегревания, обмен понижается па 10—15% и более. Изменение обмена может быть и более выраженным, все зависит от продолжительности акклиматизации.
Регуляция теплообразования. Процесс поддержания теплового равновесия организма путем изменения суммы образующегося в теле тепла получил наименование «химической терморегуляции». Регулирование теплопродукции совершается рефлекторно из особого теплового центра, расположенного в гипоталамической области (область серого бугра), и осуществляется при помощи нервной и эндокринной систем.
Установление определенного уровня терморегуляции и наиболее тонкое, точное уравновешивание организма с внешней средой протекает под контролем коры головного мозга. При низкой температуре среды отмечается возбуждение центральной нервной системы и увеличение теплообразования, главным образом, вследствие непроизвольного сокращения многих мышечных групп (дрожь). При этом все 100% расходуемой энергии превращаются в тепло. Под влиянием симпатической нервной системы повышается обмен веществ в печени и других органах. Импульсы из теплового центра идут также к надпочечникам и вызывают секрецию адреналина; усиливается функция щитовидной железы.При высокой температуре наблюдается снижение обмена и уменьшение теплообразования.
Регуляция теплоотдачи. В регулировании теплоотдачи большую роль играют кожа н ее придатки. Подкожный жир имеет ограниченное значение для человека.
Наиболее совершенными механизмами регулирования теплоотдачи являются вазомоторная реакция и усиление функции потовых желез. И тот и другой механизм регулируются нейро-гуморальным путем. При высоких температурах может произойти значительное увеличение теплоотдачи вследствие повышения температуры кожи, обусловленного расширением периферических сосудов, перераспределением крови и ускорением кровотока.
При низких температурах происходит сужение сосудов, и потеря тепла может существенно уменьшаться. Этому способствует усиление секреции адреналина, обладающего, как известно, сосудосуживающим эффектом. Кроме того, под влиянием холода происходит сокращение гладкой мускулатуры кожи, вытеснение депонированной в ной воды, благодаря чему уменьшается ее теплопроводность, а следовательно, и теплоотдача проведением от внутренних частей тела к периферии.
В результате акклиматизации сосудистая реакция па охлаждение становится более быстрой и адекватной.
Теплоотдача за счет испарения пота регулируется вегетативной нервной системой. При охлаждении наблюдается полное прекращение функции потовых желез; в условиях затрудненной теплоотдачи пли при тяжелой работе происходит включение этого важного и эффективного механизма.
Несмотря на то, что у человека, в отличие от животных, регулирование температуры тела достигло большого совершенства, все же поддержание постоянной температуры тела при помощи рассмотренных выше механизмов возможно в сравнительно узких пределах колебаний теплового состояния внешней среды. При резком охлаждении или, наоборот, крайнем затруднении теплоотдачи человеку приходится прибегать к искусственным средствам сохранения теплового баланса (одежда, жилище).
Оптимальное тепловое состояние организма характеризуется комфортными теплоощущениями, отсутствием напряжения физических механизмов терморегуляции, сохранением высокого уровня работоспособности и здоровья Допустимое тепловое состояние сопряжено с умеренным напряжением физиологических механизмов терморегуляции, появлением дискомфортных теплоощущений, возможным снижением работоспособности, отсутствием нарушений состояния здоровья Предельное тепловое состояние проявляется в резком напряжении механизмов терморегуляции, не обеспечивающем однако стабилизации теплового баланса организма. Вследствие этого происходитнепрерывное нарастание (снижение) его теплосодержания и резкоеснижение работоспособности.
3.22. Что представляет собой тепловой баланс тела человека?
Известно, что температура поверхности тела человека в зависимости от внешних условий и его состояния может меняться в значительных пределах, превышающих 20°C. Соответственно меняется теплоощущение.
Экспериментальным путем установлено, что при температуре поверхности тела ниже 29°C подавляющее большинство людей начинает ощущать холод, а при температуре выше 34,5°C – чрезмерное тепло. Наиболее комфортная температура поверхности тела – 33°C.
При стабильной температуре поверхности тела тепло-ощущение человека остается неизменным, приток и расход тепла в организме оказываются сбалансированными. Тепловой баланс тела человека можно выразить в виде уравнения; составляющими его членами будут: радиационный баланс поверхности тела Р, теплопродуктивность организма М (определяемая в среднем количеством и калорийностью пищи, усвоенной в данный момент времени), затраты тепла на испарение И, турбулентный поток тепла от поверхности тела Т. Таким образом: Р + М = И + Т.
Это упрощенное выражение уравнения теплового баланса не учитывает такие относительно малые члены, как, например, потеря тепла при дыхании. Она приобретает сколь-либо существенное значение только при низких температурах воздуха. Кроме того, тепловой баланс тела человека в одежде будет определяться также теплоизолирующим влиянием одежды и его выражение приобретет более сложный вид.
Тепловой баланс человека
Известный исследователь параметров комфорта и качества воздуха Оле Фангер предложил формулу теплового баланса между телом человека и окружающей средой. В этой формуле за основу принимается теплообмен человека, который находится в покое, в состоянии температурного баланса с внешней средой. При этом совершенно неважно, какова точно его температура. В таких условиях количество тепла, вырабатываемого телом человека, равно теплу, которое отводится во внешнюю среду.
M = W + Qд + Qк
где
M— количество тепла, вырабатываемого организмом, Вт/кв.м;
W — объем производимой механической работы, Вт/кв.м;
Qд — общее количество тепла, выделяемого при дыхании, Вт/кв.м;
Qк — общее количество тепла, отводимого через кожу, Вт/кв.м.
Количество тепла отводимого от человеческого тела зависит от следующих параметров:
— разницы температур между телом и окружающей воздушной средой;
— потерь (или получения) тепла от окружающих стен;
— кожных испарений (охлаждения при испарении);
— явных и скрытых потерь тепла при дыхании соответственно за счет теплопроводности и испарения.
Тепло, которое выделяется человеческим организмом, передается во внешнюю среду через кожный покров посредством радиационного теплообмена, конвекции, теплопроводности (явная теплота) и испарения(скрытая теплота), а также путем выдыхания теплого воздуха.
Радиационный обмен тепла происходит между человеком и поверхностями ограждений, его величина и направление зависят от этих поверхностей. Конвекция и теплопроводность зависят от температуры, влажности и скорости воздуха, а также вида и теплопроводности одежды.
Испарение влаги с поверхности человеческого тела происходит за счет разности парциальных давлений водяных паров в насыщенном слое у поверхности тела и в воздухе помещения. При этом расходуется теплота (энергия) организма, которая идет на испарение влаги. Чем ниже значение относительной влажности воздуха при данной температуре в помещении, тем больше будет теплоотдача испарением.
Комфортные кондиции окружающей среды могут иметь различные значения и главным образом зависят от интенсивности труда, совершаемого человеком, и его одежды.
В зависимости от того, в каком состоянии находится организм человека (сон, отдых, умственная или физическая работа) и параметров воздушной среды, каждый человек выделяет 330-1050 кДж тепла, 40-415 г влаги и 18-36 литров углекислого газа в течение часа.
С ростом физической нагрузки на организм, при постоянной температуре воздуха и поверхностей ограждений увеличиваются показатели тепловыделения и отводимой испарением влаги. При неизменной нагрузке и повышении температуры внешней среды уменьшается доля явного теплоотвода, а отвод тепла испарением возрастает при практически неизменных общих тепловыделениях.