Теплообмін людини з навколишнім середовищем

Вплив метеорологічних факторів на організм людини.

Однією з необхідних умов нормальної життєдіяльності людини є забезпечення нормативних метеорологічних умов, котрі визначаються сумісною дією таких факторів, як температура, відносна вологість та швидкість руху повітря. Метеорологічні умови, або мікроклімат, залежать від теплофізичних особливостей технологічного процесу, клімату, сезону року, умов опалення та вентиляції.

Життєдіяльність людини супроводжується виділенням тепла в навколишнє середовище. 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). Для того, щоб фізіологічні процеси в організмі людини відбувалися нормально, тепло, що виділяється організмом людини, повинне повністю відводиться у навколишнє середовище. Порушення теплового балансу може призвести до перегрівання або до переохолодження організму людини і, зрештою, до втрати працездатності, втрати свідомості та до теплової смерті.

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 ºС до + 40 ºС. При цьому температура окремих ділянок шкіри та внутрішніх органів може бути від 24^o до 37,1^oС.

Найбільш інтенсивні обмінні процеси відбуваються в печінці – її температура – 38,0… 38,5 ^oС. Існує добовий біоритм температури шкіри: максимальна (37,0…37,1 ^oС) о 16.00…19.00, мінімальна (№:,0…36,2 ^oС) о 2.00…4.00 за місцевим часом.

Рівняння теплового балансу “людина-навколишнє середовище” вперше було проаналізоване в 1884 році професором Флавіцьким І.І. Теплообмін між людиною та навколишнім середовищем здійснюється конвенцією 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_n) і при диханні (g_д):

G_тн = g_к+ g_т +g_в +g_n+ g_д

Конвективний теплообмін визначається за законом Ньютона:

G_r= a_кF_е(t_пов-t_нс),

де t_пов- температура поверхні тіла людини (взимку – 27,5 ⁰С, влітку – 31 ⁰С); t_нс- температура навколишнього середовища; F_е- ефективна поверхня тіла людини (50…80% геометричної зовнішньої поверхні тіла людини).

Для практичних розрахунків вона приймається 1,8 м²; α_к- коефіцієнт тепловіддачі конвекцією; α_к=4,06 Вт/(м²хград).

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

Рівняння Фур’є, котре описує теплопровідність в одномірному теплопровідному полі, можна записувати у вигляді:

G_т= α₀/Δ₀F_с(t_пов- t_нс),

де α₀ – коефіцієнт теплопровідності тканин одягу людини, Вт/град; Δ₀ – 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 знову перетворюється у теплову. Променистий набряк тим більший, чим нижча температура поверхонь, котрі оточують людину і може бути визначений за допомогою узагальненого закону Стефана-Больцмана

g_в=С_прF₁γ_1-2{(

де Т₁ – середня температура поверхні тіла та одягу людини, К; Т₂ – середня температура оточуючих поверхонь,К; ^γ_1-2- коефіцієнт опромінюваності, що залежить від розташування та розмірів поверхоньF₁ та F₂, і котрий вказує на частку променистого тепла, що припадає на поверхню F₂ від всього потоку, який випромінюється поверхнею F₁; С_пр- С₁хС₂/С₀ – приведений коефіцієнт випромінювання, Вт/(м²К⁴) – коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла.

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

g_{n =} Gn ·r,

где Gn - кількість вологи, що виділяється і випаровується, кг/с; r - прихована теплота випаровування вологи, котра виділяється, Дж/кг.

Кількість тепла, що віддається в оточуюче 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 вдихується, можна визначити за рівнянням

G_д = V_лвP_вдС_р (t_вид- t_вд),

де V_лв- легенева вентиляція, м³/с; P_вд –густина вологого повітря, що вдихується, кг/м³; С_р – питома теплоємність повітря, що вдихується, Дж/(кг/град); t_вид – температура повітря, що видихається,⁰С; t_вд – температура повітря, що вдихується, ⁰С.

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

Кількість теплоти, що виділяється людиною з повітрям, котре видихається, залежить від її фізичного навантаження, вологості повітря, температури оточуючого середовища. Загалом теплове самопочуття людини залежить від температури навколишнього середовища, рухомості та відносної вологості повітря, барометричного тиску, температури оточуючих предметів та інтенсивності фізичного навантаження організму. Оскільки температура оточуючих предметів, інтенсивність фізичного навантаження організму визначають конкретну виробничу обстановку і характеризуються великою різноманітністю, її розглядають окремо. Інші параметри: температура, швидкість, відносна вологість та барометричний тиск оточуючого повітря отримали назву параметрів мікроклімату.

Дата добавления: 2014-01-04