Теплообмен тела человека с окружающей средой

Жизнедеятельность человека сопровождается непрерывным выделением теплоты в окружающую среду. Ее количество зависит от степени физического напряжения в определенных климатических условиях и составляет от 85 Дж/с (в состоянии покоя) до 500 Дж/с (при тяжелой работе). Для того чтобы физиологические процессы в организме протекали нормально, выделяемая организмом теплота должна полностью отводиться в окружающую среду. Нарушение теплового баланса может привести к перегреву либо к переохлаждению организма и как следствие к потери трудоспособности, быстрой утомляемости, потери сознания и тепловой смерти.

Температура тела человека зависит от степени нарушения теплового баланса и уровня энергозатрат при выполнении физической работы. Температурный режим кожи играет основную роль в теплоотдаче.

Нормальное тепловое самочувствие имеет место, когда тепловыделение (Q_ТП) человека полностью воспринимается окружающей средой (Q_ТО), т.е. когда имеет место тепловой баланс Q_ТП = Q_ТО. В этом случае температура внутренних органов остается постоянной. Если теплопродукция организма не может быть полностью передана окружающей среде (Qтп > Qтo), происходит рост температуры внутренних органов и такое тепловое самочувствие характеризуется понятием жарко. Теплоизоляция человека, находящегося в состоянии покоя (отдых сидя или лежа), от окружающей среды приведет к повышению температуры внутренних органов уже через 1 ч на 1,2 °С. Теплоизоляция человека, производящего работу средней тяжести, вызовет повышение температуры уже на 5 °С и вплотную приблизится к максимально допустимой. В случае, когда окружающая среда воспринимает больше теплоты, чем ее воспроизводит человек (Qтп < Qтo), то происходит охлаждение организма. Такое тепловое самочувствие характеризуется понятием холодно.

Теплообмен между человеком и окружающей средой осуществляется конвекцией (Q_k) в результате омывания тела воздухом, теплопроводностью (Q_т), излучением на окружающие поверхности (Q_ИЗ) и в процессе тепломассообмена при испарении влаги, выводимой на поверхность кожи потовыми железами (Q_ИС) и при дыхании (Q_В) (рисунок):

,

3.11

где .

Конвективный теплообмен определяется законом Ньютона:

,

3.12

где α_к – коэффициент теплоотдачи конвекций. При нормальных параметрах микроклимата α_к = 4,06 Вт/ (м •°С);

t_ПОВ – температура поверхности тела человека (для практических расчетов зимой около 27,7 °С, летом около 31,5 °С);

t_ОС – температура воздуха, омывающего тело человека;

F_Э – эффективная поверхность тела человека (размер эффективной поверхности тела зависит от положения его в пространстве и составляет приблизительно 50...80 % геометрической внешней поверхности тела человека. Для практических расчетов F э= 1,8 м²).

Рисунок 3.9 – Теплообмен между человеком и средой

Значение коэффициента теплоотдачи конвекцией также можно определить приближенно как

,

3.13

где λ – коэффициент теплопроводности газа пограничного слоя, Вт/ (м ·°С);

δ – толщина пограничного слоя омывающего газа, м.

Передача теплоты конвекцией тем больше, чем ниже температура окружающей среды и чем выше скорость движения воздуха. Заметное влияние оказывает и относительная влажность воздуха φ, так как коэффициент теплопроводности воздуха является функцией атмосферного давления и влагосодержания воздуха.

На основании изложенного выше можно сделать вывод, что величина и направление конвективного теплообмена человека с окружающей средой определяется в основном температурой окружающей среды, атмосферным давлением, подвижностью и влагосодержанием воздуха, т.е.

,

3.14

где В – атмосферное давление.

Передачу теплоты теплопроводностью можно описать уравнением Фурье:

,

3.15

где λ ₀ –коэффициент теплопроводности тканей одежды человека, Вт/ (м∙°С);

∆о –толщина одежды человека м.

Теплопроводность тканей человека мала, поэтому основную роль в процессе транспортирования теплоты играет конвективная передача с потоком крови.

Лучистый поток при теплообмене излучением тем больше, чем ниже температура окружающих человека поверхностей. Он может быть определен с помощью обобщенного закона Стефана – Больцмана:

,

3.16

где с_ПР – приведенный коэффициент излучения, Вт/ (м²_сти К⁴). Для практических расчетов в диапазоне температур окружающих человека предметов 10...60 °С приведенный коэффициент излучения С_пр ≈ 4,9 Вт/ (м² К⁴);

F₁ – площадь поверхности, излучающей лучистый поток, м²;

ψ_1-2 – коэффициент облучаемости, зависящий от расположения и размеров поверхностей F₁ и F₂ и показывающий долю лучистого потока, приходящуюся на поверхность F₁ от всего потока, излучаемого поверхностью F_1, ψ_1-2 обычно принимают равным 1,0;

T₁ средняя температура поверхности тела и одежды человека, К;

T₂ – средняя температура окружающих поверхностей, К.

Количество теплоты, отдаваемое человеком в окружающую среду при испарении влаги, выводимой на поверхность потовыми железами,

,

3.17

где G_n – масса выделяемой и испаряющейся влаги, кг/с;

r – скрытая теплота испарения выделяющейся влаги, Дж/кг.

Данные о потовыделении в зависимости от температуры воздуха и физической нагрузки человека приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 – Количество влаги, выделяемой с поверхности кожи и из легких человека, г/мин

Характеристика выполняемой работы (по Н.К. Витте)	Температура воздуха, °С
Покой, J = 100 Вт	0,6	0,74	1,69	3,25	6,2
Легкая, J =200 Вт	1,8	2,4	3,0	5,2	8,8
Средней тяжести, J 350 Вт	2,6	3,0	5,0	7,0	11,3
Тяжелая, J = 490 Вт	4,9	6,7	8,9	11,4	18,6
Очень тяжелая, J = 695 Вт	6,4	10,4	11,0	16,0	21,0

Как видно из таблицы, количество выделяемой влаги меняется в значительных пределах. Так, при температуре воздуха 30 °С у человека, не занятого физическим трудом, влаговыделение составляет 2 г/мин, а при выполнении тяжелой работы увеличивается до 9,5 г/мин.

Количество теплоты, отдаваемой в окружающий воздух с поверхности тела при испарении пота, зависит не только от температуры воздуха и интенсивности работы, выполняемой человеком, но и от скорости окружающего воздуха и его относительной влажности, т.е.

,

3.18

где J–интенсивность труда, производимого человеком, Вт.

В процессе дыхания воздух окружающей среды, попадая в легочный аппарат человека, нагревается и одновременно насыщается водяными парами. В технических расчетах можно принимать (с запасом) что выдыхаемый воздух имеет температуру 37 °С и полностью насыщен.

Количество теплоты, расходуемой на нагревание вдыхаемого воздуха,

,

3.19

где V_ЛВ – объем воздуха, вдыхаемого человеком в единицу времени, легочная вентиляция, м^3/с;

ρ_вд – плотность вдыхаемого влажного воздуха, кг/м³;

Ср – удельная теплоемкость вдыхаемого воздуха, Дж/ (кг • ˚С);

t_выд – температура выдыхаемого воздуха, °С;

t_вд – температура вдыхаемого воздуха, °С.

Легочная вентиляция определяется как произведение объема воздуха вдыхаемого за один вдох, V_ВВ, м³ на частоту дыхания в секунду п:

,

3.20

Частота дыхания человека непостоянна и зависит от состояния организма и его физической нагрузки. В состоянии покоя она составляет 12... 15 вдохов-выдохов в минуту, а при тяжелой физической нагрузке достигает 20...25. Объем одного вдоха-выдоха является функцией производимой работы. В состоянии покоя с каждым вдохом в легкие поступает около 0,5 л воздуха. При выполнении тяжелой работы объем вдоха-выдоха может возрастать до 1,5...1,8 л.

Среднее значение легочной вентиляции в состоянии покоя примерно 0,4...0,5 л/с, а при физической нагрузке в зависимости от ее напряжения может достигать 4 л/с.

Таким образом, количество теплоты, выделяемой человеком с выдыхаемым воздухом, зависит от его физической нагрузки, влажности и температуры окружающего (вдыхаемого) воздуха:

,

3.21

Чем больше физическая нагрузка и ниже температура окружающей среды, тем больше отдается теплоты с выдыхаемым воздухом. С увеличением температуры и влажности окружающего воздуха количество теплоты отводимой через дыхание, уменьшается.

Анализ приведенных выше уравнений позволяет сделать вывод что тепловое самочувствие человека, или тепловой баланс в системе человек–среда обитания зависит от температуры среды, подвижности и относительной влажности воздуха, атмосферного давления, температуры окружающих предметов (Т_ОП) и интенсивности физической нагрузки организма:

.

3.22

Дата добавления: 2014-01-20