Тепловое излучение тела человека. Роль теплового излучения в процессах теплообмена организма с окружающей средой. Понятие о термографии

Тело человека и других теплокровных животных поддерживается при определенной температуре благодаря терморегуляции, существенной частью которой является теплообмен организма с окружающей средой.

Температура окружающей среды ниже температуры тела человека. Теплообмен происходит посредством теплопроводности, конвекции, испарения и лучеиспускания (поглощения). Распределение отдаваемого количества теплоты между перечисленными процессами зависит от многих факторов, таких как состояние организма (температура, эмоциональное состояние, подвижность и так далее), состояние окружающей среды (температура, влажность, движение воздуха и тому подобное), одежда (форма, цвет, толщина). Так как теплопроводность воздуха мала, то этот вид теплоотдачи очень незначителен. Более существенна конвекция, она может быть не только обычной, естественной, но и вынужденной, при которой воздух обдувает нагретое тело. Большую роль для уменьшения конвекции играет одежда. В условиях умеренного климата 15 - 20% теплоотдачи человека происходит конвекцией. Испарение происходит с поверхности кожи и легких, этим путем осуществляется около 30% теплопотерь. Наибольшая доля теплопотерь (~ 50%) приходится на излучение во внешнюю среду от открытых частей тела и одежды. Для вычисления этих потерь сделаем два основных допущения:

1 - излучаемые тела (кожа, ткань одежды) примем за серые. Это позволяет использовать формулу (11).

Назовем a × s = d приведенным коэффициентом излучения. Тогда формулу (11) запишем так:

E _с.т. = d T⁴. (16)

Приведем коэффициенты поглощения и приведенный коэффициент излучения для некоторых тел:

a d×10⁸ вт/м²×к⁴

кожа человека 0,90 5,1

шерсть, шелк 0,76 4,3

хлопчатобумажная ткань 0,73 4,2

2 - применим закон Стефана-Больцмана к неравновесному излучению тела человека.

Если раздетый человек, поверхность тела которого имеет температуру T₁, находится в комнате с температурой T₀, то его потери излучением могут быть вычислены следующим образом. В соответствии с формулой (2) человек излучает со всей открытой поверхности тела площади S мощность

Ф₁ = SdT₁⁴. (17)

Одновременно человек поглощает часть излучения, попадающего от предметов комнаты, стен, потолка и тому подобное. Если бы поверхность тела человека имела бы температуру, равную температуре воздуха в комнате, то излучаемая и поглощаемая мощности были бы равны и одинаковы:

Ф₀ = SdT₀⁴.

Такая же мощность будет поглощаться телом человека и при других температурах поверхности тела. На основании двух последних равенств получаем мощность, теряемую человеком при взаимодействии с окружающей средой посредством излучения:

Ф = Ф₁ - Ф₀ = Sd (T₁⁴ - T₀⁴).

Для одетого человека под T₁ следует понимать температуру поверхности одежды.

Одежда вносит существенный вклад в уменьшение теряемой человеком тепловой энергии. Например, при температуре окружающей среды 18⁰ С (291 К) раздетый человек, температура поверхности кожи которого ~33⁰ С (306 К), теряет ежесекундно посредством излучения с площади 1,5 м² следующую энергию:

Ф = 1,5 × 5,1 × 10^-8 (306⁴ - 291⁴)» 122дж/сек.

При той же температуре окружающей среды в хлопчатобумажной одежде, температура поверхности которой 24⁰ С (297 К), ежесекундно теряется посредством излучения энергия, равная:

Ф_од. = 1,5 × 4,2 × 10^-8 (297⁴ - 291⁴)» 37 дж/сек.

Максимум спектральной плотности энергетической светимости тела человека, в соответствии с законом Вина, попадает на длину волны ~9,4 мкм (ИК-область спектра).

Вследствие сильной температурной зависимости энергетической светимости (T⁴) даже небольшое повышение температуры поверхности может вызвать такое изменение излучаемой мощности, которое надежно зафиксируется приборами.

Продифференцируем уравнение (16):

dE_С.Т.= 4d Т³ dt.

Разделив это выражение на dt, получим:

Это означает, что относительное изменение энергетической светимости больше относительного изменения температуры излучающей поверхности в 4 раза. Так, если температура поверхности тела человека изменится на 3⁰ С, то есть ~на 1%, то энергетическая светимость изменится на 4%.

У здоровых людей распределение температуры по различным точкам поверхности тела достаточно характерно. Однако воспалительные процессы, опухоли могут изменить местную температуру. Температура вен зависит от состояния кровообращения, а также от охлаждения или нагревания конечностей. Таким образом, регистрация излучения разных участков поверхности тела человека и определение их температуры является диагностическим методом. Такой метод, называемый термографией, находит всё более широкое применение в клинической практике. Термография абсолютно безвредна и в перспективе может стать методом массового профилактического обследования населения.

Вопрос 8. 8 минут.

Дата добавления: 2014-01-14