Терморегуляция и тепловой баланс человека.
Нормальное тепловое самочувствие имеет место, когда тепловыделение Qтп человека полностью воспринимается окружающей средой Qтo, т.е. когда имеет место тепловой баланс Qтп = Qro. 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
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 Qk в результате омывания тела воздухом, теплопроводностью Qт, излучением на окружающие поверхности Qл и в процессе тепломассообмена (Qтм=Qп+Qд) при испарении влаги, выводимой на поверхность кожи потовыми железами Qп и при дыхании Qд:
Qтп = Qк + Qт + Qл + Qтм.
Конвективный теплообмен определяется законом Ньютона: Qк
Основными параметрами, обеспечивающими процесс теплообмена человека с окружающей средой, как было показано выше, являются параметры микроклимата.
Условия, нарушающие тепловой баланс, вызывают в организме реакции, способствующие его восстановлению. Процессы регулирования тепловыделений для поддержания постоянной температуры тела человека называются терморегуляцией. Она позволяет сохранять температуру внутренних органов постоянной, близкой к 36,5 °С. Процессы регулирования тепловыделений осуществляются в основном тремя способами: биохимическим путем; путем изменения интенсивности кровообращения и интенсивности потовыделения.
Теплообмен человека с окружающей средой
Жизнедеятельность человека сопровождается непрерывным выделением теплоты в окружающую среду.
Количество её зависит от степени физического напряжения и составляет от 85 (в состоянии покоя) до 500 Вт (при тяжелой работе).
Для нормального протекания физиологических процессов, выделяемая организмом теплота должна полностью отводиться в окружающую среду.
Нарушение теплового баланса может привести к перегреву либо к переохлаждению организма и, как следствие, к потере трудоспособности, быстрому утомлению, потере сознания и тепловой смерти.
Одним из важных интегральных показателей теплового состояния организма является средняя температура тела около 36,5 °С.
Она зависит от степени нарушения теплового баланса и уровня энергозатрат при выполнении физической работы.
При выполнении работы средней тяжести и тяжелой при высокой температуре воздуха она может повышаться от нескольких десятых градуса до 1...2 °С.
Наивысшая температура внутренних органов, которую выдерживает человек, составляет 43 °С, минимальная − 25 °С.
Температурный режим кожи играет основную роль в теплоотдаче.
Ее температура меняется в довольно значительных пределах и под одеждой составляет 30...34 °С.
При неблагоприятных метеорологических условиях на отдельных участках тела температура может понижаться до 20 °С, а иногда и ниже.
Нормальное тепловое самочувствие имеет место, когда тепловыделение Qm человека полностью воспринимается окружающей средой Ото, т. е. когда имеет место тепловой баланс Qm = Ото.
В этом случае температура внутренних органов остается постоянной.
Если теплопродукция организма не может быть полностью передана окружающей среде (Qm > Ото), происходит рост температуры внутренних органов, и такое тепловое самочувствие характеризуется понятием «жарко».
Если окружающая среда воспринимает больше теплоты, чем ее воспроизводит человек (Qm < Ото), то происходит охлаждение организма.
Такое тепловое самочувствие характеризуется понятием «холодно».
Теплообмен между человеком и окружающей средой осуществляется конвекцией Qк в результате омывания тела воздухом, излучением на окружающие поверхности Qп и в процессе тепломассообмена Qтм при испарении влаги, выводимой на поверхность кожи потовыми железами и при дыхании.
Нормальное состояние человека реализуется при соблюдении равенства
Количество теплоты, отдаваемое организмом человека различными путями, зависит от того или иного параметра микроклимата.
Так, величина и направление конвективного теплообмена человека с окружающей средой определяется в основном температурой окружающей среды, атмосферным давлением, подвижностью и влагосодержанием воздуха.
Излучение теплоты происходите в направлении окружающих человека поверхностей, имеющих более низкую температуру, чем температура поверхности одежды и открытых частей тела человека.
При высоких температурах окружающих поверхностей (свыше 30 °С) теплоотдача излучением полностью прекращается, а при более высоких температурах теплоотдача излучением идет в обратном направлении − от горячих поверхностей к человеку.
Отдача теплоты при испарении влаги, выводимой на поверхность кожи потовыми железами, зависит от температуры воздуха, интенсивности работы, выполняемой человеком, от скорости движения окружающего воздуха и его относительной влажности.
Температура, скорость, относительная влажность и атмосферное давление окружающего воздуха получили название параметры микроклимата.
Температура окружающих предметов и интенсивность физической нагрузки организма ха характеризуют конкретную производственную обстановку.
Одной из наиболее адекватных, хотя и сравнительно сложных методик гигиенической оценки микроклимата является непосредственный расчет прямого показателя тепловой нагрузки на организм по основному уравнению теплового баланса.
В основном уравнении теплового баланса учтены главные факторы, оказывающие влияние на изменение содержание тепла в организме человека:
где Q − тепловая нагрузка на организм (накопление или дефицит тепла);
М − теплопродукция (метаболическое тепло, составляющее 67−75% от энергозатрат);
С− конвекционный обмен организма и окружающего воздуха;
R− радиационный теплообмен организма с окружающей средой;
Е− отдача тепла организма испарением.
В данной формуле величины R и С могут быть отрицательными, если теплоотдача происходит путем радиации и конвекции, или положительными, если в результате теплообмена организм получает тепло этими путями, что определяется различием между температурой кожи и температурой окружающих поверхностей (для R) или температурой кожи и температурой воздуха (для С).
При температуре воздуха и окружающих поверхностей 32 − 35 °С теплоотдача путем конвекции и излучения резко сокращается, при этом ведущее место в теплоотдаче занимает испарение (преимущественно пота).
При дальнейшем повышении температуры воздуха и окружающих поверхностей организм начинает получать дополнительное тепло за счет конвекции и радиации, при этом потоотделение еще более возрастает.
В комфортных условиях на теплоотдачу путем конвекции и радиации приходится 65 − 80% всей теплоотдачи организма.
При низких температурах теплоотдача путем конвекции и радиации значительно возрастает.
Тепловой баланс может быть нулевым, положительным, отрицательным.
Нулевое значение Q связано с сохранением теплового равновесия между теплопродукцией и теплоотдачей.
При положительной или отрицательной тепловой нагрузке (накопление или дефицит тепла) говорят о напряжении процессов терморегуляции, а при величинах, превышающих допустимые, − о возможности развития перегрева или переохлаждения.
В соответствии с Р 2.2.755 – 99 «Гигиенические критерии оценки и классификация условий труда по показателям вредности и опасности факторов производственной среды, тяжести и напряженности трудового процесса.» для оценки нагревающего микроклимата в помещении независимо от периода года используется интегральный показатель − тепловая нагрузка среды (ТНС−индекс).
ТНС– индекс рассчитывают по уравнению
где Твл – температура мокрого термометра аспирационного психрометра, оС;
Тш – температура шарового термометра, оС.
ТНС – индекс – эмпирический интегральный показатель (выраженный в °С), отражающий сочетанное влияние температуры воздуха, скорости его движения, влажности и теплового облучения на теплообмен человека с окружающей средой.