Основное уравнение теплового баланса
Тепловой баланс достигается координацией процессов, направленных на выработку тепла в организме (теплопродукции) и его выведение – теплоотдачу. Он осуществляет аппаратом химической и физической терморегуляции человека, а также путем приспособительных действий человека, направленных на создание оптимального микроклимата, и использования одежды («поведенческая » терморегуляция).
Тепловой баланс в общем виде может быть описан уравнением
Qт.п+Qт.н=Qрад+Qконв+Qконд+Qисп.д+Qисп.дых+Qисп.п+Qдых.н±Qт.с
Qт.п – теплопродукция человека
Qт.н - внешняя тепловая нагрузка (например, вследствие солнечной радиации)
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
Qт.с –изменение теплосодержания организма относительно его комфортного уровня (дефицит или накопление тепла в организме)
Обе части равенства, характеризующие тепловой баланс (теплообразование и теплоотдача), являются переменными, зависящими как от физиологических, так и от физических параметров.
Теплообразование в большей степени зависит от физиологических реакций, теплоотдача – от физических факторов окружающей среды, одежды. Физиологические реакции регулируют передачу тепла от внутренних тканей тела человека и поверхностью кожи.
Теплообразование (теплопродукция человека) – выработка теплоты в организме в результате энергетических превращений в живых клетках; она связана с непрерывно совершающимся биохимическим синтезом белком и других органических соединений, с осмотической работой (переносом ионов), с механической работой мышц (сердечной мышцы, гладких мышц различных органов, скелетной мускулатуры). В организме человека, находящегося в состоянии относительного физического покоя, 50 % теплоты образуется в органах брюшной полости (главным образом в печени), 20 % в скелетах мышцах и центральной нервной системе, 10 % - при работе органов дыхания и кровообращения. При выполнении физической работы, а также при выраженном охлаждении человека в покое (дрожь) значительно увеличивается доля образования теплоты в скелетных мышцах. Часть энергии, образующейся в организме при выполнении физической работы, расходуются на внешнюю работу. Основная же ее часть переходит в тепловую Qт.п (теплопродукцию).
Таким образом, энергия, выделяемая в организме в виде тепла (теплопродукция) и обеспечивающая поддержание постоянного уровня тепла температуры тела, составляет при физической работе только часть энерготрат Qэ.т . В случае, когда вырабатываемая в организме человека энергия не расходуется на внешнюю механическую работу, она вся практически превращается в тепловую. Это наблюдается, например, у человека, находящегося в состояние относительного физического покоя (лежа, сидя, стоя) и выполняющего некоторые виды физической работы (такие, как ходьба по ровной местности). Энергия, расходуемая на выполнение внешней работы N, может быть определена из уравнения
N = η (Q э.т. – Qо),
η – термический коэффициент полезного действия
Qо – величина основного обмена
Расход энергии в состоянии полного покоя (при расслаблении мышц, отсутствие полных раздражителей, натощак, в комфортных микроклиматических условиях), т.е. в условиях, обеспечивающих минимальную активность механизмов терморегуляции, принято называть основным обменом. Он характеризует то минимальное количество энергии, которое необходимо для поддержания основных жизненных процессов.
Основной обмен у здорового человека колеблется в зависимости от возраста и пола.
Таким образом, для определения теплопродукции человека, выполняющего физическую работу, необходимо занять его общие энерготраты Qэ.т , термический коэффициент полезного действия η и основной обмен Qо, т.е.
Qт.п = Q э.т. – η (Q э.т. – Qо),
Данные о теплообразовании используются для определения теплопотерь человека, величина которых является основной для расчета теплового сопротивления одежды, обеспечивающей сохранение теплового баланса организма в конкретных условиях ее эксплуатации.
Показатели и критерии теплового состояния человека при взаимодействии с окружающей средой
Температура кожи (средневзвешенная)
Большая часть тепла, образующегося в организме человека, рассеивается с поверхности тела. Это определяет значение температуры кожи при оценке теплового состояния организма. Зависимость уровня температуры кожи от термических условий среды, тесная корреляционная связь с теплоощущениями позволяют считать ее одним из информативных показателей теплового состояния организма.
В настоящее время для обобщающей характеристики температурного поля поверхности тела человека принято использовать средневзвешенную температуру кожи (tс.к), рассчитываемую в соответствии с ее значением на отдельных участках и площадью этих участков по отношению ко всей поверхности тела.
Средневзвешенная температура кожи достаточно тесно коррелируется с общими теплоощущениями человека.
В настоящее время на основе сравнительного анализа различных систем измерения температуры поверхности тела рекомендуется 11-точечная система. Средневзвешенная температура кожи tс.к , оС, по 11-точечной системе измерения рассчитывается по формуле
tс.к = 0,0086 t1 + 0,34 t1+ t2+t3+t4 / 4 + 0,134 t6 + 0,045 t7 +0,203 t8+t9 /2 +0,125 t 10 + 0,064 t11
t1 - t11 - соответственно температура кожи лба, груди, живота, спины, поясницы, плеча, кисти, верхней и нижней части поверхности бедра, голени, тыльной стороны стопы.
В производственных условиях (в случае отсутствия выраженного локального воздействия параметров микроклимата или неравномерного утепления) допустимо измерение температуры кожи на пяти участках тела. В этом случае температура tс.к. оС, рассчитывается по уравнению
tс.к = 0,07 t1 +0,5 t2 = 0,05 t7 + 0,18 t8 + 0,2 t10
ниже приводятся уравнения, отражающие взаимосвязь средневзвешенной температуры кожи и уровня энерготрат человека при различных его теплоощущениях в баллах.
Комфорт (4) tс.к. = 36,07 - 0,0354 Qэ.т. / S
Прохладно (2) tс.к. = 33,34 - 0,0335 Qэ.т. / S
Холодно (1) tс.к. = 30,36 -0,031 Qэ.т. / S
В этих уравнениях Qэ.т. – энерготраты, Вт; S – поверхность тела человека, м2. Приведенные уравнения применимы к человеку, не адаптированному к холоду, в диапазоне энерготрат до 300 Вт. У людей, акклиматизированных к холоду, комфортный уровень средневзвешенной температуры кожи (в состоянии относительного физического покоя) в результате снижения порога температурной чувствительности несколько ниже (на 1 – 1,5 оС).
В связи с тем, что средневзвешенная температура кожи дает представление об общих теплоощущениях человека, характеризующих состояние его теплообмена с окружающей средой, ее значения, отражающие температуру «»оболочки», используются при расчетах средней температуры тела и теплосодержания.
Скачать реферат