Методы определения теплопродукции

Лекция 1

Теплообмен между человеком и окружающей средой

 

Терморегуляция человека

 

Необходимое условие сохранения длительного теплового комфорта – поддержание теплового баланса, который достигается путём терморегуляции организма (физиологической) и применения одежды (поведенческой терморегуляции), отвечающей своему назначению.

Организм человека представляет саморегулируемую систему, физиологический механизм, который с целью поддержания постоянной температуры тела направлен на обеспечение соответствия количества образования тепла (теплорегуляции) количеству тепла, отданного во внешнюю среду (теплоотдаче). Если в какой либо период эта система разбалансирована, в организме происходит накопление или его убыль.

Совокупность физиологических процессов, обусловленных деятельностью центральной нервной системы человека и направленных на сохранение температуры тела на постоянном уровне, называется терморегуляцией.

Постоянство температуры тела у человека может сохраняться лишь при условии равенства теплообразования и теплопотери всего организма. Это достигается с помощью физиологических механизмов терморегуляции. Терморегуляция проявляется в форме взаимосочетания процессов теплообразования и теплоотдачи, регулируемых нервно-эндокринным путём.

Терморегуляцию принято разделять на химическую и физическую.

 

Химическая терморегуляция

 

При охлаждении организма механизм терморегуляции вызывает уменьшение теплоотдачи и увеличение тепла в организме.

Терморегуляция, обеспечивающая увеличение теплообразования в организме в ответ на его охлаждение, называется химической.

Химическая терморегуляция осуществляется путём усиления или ослабления обмена веществ. Однако она связана с мышечной деятельностью.

У человека усиление теплообразования вследствие увеличения интенсивности обмена веществ отмечается, в частности, тогда, когда температура окружающей среды становится ниже оптимальной температуры или зоны комфорта. При обычной лёгкой одежде эта зона находится в пределах 18÷20, а для обнажённого человека – 28.

Оптимальная температура во время пребывания в воде выше, чем на воздухе. Это обусловлено тем, что вода, обладающая высокой теплоёмкостью и теплопроводностью, охлаждает тело в 14 раз сильнее, чем воздух. Поэтому в прохладной ванне обмен веществ повышается значительно больше, чем во время пребывания на воздухе при той же температуре.

Наиболее интенсивное теплообразование в организме происходит в мышцах. Даже если человек лежит неподвижно, но с напряжённой мускулатурой, окислительные процессы, а вместе с тем и теплообразование повышается на 10%. Наибольшая двигательная активность ведёт к увеличению теплообразования на 50÷80%, а тяжёлая мышечная работа – на 400÷500%.

В условиях холода теплообразование в мышцах увеличивается, даже если человек находится в неподвижном состоянии. Это обусловлено тем, что охлаждение поверхности тела, действуя на рецепторы, воспринимающие холодовое раздражение, рефлекторно возбуждает беспорядочные непроизвольные сокращения мышц, проявляющиеся в виде дрожи (озноба). При этом обменные процессы организма значительно усиливаются, увеличивается потребление кислорода и углеводов мышечной тканью, что и влечёт за собой повышение теплообразования. Даже произвольная имитация дрожи увеличивает теплообразование на 200%. Если в организм введены монорелаксанты – вещества, нарушающие передачу нервных импульсов с нерва на мышцу и тем самым устраняющие рефлекторную мышечную дрожь, при понижении температуры окружающей среды гораздо быстрее наступает понижение температуры тела.

В химической терморегуляции, кроме мышц, значительную роль играют печень и почки. Температура крови печёночной вены выше температуры крови печёночной артерии, что указывает на интенсивное теплообразование в этом органе. При охлаждении тела теплопродукция в печени возрастает /23/.

Освобождение энергии в организме совершается за счёт окислительного распада белков, жиров и углеводов. Поэтому все механизмы, которые регулируют окислительные процессы, регулируют и теплообразование.

 

Физическая терморегуляция

 

Терморегуляция, направленная на уменьшение или увеличение теплоотдачи в окружающую среду, называется физической.

Физическая терморегуляция осуществляется путём изменений отдачи тепла организмом за счёт расширения, сужения кровеносных сосудов в коже.

Температура кожи, а, следовательно, интенсивность теплоизлучения и теплопроведения могут изменяться в результате перераспределения крови в сосудах и при изменении объёма циркулирующей крови.

На холоде кровеносные сосуды кожи, главным образом артериолы, сужаются: большое количество крови поступает в сосуды брюшной полости, и тем самым ограничивается теплоотдача. Поверхностные слои кожи, получая меньше тёплой крови, излучают меньше тепла – теплоотдача уменьшается. При сильном охлаждении кожи, кроме того, происходит открытие артериовенозных анастомозов, что уменьшает количество крови, поступающей в капилляры, и тем самым препятствует теплоотдаче /23/.

Перераспределение крови, происходящее на холоде, уменьшение количества крови, циркулирующей через поверхностные сосуды, и увеличение количества крови, проходящей через сосуды внутренних органов, способствует сохранению тепла во внутренних органах. Эти факты служат основанием для утверждения, что регулируемым параметром является именно температура внутренних органов, которая поддерживается на постоянном уровне.

При повышении температуры окружающей среды сосуды кожи расширяются, количество циркулирующей в них крови увеличивается. Возрастает также объём циркулирующей крови во всём организме вследствие перехода воды из тканей в сосуды, а также потому, что селезёнка и другие кровяные депо выбрасывают в общий кровоток дополнительное количество крови.

К проявлениям физической терморегуляции следует отнести также изменение положения тела. Когда кошке или собаке холодно, они сворачиваются в клубок, уменьшая тем самым поверхность теплоотдачи; когда жарко, животные, наоборот, принимают положение, при котором поверхность теплоотдачи максимально возрастает. Этого способа физической теплорегуляции не лишен и человек, сворачивающийся в клубок во время сна в холодном помещении.

Рудиментарное значение для человека имеет проявление физической терморегуляции в форме реакции кожных мышц (гусиная кожа), у животных при этой реакции изменяется поверхность шерстного покрова и улучшается теплоизолирующая роль шерсти.

В наибольшей степени физическая терморегуляция проявляется в области кистей и стоп (теплоотдача может снизиться на 40), в наименьшей – в области головы (теплоотдача уменьшается на 7). Это необходимо учитывать при создании и оценке средств защиты (одежды, обуви, рукавиц и головных уборов) от охлаждения.

Таким образом, постоянство температуры тела поддерживается путём совместного действия, с одной стороны – механизмов, регулирующих интенсивность обмена веществ и зависящее от него теплообразование (химическая регуляция тепла), а с другой – механизмов, регулирующих теплоотдачу (физическая регуляция тепла). Схема соотношения процессов выработки и отдачи тепла представлена на рис.2.

Тепловой баланс

 

Для сохранения постоянной температуры тела все системы должны находиться в термостабильном состоянии. Для обозначения равенства между теплообразованием в организме и теплоотдачей принять термин тепловой баланс.

Тепловой баланс достигается координацией процессов, направленных на образование тепла в организме (теплопродукция) и его выведение (теплоотдача). Он осуществляется аппаратом химической и физической терморегуляции, а также приспособительными действиями, направленными на создание оптимального микроклимата путём использования одежды и жилища.

Для организма человека в условиях, когда температура окружающей среды ниже средней температуры поверхности его тела 309,5 К (33,5ºС) тепловой баланс в общем виде описывается следующим уравнением:

Q_т.п+Q_т.н=Q_рад+Q_конв+Q_конд+Q_исп.д+Q_{исп.дых}+Q_исп.п+Q_дых.н ± Q_т.с,

где Q_т.п – теплопродукция человека; Q_т.н – внешняя тепловая нагрузка; Q_рад – потери тепла радиацией; Q_конв – потери тепла конвекцией; Q_конд – потери тепла; Q_исп.д – потери тепла испарением диффузионной влаги с поверхности кожи; Q_{исп.дых} – потери тепла испарением влаги с верхних дыхательных путей; Q_исп.п – потери тепла испарением выделяемого пота; Q_дых.н – потери тепла вследствие нагревания вдыхаемого воздуха; Q_т.с – изменение теплосодержания организма относительно его комфортного уровня (дефицит или накопление тепла в организме).

Все слагаемые уравнения теплового баланса отнесены к единице времени (j) и выражены в ваттах.

Обе части равенства, характеризующие тепловой баланс (теплообразование и теплоотдача), являются переменными, зависящими как от физиологических, так и от физических параметров.

При изменении теплофизических условий окружающей среды, а также при различном характере жизнедеятельности человеческого организма, изменяются и отдельные составляющие расходной части теплового баланса (также, как Q_конв, Q_рад, Q_исп, Q_дых), а следовательно, за счёт срабатывания системы терморегуляции организма соответствующим образом изменяется и теплопродукция организма.

Однако возможности этой системы, особенно в условиях, когда температура окружающей среды значительно ниже нормальной температуры тела человека, далеко не безграничны. В какой-то момент система терморегуляции перестаёт справляться со своими функциями, и для человеческого организма наступают дискомфортные условия, которые в итоге могут принять угрожающий характер для самого существования человека.

 

Теплопродукция

 

Необходимое условие существования человека – непрерывный обмен веществ с окружающей средой.

Теплообразование – это выработка теплоты в организме в результате энергетических превращений в живых клетках; оно связано с непрерывно совершающимся биохимическим синтезом белков 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 печени), 20% – в скелетных мышцах и центральной нервной системе, 10% – при работе органов дыхания и кровообращения.

В результате окислительно-восстановительных реакций в организме человека происходит превращение веществ, богатых энергией, в вещества, содержащие меньший энергетический потенциал, с освобождением энергии в той или иной форме.

Часть энергии, образующейся в организме, превращается в механическую N, которая затем расходуется на выполнение внешней работы. Основная же часть энергии переходит в тепловую Q_т.п.

Таким образом, энергия, выделяемая в организме человека в виде тепла, называется теплопродукцией. Расходуется она на поддержание постоянного уровня температуры тела и составляет при физической работе часть общих энергозатрат Q_э.т:

Q_т.п = Q_э.т – N.

У человека, находящегося в состоянии относительного физического покоя (лёжа, сидя, стоя), энергия, вырабатываемая в организме почти не расходуется на внешнюю механическую работу, она практически вся превращается в тепловую.

 

Количество выполняемой работы N может быть определено из уравнения:

N = n∙(Q_э.т – Q_о),

где n – термический коэффициент полезного действия; Q_о – величина основного обмена.

Расход энергии в состоянии полного покоя (при расслаблении мышц, отсутствии внешних раздражителей, натощак, в комфортных климатических 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. Величина основного обмена находится в тесной связи с величиной поверхности тела. С возрастом теплообразование на 1м² поверхности тела уменьшается, что связано с понижением интенсивности окислительных процессов. У мужчин основной обмен на 5÷8% больше, чем у женщин. Это объясняется тем, что у женщин, в среднем, больше жировой ткани, чем у мужчин, а жировая ткань по интенсивности окислительных процессов относится к малоактивным.

Для определения основного обмена необходимо, чтобы исследуемый человек находился в состоянии мышечного покоя (положение лёжа с расслабленной мускулатурой), не подвергаясь раздражителям, натощак, т. е. через 12÷16 часов после приёма пищи; при температуре "комфорта" – 18÷20º т. е. при температуре, не вызывающей ощущения холода или дрожи, не дающей перегревания тела.

Наиболее хорошо изучено влияние температуры внешней среды на обмен веществ. Длительное пребывание в среде с высокой температурой ведёт к понижению уровня основного обмена.

При длительном воздействии низкой температуры среды наблюдается обратный эффект. У человека, располагающего широкими возможностями создания искусственного климата одеждой и жилищем, эти изменения значительно менее выражены, чем у животных.

 

Теплоотдача

 

Теплоотдача – это теплообмен между поверхностью тела человека и окружающей средой. В сложном процессе сохранения теплового баланса организма регуляция теплоотдачи имеет большое значение. Применительно к физиологии теплообмена теплоотдача рассматривается как переход теплоты, освобождаемой в процессах жизнедеятельности, из организма в окружающую среду. Теплоотдача осуществляется, в основном, излучением, конвекцией, кондукцией и испарением. В условиях теплового комфорта и охлаждения наибольшую долю занимают потери тепла радиацией и конвекцией (73÷80% общих теплопотерь) /23/. В условиях, вызывающих перегревание организма, пре­обладает теплоотдача испарением.

 

Радиационный теплообмен

 

В нагретом теле часть тепловой энергии всегда превращается в лучистую. Одним из носителей лучистой энергии являются инфракрасные лучи или тепловые лучи, а процесс их распространения – тепловым излучением, лучеиспусканием или радиацией.

Радиационный теплообмен, который проходит между человеком и окружающими его телами путём инфракрасного излучения, может идти как с положительным, так и с отрицательным тепловым балансом для человека.

Когда средняя температура ограждений, окружающих человека, выше температуры поверхности его тела наблюдается положительный радиационный тепловой баланс. В этом случае за счёт инфракрасного излучения тело человека нагревается.

С радиационным нагреванием человек сталкивается в быту (солнце, отопительные приборы, нагретая поверхность земли, зданий и т. п.), в производственной деятельности (металлургические цеха и т. п.).

Когда средняя температура ограждений, окружающих человека, ниже температуры поверхности его тела, наблюдается отрицательный радиационный тепловой баланс. Происходит охлаждение организма (радиационное охлаждение).

Радиационному охлаждению могут подвергаться строительные рабочие, рабочие транспорта, холодильников и т. д.

Теплоотдача излучением в комфортных метеорологических условиях составляет 43,8÷59,1% относительно общей величины теплопотерь.

По данным А. Е. Малышевой, радиационный способ теплоотдачи вызывает более глубокое охлаждение организма, чем конвекционный. Поэтому для уменьшения потерь тепла радиацией целесообразно в одежде применять материалы с высокими отражающими свойствами.

Тепловое излучение в значительной степени зависит от разности температур поверхности тела человека и окружающих предметов (тел).

При наибольшей разности температур тел, что практически наблюдается в условиях эксплуатации одежды, уравнение для определения количества тепла, передаваемого радиацией, Вт., можно написать в виде:

Q_рад = L_рад∙S_рад∙(t₁ – t₂),

где L_рад – коэффициент излучения (теплоотдачи радиацией), Вт/(м²⁰ С); S_рад – поверхность тела человека, участвующая в радиационном теплообмене, м²; t₁ – температура поверхности тела (одежды), °С; t₂ – температура поверхности окружающих тел, °С.

 

2.4.2. Конвекционный теплообмен

В воздушной среде тепло переносится, в основном, путём перемещения (конвекции) частиц, поэтому процесс теплообмена между телом и воздухом называется конвекционным теплообменом.

Конвекционный теплообмен подразделяется на свободный (вследствие разности температуры тела и воздуха) и вынужденный (под влиянием движения воздуха) /23/.

Теплоотдача конвекцией в общем балансе теплопотерь человека составляет свыше 25÷30%. Особенно возрастают потери тепла конвекцией при ветре. Теплоотдача конвекцией, Вт, может быть определена на основе закона Ньютона (охлаждение тел) по уравнению:

Q_конв = L_конв∙S (t_од – t_в),

где L_конв – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м² С); S – площадь поверхности тела, м²; t_од – температура поверхности тела (одежды) человека; t_в – температура воздуха, °С.

Коэффициент L_конв зависит от формы тела и скорости движения воздуха. Потери тепла конвекцией с поверхности одежды, покрывающей тело, можно выразить следующей формулой:

S_од

Q_конв = S_о∙L_конв∙(t_од – t_в),

где S – площадь поверхности тела раздетого человека, м²; S_од/S_о – отношение площади поверхности тела, закрытой одеждой к площади поверхности открытых частей тела; L_конв – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м²∙С; t_од – температура поверхности одежды, °С; t_в. – температура воздуха, °С.

При малых скоростях движения воздуха теплообмен происходит путём свободной конвекции. При этом коэффициент является функцией разности t_од – t_в.

При больших скоростях движения воздуха L_конв является функцией скорости ветра.

Весьма интенсивная мышечная работа может повысить обмен веществ в 10 раз по сравнению с покоем. Так, бег на короткие дистанции, гребля, кратковременный, тяжёлый труд может увеличить обмен до 1163 Вт и более.

Таким образом, для определения теплопродукции человека необходимо знать его общие энергозатраты Q_э.т, термический коэффициент полезного действия n и основной обмен Q_о:

Q_т.п = Q_э.т – n∙(Q_э.т – Q_о).

Термический коэффициент полезного действия может быть определён из уравнения:

n = N/ Q_э.т – Q_о.

 

Теплоотдача кондукцией

 

Теплоотдача кондукцией (проведением) осуществляется в тех случаях, когда тело человека плотно соприкасается с каким-либо предметом. Потери тепла кондукцией определяются, как:

Q_конд = Y∙((t₁ – t₂)/ q)∙Sr,

где Q_конд – количество тепла, прошедшего через стенки с площадью S, м² в течение времени t, Вт; Y – коэффициент теплопроводности пакета материалов одежды, Вт/(м °С); t₁ – температура внутренней стороны пакета материалов одежды, °С; t₂ – температура наружной стороны пакета материалов, °С; q – толщина пакета материалов одежды, м; S – площадь поверхности.

В обычных условиях удельный вес потерь тепла кондукцией невелик, так как коэффициент теплопроводности неподвижного воздуха незначителен. В этом случае человек теряет тепло кондукцией лишь с поверхности стоп, площадь которых составляет 3% площади поверхности тела. Но иногда (в кабинах сельскохозяйственных машин, башенных кранов, экскаваторов и т. д.) площадь соприкосновения с холодными стенками может быть довольно большой. Кроме того, помимо размера контактирующей поверхности имеет значение и подвергающийся охлаждению участок тела (стопы, плечи, поясница и т. п.).

Теплоотдача испарением

 

Важным способом теплоотдачи, особенно при высокой температуре воздуха и выполнении человеком физической работы, является испарение диффузионной влаги и пота. В условиях теплового комфорта и охлаждения человек, находящийся в состоянии относительного физического покоя, теряет влагу путём диффузии (неощутимой перспирации) с поверхности кожи и верхних дыхательных путей. За счёт этого человек отдаёт в окружающую среду 23÷27% общего тепла, при этом 1/3 потерь приходится на долю тепла испарением с верхних дыхательных путей и 2/3 – с поверхности кожи.

Напомним, что для испарения 1мл воды необходимо 2,4 кДж (0,58 ккал). Следовательно, если в условиях основного обмена телом человека отдаётся посредством испарения около 1675÷2093 кДж (400÷500 ккал), то с поверхности тела должно испариться примерно 700÷850 мл воды. Из этого количества 300÷350 мл испаряются в лёгких и 400÷500 мл – с поверхности кожи.

Потери тепла путём испарения диффузионной влаги с поверхности кожи Q_исп.д, Вт, определяются по уравнению:

Q_исп.д = 3,06∙10^–3∙S∙(256t_к – 3360 – Ра),

где t_к – температура кожи, °С; Ра – парциальное давление пара в окружающем воздухе, Па.

Потери тепла при испарении влаги с верхних дыхательных путей Q_{исп.дых}, Вт, определяются по уравнению:

Q_{исп.дых} = 14,9 10^–6∙Q_т.п∙(5880 – Ра),

где Q_т.п – теплопродукция, Вт.

Потери тепла происходят также при испарении пота. Для сохранения постоянства температуры тела человека при высокой температуре окружающей среды основное значение имеет испарение пота с поверхности кожи. Потоотделение представляет собой один из наиболее мощных механизмов терморегуляции, играющих важную роль в условиях перегревания организма и при выполнении человеком физической работы.

В жаркое время организм человека не может отдавать образующееся в нём тепло путём радиации и конвекции. Единственным путём для отдачи тепла остаётся испарение воды, которое зависит от относительной влажности воздуха. В насыщенном водяными парами воздухе (например, в бане) пот выделяется в большом количестве, но не испаряется и стекает с кожи. Такое потоотделение не способствует отдаче тепла; только та часть пота, которая испаряется с поверхности кожи, имеет значение для теплоотдачи (эта часть пота составляет эффективное потоотделение).

Приняв, что среднее теплообразование в сутки равно 2800 ккал (11723 кДж), и зная, что на испарение 1г воды с поверхности тела расходуется 0,58 ккал (2,43 кДж), получим, что для поддержания температуры тела человека на постоянном уровне в таких условиях необходимо испарение 4,5 л воды. Особенно интенсивно потоотделение происходит при высокой окружающей температуре во время мышечной работы, когда вырастает теплообразование в самом организме. При очень тяжелой работе выделение пота у рабочих горячих цехов может составить 12 л в день.

Максимально возможная величина теплопотерь при испарении пота Q_исп.п, Вт, может быть определена по уравнению:

Q_исп.п = 10,2∙(Р_нас.к – Ра)∙(0,5 + v),

где Р_нас.к – максимально возможное насыщение водяного пара при температуре кожи человека, мм.рт.ст.; Ра – давление водяного пара в воздухе, мм.рт.ст.; v – скорость движения ветра, м/с.

Разность (Р_нас.к – Ра) называют физиологическим насыщением.

Потери тепла испарением пота в комфортных условиях Q_исп.п, Вт, применительно к различному уровню энергозатрат, могут быть определены по уравнению:

Q_исп.п = 0,38∙S∙(Q_т.п – 58).

 

Дефицит тепла в организме человека

 

При существенном несоответствии свойств материалов одежды и одежды в целом условия жизнедеятельности человека, физиологические механизмы терморегуляции не в состоянии обеспечить тепловой баланс организма, в результате чего в теле человека происходит нарушение состояния тепла, вырабатываемого в организме и отдаваемого в окружающую среду, и образуется его дефицит или накопление. Дефицит или накопление тепла можно определить как разницу между величинами суммарных теплопотерь и теплообразования т.п., либо по изменению теплосодержания. Последние определяются по изменению средней температуры тела θ с учётом коэффициента смеши­вания температуры оболочки и ядра:

Д = C∙m∙θ,

где Д – дефицит тепла в организме; C – средняя удельная теплоемкость тканей человека равна 3,47 10⁸ Дж/(кг °С); m – масса тела человека, кг; θ – изменение средней температуры тела.

θ =К∙t_р + (1 – К)∙t_с.в.к,

где К – коэффициент смешивания температуры тела (ядра), °С; t_р – изменение ректальной температуры от её комфортного уровня; 1 – К – коэффициент смешивания с.в.к. (оболочки), °С; t_с.в.к – изменение с.в.к. от её комфортного уровня, ºС.

 

Методы определения теплопродукции

 

Количество тепла, образовавшегося в организме человека (теплопродукцию), устанавливают методом прямой и непрямой калориметрии.

Прямая калориметрия предусматривает определение теплопродукции по величине тепловыделений, используя калориметрические камеры, в которые помещают человека. Величину теплопотерь человека определяют по улавливанию теплового потока через стенки камеры и изменению влагосодержания воздуха. Городинский С. М. и Глушко А. П. разработали переносной биокалориметр НБК для измерения теплопотерь человека.

Так как эти методы трудоёмки, дорогостоящи, громоздки, в физиологических исследованиях величины теплопродукции принято определять методом непрямой калориметрии.

В этом случае устанавливают Q_э.т человека по количеству поглощённого кислорода и выделенного углекислого газа, измеряемых путём газового анализа выдыхаемого воздуха и с учётом термического коэффициента полезного действия ŋ и рассчитывают теплопродукцию Q_т.п.

Известно, что 1литр кислорода (при давлении 101,325 кПа и температуре 0°С), окисляя, главным образом, жиры и углеводы, создаёт в организме человека от 19,3 до 21 кДж (от 4,6 до 5 ккал) тепла в зависимости от интенсивности работы, состава питания и величины дыхательного коэффициента.

Зависящий от природы окисляемой в организме пищи дыхательный коэффициент Д определяют как отношение объёма выделенного организмом углекислого газа к объёму поглощённого за то же время кислорода:

СО_{2 .}

Д = О₂

Для анализа выдыхаемого воздуха используют приборы, в основу конструкции которых положено две методики: газоанализная и объёмная.

По газоанализной методике контролируют только выдыхаемый воздух: измеряют его объём с помощью газовых счётчиков и производят его анализ на содержание О₂ и СО₂ химическими газоанализаторами.

Широко известен работающий по этому принципу прибор Дугласа–Холдена. Испытуемый дышит в течение 10÷20 минут атмосферным воздухом, а выдыхает воздух через гофрированный шланг в резиновые мешки Дугласа. После этого в газовые пипетки отбирают пробы воздуха для анализа. Общее количество выдыхаемого воздуха определяют с помощью газовых часов.

Выдыхаемый воздух анализируют с помощью газоанализатора Холдена, в котором определение содержания кислорода и углекислого газа основано на принципе измерения объёма воздуха до и после обработки его химическими веществами, поглощающими из него СО₂ и О₂. По газовому составу и объёму выдыхаемого воздуха устанавливают количество поглощённого кислорода и выделенного углекислого газа.

Газоанализный метод Дугласа–Холдена удобен тем, что не требует сложной аппаратуры. Однако процесс проведения исследований трудоёмок. Кроме того, работа с ртутью и щёлочью требует специального помещения.

Более удобны автоматические газоанализаторы (приборы открытого типа). Выдыхаемый воздух в таких приборах выдыхается через газовый счётчик. Часть воздуха направляется в газоанализаторы, которые непрерывно регистрируют состав выдыхаемого воздуха, на определение содержания СО₂ и О₂. Автоматическими газоанализаторами открытого типа являются СОТ – 1, ЛТИ – 1 и прибор Белау. Прибор Белау обеспечивает автоматическую непрерывную (каждые 20 с) регистрацию поглощения кислорода и выделения углекислого газа как в состоянии покоя человека, так и при выполнении им какой-либо работы. Определение содержания углекислого газа в выдыхаемом воздухе основано на принципе зависимости теплопроводности газа от его концентрации в воздухе, определение содержания кислорода – на его парамагнитных свойствах.

Автоматические газоанализаторы открытого типа имеют целый ряд недостатков: невысокая точность приборов, громоздкость, большое время разогрева и т. д.

Объёмная методика определения потребления человеком кислорода заключается в регистрации уменьшения объёма газа в замкнутой системе, к которой подсоединён человек. Выдыхаемый углекислый газ улавливается поглотителем (твёрдым или жидким).

Достоинством объёмной методики является то, что искомые величины определяются сразу, без промежуточных или косвенных измерений.

Наиболее распространённые и самые простые приборы, работающие по объемному методу (приборы закрытого типа), – это зарубежные приборы Крога, Книппинга и отечественные спирографы СГ – 1, СГ – 6 и др. На спирограммах (линиях на бумаге), полученных на приборах такого типа, регистрируются все данные, характеризующие внешнее дыхание человека: глубину, частоту, ритм дыхания, продолжительность вдоха и выдоха, поглощение кислорода и выделение углекислого газа.

При дыхании человека уравновешенный спирометр все время реагирует на изменение объема воздуха и регистрирует посредством самописца дыхательный процесс на движущейся ленте. Соответствующая обработка спирограммы и несложные расчеты позволяют определить потребление кислорода, выделение углекислого газа и другие характеристики дыхания человека.

 

Лекция 2