Тепловой баланс организма, способы теплообмена

Параллельно с совершением работы организм преобразует свободную энергию питательных веществ в тепло. В конечном итоге вся энергия, полученная организмом с пищей, кроме той части, которая идет на механическую работу, превращается в тепловую и в такой форме отдается им окружающей среде. При­нято выделять несколько этапов в этом теплообразовании. Прежде всего, тепловые потери присущи биологическому окис­лению питательных веществ, в ходе которого синтезируется АТФ. Выделяющуюся при этом тепловую энергию называют первичным теплом. Все остальное теплообразование (при син-тезе макромолекул, поддержании градиентов за счет активного транспорта веществ, мышечных сокращениях, а также при трении в мышцах, кровеносных сосудах, суставах и т. д., при распаде белков и других макромолекул, при пассивном транс­порте веществ) называют вторичным теплом.

Многообразие процессов, в ходе которых происходит обра­зование тепловой энергии в организме, требует писать в фор­муле (20) неQ, а SQ_i

В ле­вой части изображено преобразование свободной энергии Солн­ца вне организма гетеротрофов, а в правой — формы энергии, в которые преобразуется энергия пищи, усваиваемой предста­вителями животного мира. Показаны основные формы работы, совершаемой организмом человека и животных, а также пер­вичное и вторичное тепло, образующееся в условиях максималь­ного покоя.

Вся тепловая энергия, образующаяся в организме человека, уходит из него. Теплообмен осуществляется на поверхности те­ла, причем различают 4 основных его способа: теплопровод­ность, конвекцию, теплоизлучение, испарение.

Теплопроводность играет основную роль в переносе тепла через одежду. Тепловая энергия, переносимая посредством теплопроводности, вычисляется по формуле

(22) или

где К — коэффициент теплопроводности, характеризующий ма­териал, через который происходит перенос тепла; T_i — Т_е — раз­ность температур между поверхностью тела (T_i) и окружаю­щей средой (Т_е); l — толщина слоя, через который переносится тепло; s — поверхность контакта тела со средой; t — время теплообмена.

Коэффициент теплопроводности у газообразных веществ, как правило, меньше, чем у жидкостей и твердых тел. У разных газов он неодинаков; например, у воздуха низок, а у гелия за­метно больше. Из сказанного следует, что теплопроводность одежды зависит от ее пористости, так как поры обычно запол­нены воздухом. Пористые ткани имеют низкий коэффициент теплопроводности. Однако при замене воздуха на газ с боль­шей теплопроводностью (гелий) теплоизолирующие свойства одежды ухудшаются. Поэтому при использовании гелиевокислородных смесей водолазы мерзнут даже в теплой одежде.

Конвекцией (Q_c) называют перенос тела перемещающейся средой (движущимся газом или жидкостью). Различают есте­ственную и принудительную конвекцию. При естественной кон­векции причиной перемещения среды является сама разность температур в разных ее частях: например, холодный воздух, как более плотный и тяжелый, опускается вниз и вытесняет бо­лее легкий теплый воздух. В случае принудительной конвекции имеется внешняя сила, приводящая среду в движение (ветер, вентилятор). Как правило, принудительная конвекция значи­тельно эффективнее переносит тепло, чем естественная. Пере­нос тепла при конвекции описывается такой же формулой, как и для теплопроводности, но коэффициент К уже не имеет пос­тоянного значения, завися от конкретных условий, в которых на­ходится организм (особенностей действия внешней силы).

Перенос тепла излучением осуществляется путем испуска­ния инфракрасных лучей. В соответствии с законом Вина мак­симум излучения при температуре поверхности человеческого тела приходится на длину волны около 10 мкм. Величину энер­гии, излучаемой с единицы поверхности тела, можно прибли­женно найти по формуле, полученной из закона Стефана — Больцмана:

(23)

где σ = 5,8 10^-8 Вт м^-2 К^-4, так как для дальней ИК области спектра человека и окружающие предметы можно считать аб­солютно черными телами.

Тепло, отдаваемое организмом путем испарения, вычисля­ется по формуле

Q_E = L.m, (24)

где L — удельная теплота испарения (для воды L = 2,25X Х10⁶ Дж-кг^-1); т — масса жидкости, испарившейся с поверх­ности тела.

Типичной ошибкой является отождествление испарения и пото­отделения. Теплоотдача осуществляется только при испарении жидкости с поверхности тела. Если человек выделяет много пота, но условий для его испарения нет, то теплоотдача не может быть эффективной. Кроме того, важно иметь в виду, что с кожных покровов человека испаряется не только пот. Постоянно происходит испарение интерстициальной (межклеточной) жидкости, которое получило наименование «неощущаемое испарение» (perspiratio insensibilis). Оно составляет около 0,4—0,6 л в сутки

Жидкость испаряется не только с кожи, а и со слизистых оболочек. Так, человек испаряет 0,3—0,4 л воды в сутки через слизистые оболочки дыхательных путей. У некоторых животных этот процесс является одним из наиболее эффективных механизмов теплоотдачи, особенно при возникно­вении так называемой тепловой одышки. Например, у собак в состоянии покоя, но при относительно высокой температуре окружающей среды тепло­вая одышка обеспечивает отведение почти 2/3 всего освобождаемого в ор­ганизме тепла. Важную роль играет также испарение жидкости с поверх­ности языка — при включении этого механизма кровообращение в языке собак усиливается в б раз,

У человека испарение воды со слизистых оболочек имеет меньшее зна­чение, чем у многих животных. В ходе эволюции животного мира образо­вался мощный механизм, обеспечивающий весьма эффективное отведение тепла. Речь идет об испарении пота, выделяемого специальными железами. Развитая система потовых желез имеется только у приматов. Потовых желез у человека более 2,5 млн. Потоотделение происходит при физической работе, а также и в условиях мышечного покоя, когда температура окружающей среды достигает определенной величины (в покое секреция потовых желез начинается при температуре кожи около 30°—32°С). При 100% относительной влажности воздуха (например, в парной бане) испарение полностью прекра­щается. Аналогичная ситуация может возникнуть при работе в костюмах ит непроницаемой для паров воды ткани даже при сравнительно невысокой температуре внешней среды. Об этом должны помнить врачи и предупреж­дать возможность возникновения тепловых ударов у людей, работающих в изолирующих костюмах.

Испарение — наиболее эффективный способ теплообмена организма при высокой температуре и низкой влажности внеш­ней среды, причем эффективность испарения повышается по ме­ре нарастания внешней температуры. Все остальные способы теплоотдачи функционируют только тогда, когда температура внешней среды ниже, чем температура кожи человека. В про­тивном случае они превращаются в механизмы дополнительно­го нагрева организма (посмотрите на формулы, выражающие теплообмен посредством теплопроводности, конвекции и тепло­излучения, при T_е>T_i. Это обстоятельство отображает урав­нение теплового баланса организма человека:

M±Q_T±Q_C±Q_R-Q_E = 0. (25)

В уравнении знак «—» при Т_е<Т_i, знак «+» при Т_е>T_i,, М — теплопродукция, то есть не что иное, как ΣQ_i. Заметим, что

только перед Q_E состоит знак не «±», а «—».

Иногда это уравнение называют выражением первого на­чала термодинамики для биологических систем, допуская тем самым серьезную методологическую ошибку, так как в уравне­нии теплового баланса учтена только одна сторона термодина­мики организма — теплообмен. Суть первого начала термодина­мики— полное преобразование свободной энергии питательных веществ в организме. Теплообмен является только одним из способов превращения энергии.

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ГОМЕОСТАЗИС,