Теплообмін людини з навколишнім середовищем

Людина постійно перебуває в процесі теплової взаємодії з навколишнім середовищем. Для того, щоб фізіологічні процеси в організмі людини відбувалися нормально, тепло, що виділяється організмом людини, повинне повністю відводитися у навколишнє середовище. Порушення теплового балансу може призвести до перегрівання або до переохолодження організму людини і, зрештою, до втрати працездатності, втрати свідомості та до теплової смерті. Величина тепловиділення організмом людини залежить від ступеня фізичного напруження за певних кліматичних умов і складає від 85 (у стані спокою) до 500 Дж/с (важка робота).

Нормальне теплове самопочуття має місце, копи тепловиділення (С)_гв) організму людини повністю сприймаються навколишнім середовищем (0_т), тобто коли має місце тепловий баланс (Отв) ⁼ (От)- У цьому випадку температура внутрішніх органів залишається постійною на рівні 36,6 °С.

Організм людини здатний підтримувати квазістійку температуру тіла при достатньо'широких коливаннях параметрів навколишнього середовища. Так, тіло людини зберігає температуру близько 36,6 °С при коливаннях навколишньої температури від —40 °С до +40 °С. При цьому температура окремих ділянок шкіри та внутрішніх органів може бути від 24 °С до 37,1 °С.

Найбільш інтенсивні обмінні процеси відбуваються в печінці — її температура — 38,0... 38,5 °С. Існує добовий біоритм температури шкіри: максимальна (37,0...37,1 °С) о 16.00...19.00, мінімальна (36,0...36,2 °С) о 2.00...4.00 за місцевим часом.

Рівняння теплового балансу "людина-навколишнє середовище" вперше було проаналізоване в 1884 році професором Флавіцьким 1.1. Теплообмін між людиною та навколишнім середовищем здійснюється конвекцією внаслідок обтікання тіла повітрям (д_к), теплопровідністю через одяг (д_т), випромінюванням на оточуючі поверхні (д_в) та в процесі тепломасообміну (0_ТМ) при випаровуванні вологи, котра виводиться на поверхню потовими залозами (д_п) і при диханні (д_Д)-

0тн=9к ⁺ 9т⁺9в+9_п⁺9д (2.1)

Конвективний теплообмін визначається за законом Ньютона:

9к ⁼ а_кРе(іпов ~інс), (2.2)

де і_пов — температура поверхні тіла людини (взимку —27,5 °С, влітку — 31 °С);

І_нс— температура навколишнього середовища; р_е — ефективна поверхня тіла людини (50...80% геометричної зовнішньої поверхні тіла людини). Для практичних розрахунків вона приймається рівною 1,8 м²;

_ак— коефіцієнт тепловіддачі конвекцією; _ак=4,06 Вт/(м^гхград).

Величина і напрямок конвективного теплообміну людини з навколишнім середовищем визначається, переважно, температурою навколишнього середовища, барометричним тиском, рухомістю та вологовмістом повітря.

Рівняння Фур'є, котре описує теплопровідність в одномірному теплопровідному полі, можна записати у вигляді:

_____________________ Оо____

АоРе (іпов ~ Інс) ' ^

Д^е а₀ — коефіцієнт теплопровідності тканин одягу людини, Вт/град;

Ао — товщина тканин одягу людини, м.

Теплообмін випромінюванням відбувається за допомогою електромагнітних хвиль між тілами, розділеними променепрозорим
середовищем. Теплова енергія, перетворюючись на поверхні гарячого тіла у променисту, передається на холодну поверхню, де знову перетворюється у теплову. Променистий потік тим більший, чим нижча температура поверхонь, котрі оточують людину і може бути визначений за допомогою узагальненого закону Стефана-Больцмана:

(2.4)

де Т₁ — середня температура поверхні тіла та одягу людини, К; Т — середня температура оточуючих поверхонь, К; 'і-* — коефіцієнт опромінюваності, що залежить від розташування та розмірів поверхонь та Р₂ і котрий вказує на частку променистого тепла, що припадає на поверхню Р₂ від всього потоку, який випромінюється поверхнею

Спр ⁼ Сі * СгІСо — приведений коефіцієнт випромінювання,

Вт/(М²К⁴);

(2.5)

С₀ — коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла. Кількість тепла, котра віддається людиною в навколишнє середовище при випаровуванні вологи, що виводиться на поверхню шкіри потовими залозами, визначається за формулою:

9п = С_пг,

де 0_П— кількість вологи, що виділяється і випаровується, кг/с; г — прихована теплота випаровування вологи, котра виділяється, Дж/кг.

Кількість тепла, що віддається в оточуюче середовище з поверхні тіла при випаровуванні поту, залежить не лише від температури повітря та інтенсивності роботи, що виконується людиною, але й від швидкості руху оточуючого повітря та його відносної вологості.

(2.6)

Кількість тепла, котре витрачається на нагрівання повітря, що вдихається, можна визначити за рівнянням:

5д ⁼ VЛвРед Ср\1вт ~ £вд) 1

де \/_лв— легенева вентиляція, м³/с;

Рад — густина вологого повітря, що вдихається, кг/м³;

С_р— питома теплоємність повітря, що вдихається, Дж/(кг/град); і_ВИД — температура повітря, що видихається, °С; і_ВД— температура повітря, що вдихається, °С.

Легенева вентиляція — це об'єм повітря, що вдихається людиною за одиницю часу. Вона визначається як добуток об'єму повітря, що вдихається за один вдих, на число циклів дихання за секунду.

Кількість теплоти, що виділяється людиною з повітрям, котре видихається, залежить від її фізичного навантаження, вологості повітря, температури оточуючого повітря.

Загалом теплове самопочуття людини залежить від інтенсивності фізичного навантаження організму, температури оточуючих предметів та параметрів мікроклімату (температури, рухомості та відносної вологості повітря, барометричного тиску).