Обмен тепловой энергии между организмом и окружающей средой называется теплообменом . Один из показателей теплообмена - температура тела, которая зависит от двух факторов: образования тепла, то есть от интенсивности обменных процессов в организме, и отдачи тепла в окружающую среду.
Животные, температура тела которых изменяется в зависимости от температуры внешней среды, называются пойкилотермными , или холоднокровными. Животные с постоянной температурой тела называются гомойотермными (теплокровными). Постоянство температуры тела называется изотер мией . О на обеспечивает независимость обменных процессов в тканях и органах от колебаний температуры окружающей среды.
Температура тела человека.
Температура отдельных участков тела человека различна. Наиболее низкая температура кожи отмечается на кистях и стопах, наиболее высокая - в подмышечной впадине, где ее обычно и определяют. У здорового человека температура в этой области равна 36-37° С. В течение суток наблюдаются небольшие подъемы и спады температуры тела человека в соответствии с суточным биоритмом: минимальная температура отмечается в 2 - 4 ч ночи, максимальная - в 16-19 ч.
Т емпература мышечной ткани в состоянии покоя и работы может колебаться в пределах 7° С. Температура внутренних органов зависит от интенсивности обменных процессов. Наиболее интенсивно обменные процессы протекают в печени, которая является самым «горячим» органом тела: температура в тканях печени равна 38-38,5° С. Температура в прямой кишке составляет 37-37,5° С. Однако она может колебаться в пределах 4-5° С в зависимости от наличия в ней каловых масс, кровенаполнения ее слизистой и других причин. У бегунов на большие (марафонские) дистанции в конце состязаний температура в прямой кишке может повышаться до 39-40° С.
Способность поддерживать температуру на постоянном уровне обеспечивается за счет взаимосвязанных процессов – теплообразования и выделения тепла из организма во внешнюю среду. Если теплообразование равно теплоотдаче, то температура тела остается постоянной. Процесс образования тепла в организме получил название химической терморегуляции , процесс, обеспечивающий удаление тепла из организма, - физической терморегуляции .
Химическая терморегуляция. Тепловой обмен в организме тесно связан с энергетическим. При окислении органических веществ выделяется энергия. Часть энергии идет на синтез АТФ. Эта потенциальная энергия может быть использована организмом в дальнейшей его деятельности. Источником тепла в организме являются все ткани. Кровь, протекая через ткани, нагревается.
Повышение температуры окружающей среды вызывает рефлекторное снижение обмена веществ, вследствие этого в организме уменьшается теплообразование. При понижении температуры окружающей среды рефлекторно увеличивается интенсивность метаболических процессов и усиливается теплообразование. В большей степени увеличение теплообразования происходит за счет повышения мышечной активности. Непроизвольные сокращения мышц (дрожь) являются основной формой повышения теплообразования. Увеличение теплообразования может происходить в мышечной ткани и за счет рефлекторного повышения интенсивности обменных процессов - несократительный мышечный термогенез.
Физическая терморегуляция. Этот процесс осуществляется за счет отдачи тепла во внешнюю среду путем конвекции (теплопроведения), радиации (теплоизлучения) и испарения воды.
Конвекция - непосредственная отдача тепла прилегающим к коже предметам или частицам среды. Отдача тепла тем интенсивнее, чем больше разница температур между поверхностью тела и окружающим воздухом.
Теплоотдача увеличивается при движении воздуха, например при ветре. Интенсивность отдачи тепла во многом зависит от теплопроводности окружающей среды. В воде отдача тепла происходит быстрее, чем на воздухе. Одежда уменьшает или даже прекращает теплопроведение.
Радиация - выделение тепла из организма происходит путем инфракрасного излучения с поверхности тела. За счет этого организм теряет основную массу тепла. Интенсивность теплопроведения и теплоизлучения во многом определяется температурой кожи. Теплоотдачу регулирует рефлекторное изменение просвета кожных сосудов. При повышении температуры окружающей среды происходит расширение артериол и капилляров, кожа становится теплой и красной. Это увеличивает процессы теплопроведения и теплоизлучения. При понижении температуры воздуха артериолы и капилляры кожи суживаются. Кожа становится бледной, количество протекающей через ее сосуды крови уменьшается. Это приводит к понижению ее температуры, теплоотдача уменьшается, и организм сохраняет тепло.
Испарение воды с поверхности тела (2 /з влаги), а также в процессе дыхания (1/з влаги). Испарение воды с поверхности тела происходит при выделении пота. Даже при полном отсутствии видимого потоотделения через кожу испаряется в сутки до 0,5 л воды - невидимое потоотделение. Испарение 1 л пота у человека с массой тела 75 кг может понизить температуру тела на 10° С.
В состоянии относительного покоя взрослый человек выделяет во внешнюю среду 15% тепла путем теплопроведения, около 66% посредством теплоизлучения и 19% за счет испарения воды.
В среднем человек теряет за сутки около 0,8 л пота, а с ним 500 ккал тепла.
При дыхании человек также выделяет ежесуточно около 0,5 л воды.
При низкой температуре окружающей среды (15° С и ниже ) около 90% суточной теплоотдачи происходит за счет теплопроведения и теплоизлучения. В этих условиях видимого потоотделения не происходит.
При температуре воздуха 18-22° С теплоотдача за счет теплопроводности и теплоизлучения уменьшается, но увеличивается потеря тепла организмом путем испарения влаги с поверхности кожи. При большой влажности воздуха, когда испарение воды затруднено, может возникнуть перегревание тела и развиться тепловой удар .
Малопроницаемая для паров воды одежда препятствует эффективному потоотделению и может служить причиной перегревания организма человека.
В жарких странах, при длительных походах, в горячих цехах человек теряет большое количество жидкости с потом. При этом появляется чувство жажды, которое не утоляется приемом воды. Это связано с тем, что с потом теряется большое количество минеральных солей. Если добавить к питьевой воде соль, то чувство жажды исчезнет и самочувствие людей улучшится.
Центры регуляции теплообмена.
Терморегуляция осуществляется рефлекторно. Колебания температуры окружающей среды воспринимаются терморецепторами . В большом количестве терморецепторы располагаются в коже, в слизистой оболочке полости рта, верхних дыхательных путях. Обнаружены терморецепторы во внутренних органах, венах, а также в некоторых образованиях центральной нервной системы.
Терморецепторы кожи очень чувствительны к колебаниям температуры окружающей среды. Они возбуждаются при повышении температуры среды на 0,007° С и понижении - на 0,012° С.
Нервные импульсы, возникающие в терморецепторах, по афферентным нервным волокнам поступают в спинной мозг. По проводящим путям они достигают зрительных бугров, а от них идут в гипоталамическую область и к коре большого мозга. В результате возникают ощущения тепла или холода.
В спинном мозге находятся центры некоторых терморегуляторных рефлексов. Гипоталамус является основным рефлекторным центром терморегуляции. Передние отделы гипоталамуса контролируют механизмы физической терморегуляции, т. е. они являются центром теплоотдачи . Задние отделы гипоталамуса контролируют химическую терморегуляцию и являются центром теплообразования .
Важная роль в регуляции температуры тела принадлежит коре головного мозга . Эфферентными нервами центра терморегуляции являются главным образом симпатические волокна.
В регуляции теплообмена участвует и гормон альный механизм , в частности гормоны щитовидной железы и надпочечников. Гормон щитовидной железы - тироксин , повышая обмен веществ в организме, увеличивает теплообразование. Поступление тироксина в кровь возрастает при охлаждении организма. Гормон надпочечников - адреналин - усиливает окислительные процессы, увеличивая тем самым теплообразование. Кроме того, под действием адреналина происходит сужение сосудов, в частности сосудов кожи, за счет этого уменьшается теплоотдача.
Приспособление организма к пониженной температуре окружающей среды . При понижении температуры окружающей среды происходит рефлекторное возбуждение гипоталамуса. Повышение его активности стимулирует гипофиз , результатом чего является усиленное выделение тиреотропина и кортикотропина, повышающих активность щитовидной железы и надпочечников. Гормоны данных желез стимулируют теплопродукцию.
Таким образом, при охлаждении включаются защитные механизмы организма, повышающие обмен веществ, теплообразование и уменьшающие теплоотдачу.
Возрастные особенности терморегуляции. У детей первого года жизни наблюдается несовершенство механизмов. Вследствие этого при понижении температуры окружающей среды ниже 15° С возникает переохлаждение детского организма. На первом году жизни происходит уменьшение отдачи тепла посредством теплопроводности и теплоизлучения и увеличение теплопродукции. Однако до 2 лет дети остаются термолабильными (повышается температура тела после еды, при высокой температуре окружающей среды). У детей от 3 до 10 лет совершенствуются механизмы терморегуляции, но их неустойчивость продолжает сохраняться.
В препубертатном возрасте и в период полового созревания (пубертатный период), когда происходят усиленный рост организма и перестройка нейрогуморальной регуляции функций, усиливается неустойчивость терморегуляционных механизмов.
В пожилом возрасте наблюдается снижение образования тепла в организме по сравнению со зрелым возрастом.
Проблема закаливания организма. Во все периоды жизни необходимо закаливать организм. Под закаливанием понимают повышение устойчивости организма к неблагоприятным воздействиям внешней среды и в первую очередь к охлаждению. Закаливание достигается путем использования естественных факторов природы - солнца, воздуха и воды. Они действуют на нервные окончания и сосуды кожи человека, повышают активность нервной системы и способствуют усилению обменных процессов. При постоянном воздействии природных факторов происходит привыкание к ним организма. Закаливание организма эффективно при соблюдении следующих основных условий: а) систематическое и постоянное применение естественных факторов; б) постепенное и систематическое увеличение длительности и силы их воздействия (закаливание начинать с использования теплой воды, постепенно снижать ее температуру и увеличивать время проведения водных процедур); в) закаливание с применением контрастных по температуре раздражителей (теплая - холодная вода); г) индивидуальный подход к закаливанию.
Применение
природных факторов
закаливания необходимо
сочетать с занятиями
физической культурой
и спортом. Хорошо
способствует закаливанию
утренняя гимнастика
на свежем воздухе или
в комнате при открытой
форточке с обязательным
обнажением значительной
части тела и последующими
водными процедурами (обливание,
душ). Закаливание является
наиболее доступным
средством оздоровления
людей.
При изменении параметров среды, окружающей человека, в данном случае микроклимата, изменяется и тепловое его самочувствие. Если какие-либо условия нарушают тепловой баланс организма, то незамедлительно происходят реакции, его восстанавливающие.
Терморегуляция организма человека - это процессы регулирования выделений тепла, способствующие поддержанию постоянной которая близка к 36,5 градусам. Условия, которые нарушают нормальный человека, называются дискомфортными. Условия, при которых нормален, не возникает напряженной обстановки с теплообменом, называются комфортными. Они, также, являются оптимальными. Зона, полностью отводящая тепло, выделяемое организмом, в которой не происходит напряжение системы терморегуляции, является зоной комфорта.
Существует три способа, с помощью которых осуществляется терморегуляция организма:
- Биохимический способ.
- Изменение интенсивности кровообращения.
- Интенсивность потовыделения.
При первом способе, биохимическом, изменяется интенсивность происходящих в организме процессов. Например, при понижении температуры окружающей среды возникает мышечная дрожь, которая повышает выделение теплоты. Подобная терморегуляция организма человека называется химической.
При втором способе, организм самостоятельно регулирует подачу крови, которая, в данном случае, рассматривается как носитель тепла. Она транспортирует тепло от внутренних органов к поверхности организма. При этом происходит необходимое сужение, либо расширение сосудов. При высокой температуре вокруг - сосуды расширяются, приток крови от внутренних органов усиливается, при низкой температуре происходит обратный процесс. уменьшается приток крови, наружу поступает меньше тепла.
При уменьшении температуры воздуха происходит снижение теплоотдачи, потоотделения, влажности поверхности кожи, следовательно, за счет уменьшения испарения снижается теплоотдача организма. Большие потери влаги могут быть опасны для человека.
Во втором и третьем случае происходит физическая терморегуляция организма человека.
Микроклимат существенно влияет на состояние человека, его работоспособность. На комфортность условий жизни и деятельности оказывает влияние газовый оптимальные метеоусловия. Параметры микроклимата обеспечивают теплообмен организма с окружающей средой. Это и есть терморегуляция человека.
В условиях естественных эти параметры колеблются в значительных пределах. При их изменении становится не таким, как раньше и самочувствие человека. К примеру, переносимость окружающего воздуха зависит не только от температуры, но и от влажности, скорости воздуха. Доказано, что при температуре окружающей среды, превышающей 25 градусов, работоспособность снижается. А чем больше тем быстрее наступает перегрев организма, потому что меньше пота испаряется. Выделение его изнуряет организм. При этом он теряет много витаминов, микроэлементов, минералов.
При длительном воздействии на организм высокой температуры в сочетании с повышенной влажностью температура тела может подниматься до 39 градусов. Это состояние называется гипертермией. Оно может быть опасным для жизни.
Пониженные температуры воздуха являются также быть опасными. Они не менее опасны, чем высокие. Возникает охлаждение и переохлаждение, называемое гипотермией. И, как результат - холодовые травмы.
Терморегуляция организма человека происходит всеми способами сразу. Но периодически какой-то из них бывает задействован меньше, а какой-то гораздо больше.
Оглавление темы "Регуляция обмена веществ и энергии. Рациональное питание. Основной обмен. Температура тела и ее регуляция.":1. Энергетические затраты организма в условиях физической нагрузки. Коэффициент физической активности. Рабочая прибавка.
2. Регуляция обмена веществ и энергии. Центр регуляции обмена веществ. Модуляторы.
3. Концентрация глюкозы в крови. Схема регуляции концентрации глюкозы. Гипогликемия. Гипогликемическая кома. Чувство голода.
4. Питание. Норма питания. Соотношение белков, жиров и углеводов. Энергетической ценность. Калорийность.
5. Рацион беременных и кормящих женщин. Рацион детского питания. Распределение суточного рациона. Пищевые волокна.
6. Рациональное питание как фактор сохранения и укрепления здоровья. Здоровый образ жизни. Режим приема пищи.
7. Температура тела и ее регуляция. Гомойотермные. Пойкилотермные. Изотермия. Гетеротермные организмы.
8. Нормальная температура тела. Гомойотермное ядро. Пойкилотермная оболочка. Температура комфорта. Температура тела человека.
9. Теплопродукция. Первичная теплота. Эндогенная терморегуляция. Вторичная теплота. Сократительный термогенез. Несократительный термогенез.
Существуют следующие пути отдачи тепла организмом в окружающую среду: излучение , теплопроведение , конвекция и испарение .
Излучение - это способ отдачи тепла в окружающую среду поверхностью тела человека в виде электромагнитных волн инфракрасного диапазона (а = 5-20 мкм). Количество тепла, рассеиваемого организмом в окружающую среду излучением, пропорционально площади поверхности излучения и разности средних значений температур кожи и окружающей среды. Площадь поверхности излучения - это суммарная площадь поверхности тех частей тела, которые соприкасаются с воздухом. При температуре окружающей среды 20 °С и относительной влажности воздуха 40-60 % организм взрослого человека рассеивает путем излучения около 40-50 % всего отдаваемого тепла. Теплоотдача путем излучения возрастает при понижении температуры окружающей среды и уменьшается при ее повышении. В условиях постоянной температуры окружающей среды излучение с поверхности тела возрастает при повышении температуры кожи и уменьшается при ее понижении. Если средние температуры поверхности кожи и окружающей среды выравниваются (разность температур становится равной нулю), отдача тепла излучением становится невозможной. Снизить теплоотдачу организма излучением можно за счет уменьшения площади поверхности излучения («сворачивания тела в клубок»). Если температура окружающей среды превышает среднюю температуру кожи, тело человека, поглощая инфракрасные лучи, излучаемые окружающими предметами, согревается.
Рис. 13.4. Виды теплоотдачи . Пути отдачи тепла организмом во внешнюю среду можно условно подразделить на «влажную» теплоотдачу, связанную с испарением пота и влаги с кожи и слизистых оболочек, и на «сухую» теплоотдачу, которая не связана с потерей жидкости.Теплопроведение - способ отдачи тепла, имеющий место при контакте, соприкосновении тела человека с другими физическими телами. Количество тепла, отдаваемого организмом в окружающую среду этим способом, пропорционально разнице средних температур контактирующих тел, площади контактирующих поверхностей, времени теплового контакта и теплопроводности контактирующего тела. Сухой воздух, жировая ткань характеризуются низкой теплопроводностью и являются теплоизоляторами. Использование одежды из тканей, содержащих большое число маленьких неподвижных «пузырьков» воздуха между волокнами (например, шерстяные ткани), дает возможность организму человека уменьшить рассеяние тепла путем теплопроводности. Влажный, насыщенный водяными парами воздух, вода характеризуются высокой теплопроводностью. Поэтому пребывание человека в среде с высокой влажностью при низкой температуре сопровождается усилением теплопотерь организма. Влажная одежда также теряет свои теплоизолирующие свойства.
Конвекция - способ теплоотдачи организма, осуществляемый путем переноса тепла движущимися частицами воздуха (воды). Для рассеяния тепла конвекцией требуется обтекание поверхности тела потоком воздуха с более низкой температурой, чем температура кожи. При этом контактирующий с кожей слой воздуха нагревается, снижает свою плотность, поднимается и замещается более холодным и более плотным воздухом. В условиях, когда температура воздуха равна 20 °С, а относительная влажность - 40-60 %, тело взрослого человека рассеивает в окружающую среду путем теплопро-ведения и конвекции около 25-30 % тепла (базисная конвекция). При увеличении скорости движения воздушных потоков (ветер, вентиляция) значительно возрастает и интенсивность теплоотдачи (форсированная конвекция).
Отдача тепла организмом путем теплопроведения , конвекции и излу чения, называемых вместе «сухой» теплоотдачей , становится неэффективной при выравнивании средних температур поверхности тела и окружающей среды.
Теплоотдача путем испарения - это способ рассеяния организмом тепла в окружающую среду за счет его затраты на испарение пота или влаги с поверхности кожи и влаги со слизистых оболочек дыхательных путей («влажная» теплоотдача). У человека постоянно осуществляется выделение пота потовыми железами кожи («ощутимая», или железистая, потеря воды), увлажняются слизистые оболочки дыхательных путей («неощутимая» потеря воды) (рис. 13.4). При этом «ощутимая» потеря воды организмом оказывает более существенное влияние на общее количество отдаваемого путем испарения тепла, чем «неощутимая».
При температуре внешней среды около 20 "С испарение влаги составляет около 36 г/ч. Поскольку на испарение 1 г воды у человека затрачивается 0,58 ккал тепловой энергии, нетрудно подсчитать, что путем испарения организм взрослого человека отдает в этих условиях в окружающую среду около 20 % всего рассеиваемого тепла. Повышение внешней температуры, выполнение физической работы, длительное пребывание в теплоизолирующей одежде усиливают потоотделение и оно может возрасти до 500- 2000 г/ч. Если внешняя температура превышает среднее значение температуры кожи, то организм не может отдавать во внешнюю среду тепло излучением, конвекцией и теплопроведением. Организм в этих условиях начинает поглощать тепло извне, и единственным способом рассеяния тепла становится усиление испарения влаги с поверхности тела. Такое испарение возможно до тех пор, пока влажность воздуха окружающей среды остается меньше 100 %. При интенсивном потоотделении, высокой влажности и малой скорости движения воздуха, когда капли пота, не успевая испариться, сливаются и стекают с поверхности тела, теплоотдача путем испарения становится менее эффективной.
Человек постоянно находится в состоянии обмена теплотой с окружающей средой.
Наилучшее тепловое самочувствие человека будет тогда, когда тепловыделения (QТB) организма человека полностью отдаются окружающей среде (QТО), т.е. имеет место тепловой баланс
Превышение тепловыделения организма над теплоотдачей в окружающую среду (QTB > QTО) приводит к росту температуры внутренних органов, нагреву организма и к повышению его температуры - человеку становится жарко. Наоборот, превышение теплоотдачи над тепловыделением (Q.ТВ < QТО) приводит к охлаждению организма и к снижению его температуры - человеку становится холодно.
Средняя температура тела человека - 36,6 0 С. Даже незначительные отклонения от этой температуры в ту или другую сторону приводят к ухудшению самочувствия человека.
Тепловыделения (QTB) организма определяются прежде всего тяжестью и напряженностью выполняемой человеком работы, в основном величиной мышечной нагрузки.
Теплоотдача от организма человека в окружающую среду происходит в результате:
Теплопроводности (QТ) через одежду. Теплота может передаваться только от тела с более высокой температурой к телу с менее высокой температурой. Интенсивность отдачи теплоты зависит от разности температур тел (в нашем случае - это температура тела человека и температура окружающих человека предметов и воздуха) и теплоизолирующих свойств одежды.
Чтобы проиллюстрировать это, можно выполнить простейший эксперимент.
Опустите в стакан с горячей водой термометр, а сам стакан поместите в емкость сначала с теплой, а затем с холодной водой. Наблюдайте за скоростью уменьшения показаний термометра в первом и во втором случае.
Понижение температуры в стакане при нахождении его в холодной воде будет происходить быстрее, чем интенсивность отдачи теплоты от горячей воды в стакане к теплой воде в емкости. Этот опыт иллюстрирует зависимость теплопередачи от разницы температур.
Регулировать теплообмен человека с окружающей средой можно за счет температуры окружающей среды и выбора одежды с различными теплоизолирующими свойствами.
Конвективного теплообмена (QК). Что это такое? Воздух, находящийся вблизи теплого предмета, нагревается. Нагретый воздух имеет меньшую плотность и, как более легкий, поднимается вверх, а его место занимает более холодный воздух окружающей среды.
Явление обмена порций воздуха за счет разности плотностей теплого и холодного воздуха называется естественной конвекцией.
Если теплый предмет обдувать холодным воздухом, то процесс замены более теплых слоев воздуха у предмета на более холодные ускоряется. В этом случае у нагретого предмета будет находиться более холодный воздух, разность температур между нагретым предметом и окружающим воздухом будет больше, и, как мы уже выяснили раньше, интенсивность отдачи тепла от предмета окружающему воздуху возрастет. Это явление называется вынужденной конвекцией.
Например: иллюстрирующим явление вынужденной конвекции, является то, что при одинаковой температуре воздуха в ветреную погоду человек воспринимает климатические условия как более холодные, т.к. отдача тепла от его организма более интенсивная.
Таким образом, регулировать теплообмен между человеком и окружающей средой можно изменением скорости движения воздуха.
- - излучения (QИЗ) на окружающие поверхности. Тепловая энергия, превращаясь на поверхности горячего тела в лучистую (электромагнитную волну) - инфракрасное излучение, передается на другую - холодную - поверхность, где вновь превращается в тепловую. Лучистый поток тем больше, чем больше разница температур человека и окружающих предметов. Причем лучистый поток может исходить от человека, если температура окружающих предметов ниже температуры человека и наоборот, если окружающие предметы более нагреты.
- - испарения (QИСП) влаги с поверхности кожи. Если человек потеет, на его коже появляются капельки воды, которые испаряются, и вода из жидкого состояния переходит в парообразное. Этот процесс сопровождается затратами энергии (QИСП) на испарение и в результате охлаждением организма.
От чего же зависит интенсивность испарения, а, следовательно, и величина отдачи тепла от организма окружающей среде?
Во-первых, от температуры окружающей среды - чем выше температура, тем выше интенсивность испарения; во-вторых, от влажности воздуха - чем выше влажность, тем меньше интенсивность испарения. Для каждой температуры воздуха характерно максимальное количество воды, которое может находиться в единице объема воздуха в парообразном состоянии.
Проиллюстрировать это явление поможет простейший эксперимент. Налить в небольшую бутылку воды, опустить в нее термометр, обернуть бутылку мокрой тряпкой и поставить ее на солнце. Следить за показаниями термометра. Температура воды в бутылке начнет понижаться.
Если бутылка не будет завернута в мокрую тряпку, температура будет повышаться. Это говорит о том, что тепловая энергия расходуется на испарение воды из тряпки.
Этим простейшим приемом можно пользоваться в том случае, если в жаркую погоду захочется попить охлажденной воды. Охлаждением за счет испарения объясняется также то, что в жаркую солнечную погоду не рекомендуется поливать растения, особенно чувствительные к температуре. За счет интенсивного испарения вегетативные части растений могут охладиться до недопустимых температур.
Обычно влажность воздуха измеряют величиной относительной влажности (?), выраженной в процентах. Например, относительная влажность? = 70% означает, что в воздухе воды в парообразном состоянии находится 70% от максимально возможного количества. Относительная влажность 100% означает, что воздух насыщен водяными парами и в такой среде испарение происходить не может.
Интенсивность испарения возрастает при увеличении скорости движения воздуха. Это объясняется теми же причинами, что и увеличение теплообмена при вынужденной конвекции. Слои воздуха, находящиеся вблизи тела человека и насыщенные водяными парами, за счет движения воздуха удаляются и заменяются более сухими порциями воздуха, при этом возрастает интенсивность испарения.
Нагрева выдыхаемого воздуха (QB). В процессе дыхания воздух окружающей среды, попадая в легкие человека, нагревается и одновременно насыщается водяными парами. Таким образом, теплота выводится из организма человека с выдыхаемым воздухом (QB).
Таким образом, теплообмен между человеком и окружающей средой осуществляется за счет теплопроводности (QT), конвективного теплообмена (Qк), излучения (Qиз), испарения (QИСП), нагрева выдыхаемого воздуха (QB), т.е.:
Qобщ = QТ + QК + QИЗ + QИСП + QB - уравнение теплового баланса
Вклад перечисленных выше путей передачи тепла непостоянен и зависит от параметров микроклимата в производственном помещении, а также от температуры окружающих человека поверхностей. Если t этих поверхностей ниже t человеческого тела, то теплообмен излучением идет от организма человека к холодным поверхностям. В противном случае теплообмен осуществляется в обратном направлении: от нагретых поверхностей к человеку. Теплоотдача конвекцией зависит от t воздуха в помещении и скорости его движения на рабочем месте, а отдача теплоты путем испарения - от относительной влажности и скорости движения воздуха.
Установлено, что обмен веществ в организме человека оптимален и, соответственно, его работоспособность высока, если составляющие процесса теплоотдачи находятся примерно в следующих пределах:
QK+ QT ? 30%; QИЗ? 45%; QИС?20%; QВ?5%.
Такой баланс составляющих теплоотдачи характеризует отсутствие напряженности системы терморегуляции человека.
Направление тепловых потоков QT, QK, Qиз может быть от человека к окружающим человека воздуху и предметам и наоборот, в зависимости от того, что выше - температура тела человека или окружающего воздуха и окружающих его тел (рис. 1.).
Рис. 1. Схема направления тепловых потоков: QB - выдыхание теплового воздуха; QИ - испарение; Qиз - излучение; QK - конвективный теплообмен; QT - теплопроводность
Тепловыделения организма человека определяются прежде всего величиной мышечной нагрузки при деятельности человека, а теплоотдача -температурой окружающего воздуха и предметов, скоростью движения и относительной влажностью воздуха.
Теплообразование определяется интенсивностью обмена веществ.
Регуляция теплообразования путём увеличения или уменьшения обмена веществ называется химической терморегуляцией. Выработанное организмом тепло постоянно отдаётся в окружающую среду. Если бы отдача тепла не происходила, организм погиб бы от перегревания.
Регуляция теплоотдачи путем изменения физиологических функций, осуществляющих её, называется физической терморегуляцией.
Наибольшее количество тепла образуется в органах с интенсивным обменом веществ - в скелетной мускулатуре, в железах, в печени и почках.
На долю мышц приходится 65-75% теплообразования, а при интенсивной работе даже 90%, остальная доля тепла образуется в железистых органах, главным образом в печени.
При повышении температуры окружающей среды теплообразование уменьшается, при понижении температуры - увеличивается. Следовательно, между температурой внешней среды и теплообразованием существуют обратно пропорциональные отношения. Летом теплообразование понижается, зимой увеличивается. Но при повышении температуры среды больше 35 о С происходит нарушение терморегуляции (зона перегревания), обмен веществ и температура тела повышаются. Эта температура называется критической. Точно так же при охлаждении существует критическая температура внешней среды, ниже которой теплопроизводство начинает понижаться.
При температуре среды 15-25 0 С теплообразование в покое в одежде находится на одном уровне и уравновешивается теплоотдачей (зона безразличия).
В нормальных условиях температура тела относительно постоянна. За среднюю температуру тела принимается температура в подмышечной впадине, температура равна 36,5-37 о С.
Когда для поддержания постоянства температуры тела требуется дополнительное тепло, оно может быть выбрано следующими способами:
- - за счет произвольной активности локомоторного аппарата;
- - за счёт непроизвольной тонической или ритмической мышечной активности: дрожь, вызванная холодом (тоническую активность можно обнаружить методом электромиографии);
- - за счёт ускорения обменных процессов, не связанных с сокращением мышц; эта форма выработки тепла называется недрожательным термогенезом (у детей).
У взрослого человека дрожь и усиленные движения, которые он делает для того, чтобы согреться - наиболее важный механизм термогенеза.
Несколько повышается выработка тепла и при “ гусиной коже” - сокращении мышц волосяных мешочков.
Ходьба увеличивает теплопроизводство почти в 2 раза, а быстрый бег - в 4-5 раз, температура тела может повыситься на несколько десятых градуса. При продолжительной интенсивной работе при температуре внешней среды выше 25 0 С температура тела возрастает на 1-1.5 0 С, что вызывает изменения и нарушение жизнедеятельности организма. Во время мышечной работы при высокой температуре внешней среды температура тела повышается более 39 0 С, может наступить тепловой удар.
Теплоотдача
Организм в покое непрерывно теряет тепло:
- - теплоизлучением или отдачей тепла кожей окружающему воздуху;
- - теплопроведением или непосредственной отдачей тепла тем предметам, которые соприкасаются с кожей;
- - испарением воды с поверхности кожи и лёгких.
В условиях покоя 70-80% тепла отдаётся в окружающую среду кожей теплоизлучением и теплопроведением, около 20% испарением воды с поверхности кожи (потоотделением) и лёгких. Отдача тепла нагреванием выдыхаемого воздуха, мочой и калом ничтожна и составляет 1.5 - 3% общей теплоотдачи. При мышечной работе резко возрастает отдача тепла испарением (потоотделением) доходя до 90% всего суточного теплообразования.
Теплоотдача теплоизлучением и теплопроведением зависит от разности температур кожи и окружающей среды. Чем выше температура кожи, тем больше теплоотдача указанными путями. А температура кожи зависит от притока к ней крови. При повышении температуры окружающей среды артериолы и капилляры кожи расширяются, кожа краснеет, количество протекающей через неё крови увеличивается, температура кожи повышается, и теплоотдача теплоизлучением и теплопроведением возрастает.
Увеличение количества крови, протекающей через кожу, происходит и за счёт примешивания депонированной крови из печени, селезёнки и из капилляров самой кожи.
Величина теплоотдачи при высоких температурах окружающей среды меньше, чем при низких. Когда температура кожи сравнивается с температурой окружающей среды, теплоотдача прекращается. При дальнейшем повышении температуры окружающей среды кожа не только теряет тепло, но сама нагревается. В этом случае теплоотдача теплоизлучением и теплопроведением отсутствует и сохраняется только теплоотдача испарением.
На холоде артериолы и капилляры кожи суживаются, кожа становится бледной, количество протекающей через неё крови уменьшается, температура кожи понижается, разница температур кожи и окружающей среды сглаживается, и теплоотдача уменьшается.
Человек уменьшает теплоотдачу искусственными покровами (бельём, одеждой). Чем больше воздуха в этих покровах, тем легче сохраняется тепло.
Регуляция теплоотдачи испарением воды играет большую роль, особенно при мышечной работе и значительном повышении температуры окружающей среды. При испарении 1 дм 3 (1 л) воды с поверхности кожи и слизистых оболочек телом теряется 600 ккал. При средней температуре окружающей среды взрослый человек ежесуточно теряет испарением с кожи 400 -520 ккал.
Потеря воды кожей происходит за счёт проникновения воды из глубоких тканей на поверхность кожи и главным образом за счет функционирования потовых желез.
Большие потери пота сопровождаются потерями больших количеств минеральных солей, только NaCl в поту 0,3 - 0,6%. При потере 5-10 л пота теряется 30 -40 г поваренной соли. Поэтому если возникшая при обильных потоотделениях жажда удовлетворяется водой, могут возникнуть тяжелые расстройства (судороги и т.д.). При обильном длительном потоотделении рекомендуется пить соответственно минеральную воду или воду, содержащую 0,5 -0,6 % NaCl.
Испарение воды постоянно происходит и с поверхности лёгких. Выдыхаемый воздух насыщен водяными парами на 95-98 % и поэтому, чем суше вдыхаемый воздух, тем больше тепла отдаётся испарением с лёгких. В обычных условиях лёгкими ежесуточно испаряется 300 - 400 мл (180 -240 ккал) воды. При высокой температуре дыхание учащается, на холоде замедляется. Когда температура воздуха достигает температуры тела, испарение с поверхности кожи и лёгких становится единственным путём теплоотдачи. В этих условиях в покое испаряется более 100 мл пота в час, что позволяет отдать около 60 ккал в час.
Испарение воды с поверхности кожи и лёгких зависит от относительной влажности воздуха. Испарение прекращается в воздухе, насыщенном водяными парами, поэтому пребывание во влажном горячем воздухе, как, например, бане, тяжело переносится. В сыром воздухе даже при сравнительно невысокой температуре (при 30 0 С) человек чувствует себя плохо. Кожаная и резиновая одежда непроницаема для воздуха, испарения нет, пот накапливается под одеждой. При высокой температуре воздуха и мышечной работе в такой одежде температура тела повышается. Перегревание человека в атмосфере, насыщенной водяными парами, особенно опасно, так как лишает возможности освобождаться от избытка тепла и испарением. В сухом воздухе человек сравнительно легко переносит значительно более высокую температуру, чем во влажном.
Для увеличения теплоотдачи теплоизлучением, теплопроведением и испарением большое значение имеет движение воздуха.
Увеличение скорости движения воздуха увеличивает теплоотдачу. На сквозняке и на ветру резко увеличивается потеря тепла. Но если окружающий воздух имеет высокую температуру и насыщен водяными парами, то движение воздуха не охлаждает.
И так, физическая терморегуляция обеспечивается:
- 1) сердечно-сосудистой системой, которая определяет приток и отток крови в кровеносных сосудах кожи, а следовательно, количество тепла отдаваемого кожей в окружающую среду;
- 2) системой органов дыхания, т.е. изменениями вентиляции лёгких;
- 3) изменением функций потовых желез.
Регуляция теплоотдачи проводится двумя путями:
- 1) нервной системой;
- 2) посредством гормонов.
Существенное значение имеет адаптация к неблагоприятным условиям.
Изменение функций сердечно-сосудистой системы, дыхания и потовых желез рефлекторно регулируется: раздражением внешних органов чувств и особенно раздражением рецепторов кожи при изменении температуры внешней среды и раздражением нервных окончаний внутренних органов при колебаниях температуры внутри организма. Физиологические механизмы физической терморегуляции осуществляются большими полушариями, промежуточным, продолговатым и спинным мозгом.
Нарушение терморегуляции
Повышение температуры тела выше нормального уровня при нарушении терморегуляции называется лихорадкой. При лихорадке обмен веществ увеличивается на 50 - 100% и более. Особенно увеличивается распад белков. В крови накапливаются продукты белкового распада, устанавливается отрицательный азотистый баланс. При лихорадке окисление белков даёт около 30% теплообразования. Повышается также углеводный и жировой обмен, что ведёт к истощению организма. Накапливается большое количество продуктов промежуточного обмена веществ. Нарушаются физиологические процессы. Учащённое сердцебиение повышает кровяное давление, учащается дыхание, нарушается психика (бред, галлюцинации), что обусловлено расстройством нервной системы. При температуре 40 - 41 0 С начинается бред, при температуре 43 0 С наступает смерть, в единичных случаях при температуре равной 45 0 С.
При охлаждении тела также нарушаются физиологические процессы. При длительном пребывании на холоде после ощущения холода и дрожи появляется ощущение тепла, вследствие притока крови к коже, затем апатия и нарушение функций мозга. (При охлаждении жизнедеятельность, так как снижается обмен веществ в организме и потребность тканей в кислороде).
У человека смерть, как правило, наступает при температуре ниже 32-33 0 С, а при изменении функций нервной системы лекарственными препаратами - ниже 24 0 С. В единичных случаях людям удалось сохранить жизнь при падении температуры до 22,5 0 С.
Продолжительная адаптация к условиям окружающей среды.
Регуляторные механизмы - термогенез, сосудодвигательные реакции, потоотделение - включаются в течение секунд или минут после наступления температурного стресса. Кроме них существуют другие механизмы, обеспечивающие продолжительную адаптацию к климатическим изменениям в окружающей среде.
Такие процессы называются - физиологической адаптацией или акклиматизацией. Основаны они на модификациях органов и функциональных систем, которые развиваются только под влиянием продолжительных (в течение дней, недель и месяцев) постоянных или повторяющихся температурных стрессов.
Тепловая адаптация
Способность людей адаптироваться к теплу играет решающую роль для выживания в условиях тропиков и пустыни, а также для выполнения тяжёлой работы при высокой температуре на производстве.
Наиболее важный сдвиг - это изменение интенсивности потоотделения, которая возрастает в два раза и составляет 1-2 л/ч. Кроме этого, выделение пота начинается при более низкой средней кожной и внутренней температуры, что служит защитой от чрезмерного учащения сердцебиения и увеличения периферического кровотока, т. е. от теплового удара.
Адаптация связана также со значительным уменьшением содержания ионов в поту (нет шока от потери ионов), увеличением объёма плазмы и содержания в ней белков. У жителей тропиков интенсивность реакции не столь высока, чтобы вызывать потоотделение. Температурный порог сдвинут в сторону более высокой температуры тела, в результате они меньше потеют при ежедневной тепловой нагрузке.
Холодовая адаптация
Многие животные адаптируются к холоду очень просто - благодаря отрастанию меха у них усиливается термоизоляция. У мелких животных развиваются недрожательный термогенез и бурая жировая ткань.
У человека “поведенческая адаптация” - использования одежды и тёплых жилищ. Также развивается толерантная (холодовая) адаптация. Температурный порог дрожи и кривые метаболистических терморегуляторных реакций смещаются в сторону более низких значений температур, возникает умеренная гипотермия. (Аборигены Австралии проводят ночь почти раздетыми при температуре близкой к нулю не испытывая дрожи. Подобная способность хорошо развита у корейских и японских искателей жемчуга, ныряющих на глубину по несколько часов в день при температуре воды около 10 0 С.)