Распределение тепла в теле неравномерно и постоянную температуру (у человека порядка 37,5°С с суточными колебаниями в пределах 1) имеют лишь органы брюшной полости, мозг, сердце, кровь в крупных артериях и мышцы, расположенные в глубине тела. Температура периферических тканей (кожа, подкожная клетчатка, значительная часть скелетной мускулатуры) значительно ниже и колеблется в широких пределах (Майстрах Е.В., 1981).
Процесс теплообмена между организмом и внешней средой состоит из переноса тепла от внутренних областей тела к поверхностному слою и переноса тепла от поверхности тела в окружающее пространство.
Существуют два пути передачи тепла от внутренних органов к периферическим тканям: прямая теплопроводимость и тепломассоперенос кровью. Важно отметить, если теплопроводность зависит от состава и плотности тканей и не поддается физиологической регуляции, то тепломассоперенос кровью, напротив, является важнейшей физиологически регулируемой величиной. Она зависит от объемной и линейной скорости кровотока в сосудах, его направления, от температурной разности между тканями и кровью, от калибра кровеносных сосудов, где совершается теплообмен (Иванов К.П., 1990).
Теплоотдача с поверхности тела (кожа и слизистые оболочки) осуществляется кондукцией (теплопроводностью), конвекцией (проведением), радиацией (теплоизлучением) и перспирацией (испарением). Так, у человека в условиях температурного комфорта, при 20С температуры воздуха и относительной влажности 40–60 %, излучением отводится 54 ккал/ч, проведением – 26 ккал/ч и испарением – 23 ккал/ч (Майстрах Е.В., 1984). Это важное соотношение, которое всегда следует иметь в виду как основу теплообмена.
Теплоотдача конвекцией и радиацией пропорциональна величине внешнего температурного градиента (т.е. разности температуры среды и кожной поверхности), сокращается с его уменьшением и прекращается при падении градиента до нуля. Так как средняя температура кожи человека в норме около 33°С, при повышении температуры среды до 35-36°С и выше отдача тепла возможна лишь путем испарения. Для теплообмена, кроме температуры воздуха, имеют значение его движение и влажность. Так, движение воздуха в зоне умеренных и низких температур увеличивает теплоотдачу конвекций, а в зоне высоких температур резко ускоряет испарение пота. Высокая влажность воздуха при умеренных и низких температурах увеличивает его теплопроводность и усиливает теплоотдачу конвекцией и радиацией; при высоких температуре, напротив, затрудняя испарение пота, резко сокращает величину теплоотдачи.
Температурная зона наименьшего напряжения терморегуляционных реакций для обнаженного человека составляет 28-30°С, для легко одетого – 22-25°С. Уравновешивание теплового баланса в зоне более высоких температур осуществляется механизмами, регулирующими интенсивность теплоотдачи (физическая терморегуляция). Повышение теплоотдачи конвекцией и радиацией достигается расширением периферических сосудов и увеличением транспорта тепла кровью из центральных областей тела к периферии. Кроме того, увеличение кровенаполнения повышает теплопроводность периферических тканей и снижает их теплоизолирующие свойства. При оптимальной внешней температуре около 20% общей теплоотдачи приходится на неощущаемое испарение влаги с кожи и слизистых оболочек дыхательных путей. При температуре воздуха выше 25 прогрессивно нарастает секреция потовых желез. Отделение пота при температуре воздуха 34-35 может достигать в покое 5-6 л в сутки, при работе – до 12 литров (Кощеев В.С., Кузнец Е.И., 1986).
В зоне низких температур теплоотдача уменьшается за счет прекращения потоотделения и сужения кровеносных сосудов поверхности тела, снижающих температуру кожи и теплоотдачу конвекцией и радиацией. Одновременно включаются механизмы химической терморегуляции, вызывающие терморегуляторный прирост теплопродукции, достигающий при резком охлаждении 200-250% нормального уровня основного обмена. Вначале это связано с неощутимым повышением тонуса скелетной мускулатуры, позднее появляется мышечная дрожь – сначала в жевательных мышцах и мышцах плечевого пояса и спины, позднее и слабее – в нижних конечностях. Активная мышечная деятельность не относится к механизмам химической терморегуляции, но сопровождающий ее прирост теплопродукции может способствовать сохранению температурного гомеостаза в условиях охлаждения (Ажаев А.Н., 1979; Кощеев В.С., 1981).
Человек издревле обитает в различных районах нашей планеты, температурные различия между которыми превышают 100 °С. Ежегодные и даже ежесуточные температурные перепады также могут быть очень велики и составлять соответственно 50–60 и 10–20 °С. Следовательно, проблема защиты от внешних температурных воздействий и физиологической адаптации к ним всегда была актуальной (Баженов Ю.И., 1985; Слоним А.Д., 1986).
4. Определение уровня теплоотдачи радиацией (R, ккал в мин) производится по следующей формуле (Витте Н.К., 1956):
R = 0.093 S ( Тст – Тп ),
где S - поверхность тела (м2);
Тст - средняя температура окружающих стен (С);
Тп - температура поверхности тела (СВТ кожи, С).
5. Определение уровня теплоотдачи конвекцией (С, ккал в мин) производится по одной из следующих формул (Витте Н.К., 1956):
С = 0.10 (0.5 + v1/2 ) S (Тв - Тп) (если v≤0.6 м/с)
С = 0.12 (0.273 + v1/2 ) S (Тв - Тп) (если v>0.6 м/с)
где v - скорость движения воздуха (м/сек); S - площадь поверхности тела (м2); Тв - температура воздуха (С); Тп - температура поверхности тела (СВТ кожи, С).
Примечание. Скорость движения практически неподвижного воздуха принимается равной 0.05 м/с.
Экспресс-метод оценки теплового микроклимата помещений.
Для оценки влияния микроклимата рабочих помещений на людей можно воспользоваться упрощенными, групповыми и обобщенными методами, основанными на том, что температура кожи и величина испарения пота является функцией температуры и движения воздуха. Следовательно, можно с известными допущениями считать, что теплообмен радиацией, конвекцией и испарением также является функцией метеорологических условий и теплопродукции. Последнюю можно принять для ориентировочных исследований также приблизительно, зная общую характеристику работы и учащение пульса в работе (Витте Н.К., 1956).
Методика:
1. Используя таблицу «Теплопродукция человека при выполнении им работы различной степени физического напряжения» (Приложение. Таблица 2.), оценивается уровень теплопродукции исследуемой группы.
2. Определяется температура (Тв, С) и относительная влажность (%) воздуха в рабочем помещении.
3. Используются формулы для приближенной оценки уровня теплообмена радиацией и конвекцией (R+C, ккал/мин):
- в состоянии покоя:
при Тв < 35С при Тв ≥ 35С
R+С = 0.08 (Тв - 35) R+С = 0.13 (Тв - 35)
- для условий работы средней тяжести:
при Тв < 35С при Тв ≥ 35С
R+С = 0.11 (Тв - 35) R+С = 0.17 (Тв - 35)
- для условий тяжелой работы (при Тв от 0 до 50С):
R+С = 0.20 (Тв - 35)
4. Определяется количество испаряющейся влаги (Р, г) по формуле:
Р = 0.6 + (Тв - 10)2,
где Р - количество испаряющейся влаги (г/мин); - коэффициент (см. Приложение. Таблица №3); Тв - температура воздуха.
5. На основании величины потоотделения (Р) вычисляется величина теплоотдачи испарением по формуле:Е = -0.585 Р, где Е - величина теплоотдачи испарением влаги, ккал/мин; -0.585 - коэффициент скрытой теплоты парообразования, ккал/г.
Таблица 2
Теплопродукция человека при выполнении им работы различной степени физического напряжения (Витте н.К., 1956).
Вид деятельности |
Частота пульса (уд/мин) |
Теплопродукция (М; ккал/мин) |
Отсутствие физического напряжения (конторский труд, счетные работники) |
60 - 70 |
1.2 - 1.5 |
Легкая работа, выполняемая, как правило, в сидячем положении (работники швейных и трикотажных цехов, машинисты, водители, механики по точным работам) |
80 - 90 |
2.0 - 3.0 |
Работа средней тяжести (рабочие инструментальных цехов, трактористы, электромонтеры, слесари, столяры) |
90 - 110 |
3.5 - 4.5 |
Напряженная работа (грузчики, ручная распиловка бревен) |
130 - 150 |
5.6 - 7.0 |
Работы, требующие большого напряжения |
до 170 |
8.0 - 9.0 |
Словарь терминов
Гипертермия – состояние организма, характеризующееся повышенной температурой тела.
Гипотермия – нарушение теплового баланса, сопровождающееся снижением температуры тела ниже нормальных значений.
КЛО – единица теплоизоляции, равная 0,18См2ч/мин. Единица КЛО – это такая теплоизоляция, которая обеспечивает условия температурного комфорта для сидящего человека, находящегося в состоянии покоя, при метаболическом теплообразовании около 50 ккал/(м2ч), температуре воздуха 21С, относительной влажности менее 50% и скорости движения воздуха 10см/с.
Микроклимат – тепловое состояние окружающей среды, определяемое комплексом физических факторов (температура, влажность, скорость движения воздуха, лучистое тепло) в ограниченном пространстве и оказывающее влияние на тепловой обмен организма.
Обмен веществ и энергии (син. метаболизм) – совокупность процессов превращения веществ и энергии в живом организме и обмена организма веществами и энергией с окружающей средой.
Обмен энергетический – вид обмена, включающий процессы накопления, превращения, использования и рассеяния энергии; в основе лежит биологическое окисление органических соединений с накоплением и превращением макроэргических соединений.
Обмен основной – показатель интенсивности энергетического обмена (в ккал/сут или ккал/м2час), определяется при полном физическом и психическом покое исследуемого, в лежачем положении, в условиях теплового комфорта, не менее чем через 14 часов после приема пищи; используется в диагностических и исследовательских целях.
Терморегуляция – совокупность физиологических процессов, обеспечивающих поддержание оптимальной температуры тела.
Терморегуляция сосудистая – терморегуляция, осуществляемая за счет сужения или расширения просвета кровеносных сосудов.
Терморегуляция физическая – терморегуляция, осуществляемая за счет изменения теплоотдачи организма.
Терморегуляция химическая – терморегуляция, осуществляемая за счет изменения теплопродукции в тканях организма.
Температура базальная – температура тела, измеренная утром после сна до приема пищи; используется при исследовании динамики температуры тела.
Температура тела – величина, характеризующая тепловое состояние организма, измеряется главным образом в подмышечной впадине.
Температура тела гиперпиретическая – температура тела выше 41.
Температура тела пиретическая – температура тела в пределах 39-41.
Температура тела субфебрильная – температура тела в пределах 37-38.
Температура тела фебрильная – температура тела в пределах 38-39.
Температура радиационная – показатель, характеризующий условия радиационного теплообмена человека с окружающей средой; определяется с помощью шарового термометра.
Температура результирующая (син. температура радиационно-эквивалентно-эффективная) – показатель, характеризующий комплексное воздействие на человека температуры, влажности и скорости движения окружающего воздуха, а также инфракрасного (теплового) излучения окружающей среды; определяется с помощью номограмм или таблиц по величинам эквивалентно-эффективной и радиационной температур.
Температура эквивалентно-эффективная – показатель, характеризующий комплексное воздействие на человека температуры, влажности и скорости движения окружающего воздуха; определяется по показателям термометра, психрометра и анемометра с применением специальных таблиц или номограмм.
Температура эффективная – показатель, характеризующий комплексное воздействие на человека температуры и влажности окружающего воздуха; определяется по показателям термометра и психрометра с применением специальных таблиц или номограмм.
Тепловой комфорт – благоприятное самочувствие человека при определенных метеорологических условиях, обеспечивающих оптимальное функциональное состояние организма человека.
Тепловой режим – характеристика состояния среды в помещении, основанная на исследовании динамики температуры воздуха и поверхностей находящихся в нем предметов, а также интенсивности инфракрасного (теплового) излучения.
Тепловой удар – остро возникающее патологическое состояние, обусловленное нарушением терморегуляции организма при длительном воздействии на него высокой температуры воздуха или инфракрасного (теплового) излучения; характеризуется повышением температуры тела, усиленным потоотделением, учащением пульса и дыхания, головной болью, тошнотой и рвотой, адинамией, обмороками, в тяжелых случаях – острым развитием оглушения, психомоторного возбуждения, судорог, нарушений координации движений.
Теплообмен (в физиологии) – обмен тепловой энергией между организмом и окружающей средой.
Теплообмен конвективный – теплообмен путем переноса тепла движущимся газом (воздухом) или жидкостью, окружающими организм.
Теплообмен кондуктивный – теплообмен путем проведения тепла к (или от) поверхности какого-либо твердого тела, соприкасающегося с поверхностью тела.
Теплообмен радиационный – теплообмен путем испускания или поглощения организмом лучистой энергии.
Теплоотдача (в физиологии) – выделение организмом тепловой энергии в окружающую среду.
Теплоотдача испарительная – теплоотдача путем испарения воды с поверхности кожи, легочных альвеол и дыхательных путей.
Теплоотдача конвекционная – теплоотдача путем переноса тепла движущимся газом (воздухом) или жидкостью, окружающими организм.
Теплоотдача радиационная (син. теплоизлучение) – теплоотдача путем инфракрасного излучения поверхностью тела.
Теплопродукция (син. теплообразование) – образование тепла в организме в результате обменных процессов.
Теплопродукция запаздывающая (син. восстановительная) – фаза теплопродукции в мышце, продолжающаяся в течение нескольких минут после ее расслабления и соответствующая периоду ресинтеза аденозинтрифосфорной кислоты.
Теплопродукция начальная – фаза теплопродукции в мышце, соответствующая периоду ее сокращения и последующего расслабления.