Механизмы терморегуляции тела. Терморегуляция организма человека позволяет сохранять температуру тела постоянной Что такое терморегуляция организма

Основными параметрами, обеспечивающими процесс теплообмена человека с окружающей средой, как было показано выше, являются показатели микроклимата. В естественных условиях на поверхности Земли (уровень моря) они изменяются в существенных пределах. Так, температура окружающей среды изменяется от --88 до + 60 °С; подвижность воздуха -- от 0 до 60 м/с; относительная влажность -- от 10 до 100 % и атмосферное давление -- от 680 до 810 мм рт. ст.

Вместе с изменением параметров микроклимата меняется и тепловое самочувствие человека. Условия, нарушающие тепловой баланс, вызывают в организме реакции, способствующие его восстановлению. Процессы регулирования тепловыделений для поддержания постоянной температуры тела человека называются терморегуляцией. Она позволяет сохранять температуру тела постоянной. Терморегуляция осуществляется в основном тремя способами: биохимическим путем; путем изменения интенсивности кровообращения и интенсивности потовыделения.

Терморегуляция биохимическим путем, называемая химической терморегуляцией, заключается в изменении теплопродукции в организме за счет регулирования скорости окислительных реакций. Изменение интенсивности кровообращения и потовыделения изменяет отдачу теплоты в окружающую среду и поэтому называется физической терморегуляцией.

Терморегуляция организма осуществляется одновременна всеми способами. Так, при понижении температуры воздуха увеличению теплоотдачи за счет увеличения разности температур препятствуют такие процессы, как уменьшение влажности кожи, и следовательно, уменьшение теплоотдачи путем испарения, снижение температуры кожных покровов за счет уменьшения интенсивности транспортирования крови от внутренних органов, и вместе с этим уменьшение разности температур. Экспериментально установлено, что оптимальный обмен веществ в организме и соответственно максимальная производительность деятельности имеют место, если составляющие процесса теплоотдачи находятся в следующих пределах:

Q к? 30 %; Q п? 50 %; Q тм? 20 %.

Такой баланс характеризует отсутствие напряженности системы терморегуляции.

Параметры микроклимата оказывают непосредственное влияние на тепловое самочувствие человека и его работоспособность. Установлено, что при температуре воздуха более 25 °С работоспособность человека начинает падать. Предельная температура вдыхаемого воздуха, при которой человек в состоянии дышать в течение нескольких минут без специальных средств защиты, около 11б°С.

Переносимость человеком температуры, как и его теплоощущение, в значительной мере зависит от влажности и скорости окружающего воздуха. Чем больше относительная влажность, тем меньше испаряется пота в единицу времени и тем быстрее наступает перегрев тела. Особенно неблагоприятное воздействие на тепловое самочувствие человека оказывает высокая влажность при t* gt; 30 °С, так как при этом почти вся выделяемая теплота отдается в окружающую среду при испарении пота. При повышении влажности пот не испаряется, а стекает каплями с поверхности кожного покрова. Возникает так называемое проливное течение пота, изнуряющее организм и не обеспечивающее необходимую теплоотдачу. Вместе с потом организм теряет значительное количество минеральных солей, микроэлементов и водорастворимых витаминов (С, В 1 , В 2). При неблагоприятных условиях потеря жидкости может достигать 8... 10 л за смену и с ней до 40 г поваренной соли (всего в организме около 140 г NaCl). Потери более 30 г NaCl крайне опасны для организма человека, так как приводят к нарушению желудочной секреции, мышечным спазмам, судорогам. Компенсация потерь воды в организме человека при высоких температурах происходит за счет распада углеводов, жиров и белков.

Для восстановления водносолевого баланса работающих в горячих цехах устанавливают пункты подпитки подсоленной (около 0,5 % NaCl) газированной питьевой водой из расчета 4...5 л на человека в смену. На ряде заводов для этих целей применяют белково-витаминный напиток. В жарких климатических условиях рекомендуется пить охлажденную питьевую воду или чай.

Длительное воздействие высокой температуры особенно в сочетании с повышенной влажностью может привести к значительному накоплению теплоты в организме и развитию перегревания организма выше допустимого уровня -- гипертермии -- состоянию, при котором температура тела поднимается до 38...39 °С. При гипертермии и как следствие тепловом ударе наблюдаются головная боль, головокружение, общая слабость, искажение цветового восприятия, сухость во рту, тошнота, рвота, обильное потовыделение, пульс и дыхание учащены. При этом наблюдается бледность, синюшность, зрачки расширены, временами возникают судороги, потеря сознания.

В горячих цехах промышленных предприятий большинство технологических процессов протекает при температурах, значительно превышающих температуру воздуха окружающей среды. Нагретые поверхности излучают в пространство потоки лучистой энергии, которые могут привести к отрицательным последствиям. Инфракрасные лучи оказывают на организм человека в основном тепловое действие, при этом наступает нарушение деятельности сердечно - сосудистой и нервной систем. Лучи могут вызвать ожог кожи и глаз. Наиболее частым и тяжелым поражением глаз вследствие воздействия инфракрасных лучей является катаракта глаза.

Производственные процессы, выполняемые при пониженной температуре, большой подвижности и влажности воздуха, могут быть причиной охлаждения и даже переохлаждения организма -- гипотермии. В начальный период воздействия умеренного холода наблюдается уменьшение частоты дыхания, увеличение объема вдоха. При продолжительном действии холода дыхание становится неритмичным, частота и объем вдоха, увеличиваются. Появление мышечной дрожи, при которой внешняя работа не совершается, а вся энергия Превращается в теплоту, может в течение некоторого времени задерживать снижение температуры внутренних органов. Результатом действия низких температур являются холодовые травмы.

Терморегуляцией называется способность организма человека регулировать теплообмен с окружающей средой и сохранять температуру тела в определенных границах (36,1 - 37,2°С).

Терморегуляция обеспечивается изменением двух составляющих теплообменногопроцесса:теплопродукции итеплоотдачи.

Из двух способов поддержания теплового равновесия основное значение имеет регуляция теплоотдачи, т.к. этот путь более изменчив и управляем в организме, тогда как регуляция теплопродукции положительную роль играет главным образом при низких температурах воздуха, при высоких же возможность регуляции теплообмена за счет уменьшения продукции тепла ограничена.

Нормальное тепловое самочувствие имеет место, когда соблюдается тепловой баланс

Qт.о.= Qт.в.

Здесь Qт.о. – количество тепла выделяемого человеком, а Qт.в. – количество тепла принимаемого человеком из окружающей среды. Это соответствие характеризует окружающую среду как комфортную. В условиях комфорта у человека не возникает беспокоящих его тепловых ощущений холода или перегрева.

Уравнение теплового баланса (“человек - окружающая среда”) имеет вид

Qт.о.= q к + q т + q и + q исп + q д,

где q к – показатель конвекции;

q т – показатель теплопроводности через одежду;

q и – показатель излучения;

q исп – показатель испарения кожи;

q д – показатель испарения влаги при дыхании.

Теплообмен между человеком и окружающей средой осуществляется: конвекцией в результате омывания тела воздухом (q к ), теплопроводностью через одежду (q т ), излучением на окружающие поверхности (q и ), испарением влаги с поверхности кожи (q исп ), испарением влаги при дыхании (q д ).

Величина тепловыделения организмом человека зависит от степени физического напряжения в определенных климатических условиях и составляет от 85 (в состоянии покоя) до 500 Дж/с (тяжелая работа). В состоянии покоя при температуре окружающего воздуха +18 °С доля q к иq т составляет около 30 %, q и – 45%, q исп – 20%, q д – 5% всей отводимой теплоты.

Процессы регулирования тепловыделений осуществляются в основном тремя способами: биохимическим путем; путем изменения интенсивности кровообращения и интенсивности потовыделения.

Терморегуляция биохимическим путем заключается в изменении интенсивности происходящих в организме окислительных процессов. Например, мышечная дрожь, возникающая при сильном охлаждении организма, повышает выделение теплоты до 125...200Дж/с.

Терморегуляция путем изменения интенсивности кровообращения заключается в способности организма регулировать подачу крови (которая является в данном случае теплоносителем) от внутренних органов к поверхности тела путем сужения или расширения кровеносных сосудов. Перенос теплоты с потоком крови имеет большое значение вследствие низких коэффициентов теплопроводности тканей человеческого организма - 0,314..1,45 Вт/(м °С). При высоких температурах окружающей среды кровеносные сосуды кожи расширяются и к ней от внутренних органов притекает большое количество крови и, следовательно, больше теплоты отдается окружающей среде. При низких температурах происходит обратное явление: сужение кровеносных сосудов кожи, уменьшение притока крови к кожному покрову и, следовательно, меньше теплоты отдается во внешнюю среду. В пальцах кровоснабжение может изменяться даже в 600 раз.

Терморегуляция путем изменения интенсивности потовыделения заключается в изменении процесса теплоотдачи за счет испарения. Испарительное охлаждение тела человека имеет большое значение. Так, при 1Ж = 18°С, <р = 60 %, и» = 0 количество теплоты, отдаваемой человеком в окружающую среду при испарении влаги, составляет около 18 % общей теплоотдачи. При увеличении температуры окружающей среды до + 27°С доля (?„ возрастает до 30 % и при 36,6° С достигает 100 %.

Терморегуляция организма осуществляется одновременно всеми способами. Так, при понижении температуры воздуха увеличению теплоотдачи за счет увеличения разности температур препятствуют такие процессы, как уменьшение влажности кожи и, следовательно, уменьшение теплоотдачи путем испарения, снижение температуры кожных покровов за счет уменьшения интенсивности транспортирования крови от внутренних органов и вместе с этим уменьшение разности температур.

Экспериментально установлено, что оптимальный обмен веществ в организме и соответственно максимальная производительность труда имеют место, если составляющие процесса теплоотдачи находятся в следующих пределах: & + (?т * 30 %; О, * 45 %; (?п * 20 % и (?д * 5 %. Такой баланс характеризует отсутствие напряженности системы терморегуляции.

Параметры микроклимата воздушной среды, которые обусловливают оптимальный обмен веществ в организме и при которых нет неприятных ощущений и напряженности системы терморегуляции, называются комфортными или оптимальными. Зона, в которой окружающая среда полностью отводит тепло, выделяемое организмом, и нет напряжения системы терморегуляции, называется зоной комфорта. Условия, при которых нормальное тепловое состояние человека нарушается, называются дискомфортными. При незначительной напряженности системы терморегуляции и небольшой дискомфортности устанавливаются допустимые метеорологические условия.

Теплота способна переходить только из области более высокой температуры в область более низкой. Поэтому поток тепловой энергии от живого организма в окружающую среду не прекращается до тех пор, пока температура тела выше, чем температура среды.

Температура тела определяется соотношением скорости метаболической теплопродукции клеточных структур и скорости рассеивания образующейся тепловой энергии в окружающую среду. Следовательно, теплообмен между организмом и средой является неотъемлемым условием существования теплокровных организмов. Нарушение соотношения этих процессов приводит к изменению температуры тела.

Возможность протекания процессов жизнедеятельности ограничена узким диапазоном температуры внутренней среды, в котором могут происходить основные ферментативные реакции. Для человека снижение температуры тела ниже 25°с и её увеличение выше 43°с, как правило, смертельно. Особенно чувствительны к изменениям температуры нервные клетки.

С точки зрения терморегуляции, тело человека можно представить состоящим из двух компонентов: внешней оболочки, и внутреннего, ядра. Ядро – это часть тела, которая имеет постоянную температуру, а оболочка – часть тела, в которой имеется температурный градиент. Через оболочку идёт теплообмен между ядром и окружающей средой.

Терморегуляция – это совокупность физиологических процессов, направленных на поддержание относительного постоянства температуры ядра в условиях изменения температуры среды с помощью регуляции теплопродукции и теплоотдачи. Терморегуляция направлена на предупреждение нарушений теплового баланса организма или на его восстановление, если подобные нарушения уже произошли, и осуществляется нервно-гуморальным путём.

Терморегуляцию можно разделить на два основных вида:

Химическую и физическую терморегуляцию. Они, в свою очередь, также подразделяются на несколько видов:

1. Химическая терморегуляция

   Сократительный термогенез
   - Несократительный термогенез

2. Физическая терморегуляция

Излучение
-Теплопроведение (кондукция)
-Конвекция
-Испарение

Рассмотрим эти виды терморегуляции подробнее.

Химическая терморегуляция

Химическая терморегуляция теплообразования – осуществляется за счёт изменения уровня обмена веществ, что приводит к изменению образования тепла в организме. Источником тепла в организме являются экзотермические реакции окисления белков, жиров, углеводов, а также гидролиз АТФ.

При расщеплении питательных веществ часть освобождённой энергии аккумулируется в АТФ, часть рассеивается в виде тепла (первичная теплота – 65–70% энергии). При использовании макроэргических связей молекул АТФ часть энергии идёт на выполнение полезной работы, а часть рассеивается (вторичная теплота). Таким образом, два потока теплоты – первичной и вторичной – являются теплопродукцией.

При необходимости повысить теплопродукцию, помимо возможности получения тепла извне, в организме используются механизмы, увеличивающие производство тепловой энергии.

К таким механизмам относятся сократительный и несократительный термогенез.

Этот вид терморегуляции работает если нам холодно и необходимо поднять температуру тела. Заключается этот метод в сокращении мышц.

При сокращении мышц возрастает гидролиз АТФ, поэтому возрастает поток вторичной теплоты, идущей на согревание тела.

Произвольная активность мышечного аппарата, в основном, возникает под влиянием коры больших полушарий. При этом повышение теплопродукции возможно в 3–5 раз по сравнению с величиной основного обмена.

Обычно при снижении температуры среды и температуры крови первой реакцией является увеличение терморегуляционного тонуса (волосы на теле "встают дыбом", появляются "мурашки") . С точки зрения механики сокращения, данный тонус представляет собой микровибрацию и позволяет увеличить теплопродукцию на 25–40% от исходного уровня. Обычно в создании тонуса принимают участие мышцы головы и шеи.

При более значительном переохлаждении терморегуляционный тонус переходит в мышечную холодовую дрожь . Холодовая дрожь представляет собой непроизвольную ритмическую активность поверхностно расположенных мышц, в результате которой теплопродукция повышается. Считается, что теплопродукция при холодовой дрожи в 2,5 раз выше, чем при произвольной мышечной деятельности.

Описанный механизм работает на рефлекторном уровне, без участия нашего сознания. Но поднять температуру тела можно и при помощи сознательной двигательной активности.

При выполнении физической нагрузки разной мощности теплопродукция возрастает в 5–15 раз по сравнению с уровнем покоя. Температура ядра на протяжении первых 15–30 минут длительной работы довольно быстро повышается до относительно стационарного уровня, а затем сохраняется на этом уровне или продолжает медленно повышаться.

Несократительный термогенез

Этот вид терморегуляции может приводить, как повышению, так и к понижению температуры тела.

Он осуществляется путём ускорения или замедления катаболических процессов обмена веществ. А это, в свою очередь, будет приводить к снижению или увеличению теплопродукции. За счёт этого вида термогенеза теплопродукция может вырасти в 3 раза.

Регуляция процессов несократительного термогенеза осуществляется путём активации симпатической нервной системы, продукции гормонов щитовидной и мозгового слоя надпочечников.

Физическая терморегуляция

Под физической терморегуляцией понимают совокупность физиологических процессов, ведущих к изменению уровня теплоотдачи. Различают несколько механизмов отдачи тепла в окружающую среду.

1. Излучение
– отдача тепла в виде электромагнитных волн инфракрасного диапазона. За счёт излучения отдают энергию все предметы, температура которых выше абсолютного нуля. Электромагнитная радиация свободно проходит сквозь вакуум, атмосферный воздух для неё тоже можно считать «прозрачным». Количество тепла, рассеиваемого организмом в окружающую среду излучением, пропорционально площади поверхности излучения (площади поверхности тела, не покрытой одеждой) и градиенту температуры. При температуре окружающей среды 20°с и относительной влажности воздуха 40–60% организм взрослого человека рассеивает путём излучения около 40–50% всего отдаваемого тепла.
2. Теплопроведение (кондукция)
– способ отдачи тепла при непосредственном соприкосновении тела с другими физическими объектами. Количество тепла, отдаваемого в окружающую среду этим способом, пропорционально разнице средних температур контактирующих тел, площади соприкасающихся поверхностей, времени теплового контакта и теплопроводности.
3. Конвекция
– теплоотдача, осуществляемая путём переноса тепла движущимися частицами воздуха (воды). Воздух, соприкасающийся с кожей, нагревается и поднимается, его место занимает «холодная» порция воздуха и т. д. В условиях температурного комфорта этим способом тело теряет до 15% всего отдаваемого тепла.
4. Испарение – отдача тепловой энергии в окружающую среду за счёт испарения пота или влаги с поверхности кожи и слизистых дыхательных путей. За счёт испарения организм в условиях комфортной температуры отдаёт около 20% всего рассеиваемого тепла. Испарение делится на 2 вида.

Неощущаемая перспирация – испарение воды со слизистых дыхательных путей (через дыхание) и воды, просачивающейся через эпителий кожного покрова (Испарение с поверхности кожи. Оно идёт даже в случае, если кожа сухая.).

За сутки через дыхательные пути испаряется до 400 мл воды, т.е. организм теряет до 232 ккал в сутки. При необходимости эта величина может быть увеличена за счёт тепловой одышки.

Через эпидермис в среднем за сутки просачивается около 240 мл воды. Следовательно, этим путём организм теряет до 139 ккал в сутки. Эта величина, как правило, не зависит от процессов регуляции и различных факторов среды.

Ощущаемая перспирация – отдача тепла путём испарения пота . В среднем за сутки при комфортной температуре среды выделяется 400–500 мл пота, следовательно, отдаётся до 300 ккал энергии. Однако при необходимости объём потоотделения может увеличиться до 12　л в сутки, т.е. путём потоотделения можно потерять до 7000 ккал в сутки.

Эффективность испарения во многом зависит от среды: чем выше температура и ниже влажность, тем выше эффективность потоотделения как механизма отдачи тепла. При 100% влажности испарение невозможно.

Управление терморегуляцией

Гипоталамус

Система терморегуляции состоит из ряда элементов с взаимосвязанными функциями. Информация о температуре поступает от терморецепторов и при помощи нервной системы попадает в мозг.

Основную роль в терморегуляции играет гипоталамус. Разрушение его центров или нарушение нервных связей ведёт к утрате способности регулировать температуру тела. В переднем гипоталамусе расположены нейроны, управляющие процессами теплоотдачи. При разрушении нейронов переднего гипоталамуса организм плохо переносит высокие температуры, но физиологическая активность вусловиях холода сохраняется. Нейроны заднего гипоталамуса управляют процессами теплопродукции. При их повреждении нарушается способность к усилению энергообмена, поэтому организм плохо переносит холод.

Эндокринная система

Гипоталамус управляет процессами теплопродукции и теплоотдачи, посылая нервные импульсы к железам внутренней секреции, главным образом щитовидной и надпочечникам.

Участие щитовидной железы в терморегуляции обусловлено тем, что влияние пониженной температуры приводит к усиленному выделению её гормонов, ускоряющих обмен веществ и, следовательно, теплообразование.

Роль надпочечников связана с выделением ими в кровь катехоламинов, которые, усиливая или уменьшая окислительные процессы в тканях (например, мышечной), увеличивают или уменьшают теплопродукцию и сужают или увеличивают кожные сосуды, меняя уровень теплоотдачи.

Теплообмен человека с окружающей средой. Человек постоянно находится в состоянии обмена теплотой с окружающей средой. Жизнедеятельность человека сопровождается непрерывным выделением теплоты в окружающую среду. Ее количество зависит от степени физического напряжения в определенных климатических условиях и составляет от 85 Дж/с (в состоянии покоя) до 500 Дж/с (при тяжелой работе). Для нормального течения физиологических процессов в организме человека необходимо, чтобы выделяемое организмом тепло (Q тв) полностью отдавалось окружающей среде (Q то), то есть имел бы место тепловой баланс Q тв = Q то. Превышения тепловыделения организма над теплоотдачей в окружающую среду (Q тв > Qто) приводит к нагреву организма и к повышению температуры тела. Такое тепловое самочувствие характеризуется понятием жарко. Наоборот, превышение теплоотдачи над тепловыделением (Q тв < Q то) приводит к охлаждению организма и снижению его температуры. Такое тепловое самочувствие характеризуется понятием холодно.

Одним из важных показателей теплового состояния организма является средняя температура тела (внутренних органов) порядка 36,5 °С. Даже незначительные отклонения от этой температуры в ту или другую сторону приводят к ухудшению самочувствия человека. Она зависит от степени нарушения теплового баланса и уровня энергозатрат при выполнении физической работы.

Теплообмен между организмом человека и окружающей средой зависит от параметров микроклимата: температуры окружающей среды, скорости движения воздуха, относительной влажности воздуха. Чтобы понять влияние того или иного показателя на теплообмен, необходимо рассмотреть механизмы за счет которых теплота передается от одного предмета к другому (в частности, от человека к окружающей среде и наоборот).

Отдача тепла организмом человека происходит посредством:

Теплопроводности Q т;

Конвекции q к в результате смывания воздухом тела человека;

Излучения на окружающие поверхности Q из;

Испарения влаги с поверхности кожи Q ис и при дыхании Q в.

Теплота может передаваться только от тела с более высокой температурой к телу с более низкой 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. Так как температура тела человека относительно величины 36,5 °С изменяется в небольшом диапазоне, то изменение отдачи теплоты от человека происходит, в основном, за счет изменения температуры окружающей человека среды. Если температура воздуха или окружающих человека предметов выше температуры 36,5 °С, происходит не отдача теплоты от человека, а наоборот, его нагрев.

Одежда человека обладает теплоизолирующими свойствами: чем она теплее, тем меньше теплоты переходит от человека к окружающей среде. Таким образом, регулировать теплообмен человека с окружающей средой можно за счет температуры окружающей среды и выбора одежды с различными теплоизолирующими свойствами.

Воздух, находящейся вблизи от 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 холодный ускоряется. В этом случае у нагретого предмета будет находиться более холодный воздух, разность температур между нагретым предметом и окружающим воздухом будет больше и интенсивность отдачи тепла от предмета окружающему воздуху возрастет. Это явление называется вынужденной конвекцией. Таким образом, регулировать теплообмен между человеком и окружающей средой можно изменением скорости движения воздуха, т.е. передача теплоты конвекцией тем больше, чем ниже температура окружающей среды и чем выше скорость движения воздуха.

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 выше, чем больше разница температур человека и окружающих предметов. Причем лучистый поток может исходить от человека, если температура окружающих предметов меньше температуры человека, и наоборот, если окружающие предметы более нагреты, т.е. лучистый поток при теплообмене излучением тем больше, чем ниже температура окружающих человека поверхностей.

Интенсивность испарения, а следовательно, и величина отдачи тепла от организма окружающей среде зависит: 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; в-третьих, от скорости движения: интенсивность испарения возрастает при увеличении скорости движения воздуха; в-четвертых, от интенсивности работы: уровень потоотделения повышается пропорционально тяжести выполненной работы.

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(Qв). Количество теплоты, выделяемой человеком с выдыхаемым воздухом, зависит от его физической нагрузки, влажности и температуры окружающего (вдыхаемого) воздуха. Чем больше физическая нагрузка и ниже температура окружающей среды, тем больше отдается теплоты с выдыхаемым воздухом. С увеличением температуры и влажности окружающего воздуха количество теплоты, отводимой через дыхание, уменьшается.

Таким образом, направление тепловых потоков Q т Q к Q из может быть от человека к окружающим его воздуху и предметам и наоборот, в зависимости от того, что больше - температура тела человека или окружающего воздуха и окружающих его тел.

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.

Параметры микроклимата в природной среде и в производственных условиях могут изменяться в широких пределах. Вместе с изменением параметров микроклимата меняется и тепловое самочувствие человека. Нарушение теплового баланса в ту или иную сторону вызывают в организме человека реакции, способствующие его восстановлению.

Процессы регулирования тепловыделений для поддержания постоянной температуры тела человека называется терморегуляцией. Она позволяет сохранять температуру внутренних органов постоянной (Зб,5 °С) и не имеет в своем составе специфических органов. Противостояние холоду или жаре происходит под контролем нервной системы, которая включает конкретные органы в специфическую функциональную систему, обеспечивающую поддержание постоянной температуры наиболее эффективным и экономичным путем. Физиологическая система терморегуляции включает в себя регуляцию теплообразования и теплоотдачи.

Терморегуляция осуществляется следующими способами: биохимическим путем, путем изменения интенсивности кровообращения и интенсивности потовыделения.

Терморегуляция биохимическим путем состоит в изменении интенсивности окислительных процессов, происходящих в организме человека. Внешним проявлением биохимических регулирующих процессов является мышечная дрожь, которая как уже говорились, возникает при переохлаждении организма. Повышает выделение теплоты до 125...200 Дж/с. В результате сложных химических реакций при усвоении пищи вырабатывается тепло, которое расходуется на поддержание жизненных процессов: работы сердца, органов дыхания.

Терморегуляция изменением интенсивности кровообращения заключается в способности организма регулировать объем подаваемой крови, которую в данном случае можно рассматривать как переносчик теплоты от внутренних органов к поверхности тела человека путем сужения или расширения кровеносных сосудов.

При высоких температурах окружающей среды кровеносные сосуды кожи расширяются, и к ней от внутренних органов притекает больше крови и, следовательно, больше теплоты отдается окружающей среде.

При низких температурах происходит обратное явление: кровеносные сосуды сужаются, количество крови, а, следовательно, и теплоты, подаваемой к коже, уменьшается, снижается ее температура и, как следствие, - уменьшение отдачи теплоты от человека окружающей среде.

Терморегуляция изменением интенсивности потовыделения заключается в изменении процесса теплоотдачи за счет испарения. Охлаждение организма за счет испарения имеет большое значение. Так, при температуре окружающей среды 36 °С отвод тепла от человека в окружающую среду осуществляется практически только за счет испарения пота. В регулировании процесса теплообмена участвуют одновременно все способы, но в большей или меньшей степени.

Экспериментально установлено, что оптимальный обмен веществ в организме и соответственно максимальная производительность труда имеют место, если составляющие процесса теплоотдачи находятся в следующих пределах:

Q к +Q т =30%; Q из -45

Q ис =20% Q в =5%

Такой баланс характеризует отсутствие напряженности системы терморегуляции.

Параметры микроклимата воздушной среды, которые обусловливают оптимальный обмен веществ в организме и при которых нет неприятных ощущений и напряженности системы терморегуляции, называются комфортными или оптимальными. Зона, в которой окружающая среда полностью отводит теплоту, выделяемую организмом, и нет напряжения системы терморегуляции, называется зоной комфорта. Условия, при которых нормальное тепловое состояние человека нарушается, называются дискомфортными.

При незначительной напряженности системы терморегуляции и небольшой дискомфортности устанавливаются допустимые метеорологические условия. При превышении допустимых значений метеорологических параметров система терморегуляции работает в напряженном режиме, человек испытывает сильный дискомфорт, нарушается тепловой баланс и начинается перегрев или переохлаждение организма в зависимости от того, в какую сторону нарушен тепловой баланс.

Адаптация и акклиматизация при работе в условиях нагревающего и охлаждающего климата. Организм работающих в условиях постоянного воздействия повышенных или пониженных температур находится в состоянии динамического равновесия с внешней средой (динамическая стереотипия) - это равновесие, установившееся благодаря приспособлению организма человека к определенным метеорологическим условиям.

В основе адаптации к нагревающему или охлаждающему микроклимату лежат процессы, направленные на поддержание определенного уровня и взаимосвязи физиологических систем, органов, механизмов управления, обеспечивающих высокую жизнедеятельность организма.

На начальных этапах адаптация осуществляется за счет активации компенсаторных механизмов - первичных рефлекторных реакций, направленных на устранение или ослабление функциональных сдвигов в организме, вызванных термическими раздражителями. В процессе приспособления (адаптации) вся деятельность организма путём нейрогуморальных механизмов приводится во все более точное и тонкое уравновешивание с окружающей средой.

В результате адаптационного процесса устанавливается стабильное состояние жизненных систем организма в измененных микроклиматических условиях среды – акклиматизация.

Акклиматизация - приспособление к новым климатическим условиям является частным случаем адаптации, развивается в результате длительного пребывания в условиях высоких и низких температур. Характерными особенностями адаптации и акклиматизации являются улучшение общего состояния, более легкая переносимость высоких и низких температур, сокращение периода восстановления физиологических функций и работоспособности.

Адаптация к высоким температурам выражается в повышении работы мышц, значительном снижении основного обмена. При работе, связанной с высокой температурой помещения адаптация идет за счет снижения теплопродукции, формирования стойкого перераспределения кровенаполнения сосудов, так что с поверхности тела отдача тепла облегчается. Потоотделение из избыточного - в аварийной фазе - превращается в адекватное высокой температуре. В процессе адаптации при выраженном потоотделении наблюдается уменьшение концентрации хлоридов в поту, что способствует уменьшению нарушений водно-солевого обмена. Уменьшается АД, урежается частота пульса и дыхания, несколько снижается температура тела.

Адаптация к воздействию холода. Частое и длительное влияние холода приводит к повышению обмена веществ и усилению теплопродукции. При работе в холодных цехах или холодильниках первые дни в ответ на низкую температуру теплопродукция нарастает неэкономично, избыточно, теплоотдача еще недостаточно ограничена. После установления фазы стойкой адаптации процессы теплопродукции становятся интенсивнее, а теплоотдачи снижаются и в конечном итоге сбалансируются таким образом, чтобы наиболее совершенно поддерживать стабильную температуру тела в новых условиях.

К активной адаптации в этом случае присоединяются механизмы, обеспечивающие приспособление рецепторов к холоду, то есть повышение порога раздражения этих рецепторов. Быстрее восстанавливается температура кожи, отмечается менее выраженное сужение сосудов кожи, большее ее кровоснабжение, увеличивается объем циркулирующей крови.

В процессе адаптации к инфракрасному облучению понижается возбудимость рецепторов, отмечается незначительное учащение пульса и повышение температуры тела, повышение интенсивности потоотделения, увеличение количества жировых веществ и уменьшение концентрации хлоридов в поту.

Адаптация наблюдается при условии, если колебания параметров производственного микроклимата не выходят за пределы компенсаторных возможностей организма. Резко выраженные колебания метеорологических условий затрудняют адаптацию организма к ним. Чрезмерные по интенсивности и продолжительности тепловые раздражители могут привести к срыву адаптации. Срывы адаптации связаны со снижением иммунологической реактивности организма и влекут за собой разнообразные неблагоприятные последствия, в частности, повышенную заболеваемость.

Между человеком и окружающей его средой постоянно происходит теплообмен. Факторы окружающей среды воздействуют на организм комплексно, и в зависимости от их конкретных значений вегетативные центры (полосатое тело, серый бугор промежуточного мозга) и ретикулярная формация, взаимодействуя с корой головного мозга и посылая по симпатическим волокнам импульсы к мышцам, обеспечивают оптимальное соотношение процессов теплообразования и теплоотдачи.

Терморегуляцией организма называется совокупность физиологических и химических процессов, направленных на поддержание температуры тела в определенных пределах (36,1...37,2 °С). Перегрев тела или его переохлаждение приводит к опасным нарушениям жизненных функций, а в некоторых случаях — к заболеваниям. Терморегуляция обеспечивается изменением двух составляющих теплообмен процессов — теплопродукции и теплоотдачи. На тепловой баланс организма существенно влияет теплоотдача, как наиболее управляемая и изменчивая.

Теплота вырабатывается всем организмом, но более всего поперечнополосатыми мышцами и печенью. Теплообразование организма человека, одетого в домашнюю одежду и находящегося в состоянии относительного покоя при температуре воздуха 15...25°С, сохраняется приблизительно на одном и том же уровне. С понижением температуры оно увеличивается, а при ее повышении с 25 до 35 °С несколько уменьшается. При температуре более 40 °С выработка теплоты начинает увеличиваться. Эти данные свидетельствуют о том, что регуляция производства теплоты в организме главным образом происходит при пониженных температурах окружающей среды.

Теплопродукция возрастает при выполнении физической работы, причем тем больше, чем тяжелее работа. Количество вырабатываемой теплоты зависит также от возраста и состояния здоровья человека. Усредненные значения теплопродукции взрослого человека в зависимости от температуры окружающего воздуха и тяжести выполняемой работы приведены в таблице 14.3.

14.3. Теплопродукция человека в зависимости от температуры воздуха и тяжести выполняемой работы

Различают три вида теплоотдачи организма человека:

излучение (в виде инфракрасных лучей, испускаемых поверхностью тела в направлении предметов с меньшей температурой);

конвекция (нагревание омывающего поверхность тела воздуха);

испарение влаги с поверхности кожи, слизистых оболочек верхних дыхательных путей и легких.

Процентное соотношение между этими видами теплоотдачи человека, находящегося в нормальных условиях в состоянии покоя, выражается следующими цифрами: 45/30/25. Однако указанное соотношение может изменяться в зависимости от конкретных значений параметров микроклимата и тяжести выполняемой работы.

Теплоотдача излучением происходит только в том случае, когда температура окружающих предметов ниже температуры открытых участков кожи (32. ..34, 5 °С) или наружных слоев одежды (27. ..28 °С для легко одетого человека и приблизительно 24 °С для человека в зимней одежде). Основная часть излучения относится к инфракрасному диапазону с длиной волны (4. ..50) * 10-6м. При этом теряемое организмом в единицу времени количество теплоты, Дж/с (1 Дж/с = 1 Вт),

Pp = Sδ(Tч4 - То4),

где S— площадь поверхности тела человека, определяемая по графику (рис. 14.1), м2. Если масса и рост человека неизвестны, то принимают S= 1,5м2; δ — приведенный коэффициент излучения, Вт/(м2*К4): для хлопчатобумажной ткани 5 = 4,2*10-8, для шерсти и шелка δ = 4,3*10 , для кожных покровов человека δ = 5,1*10-8; Тч — температура поверхности тела человека: для раздетого человека 306 К (это соответствует 33 °С); Тo — температура окружающей среды, К.

Рис. 14.1. График для определения площади поверхности тела человека в зависимости от его массы и роста

Теплоотдача конвекцией также происходит в случае, если температура поверхности кожи или верхних слоев одежды выше температуры омывающего их воздуха. При отсутствии ветра прилегающий к поверхности кожи раздетого человека слой воздуха толщиной 4...8 мм нагревается за счет его теплопроводности. Более отдаленные слои нагреваются вследствие естественного движения воздуха или принудительного побуждения. С увеличением скорости движения воздуха толщина окружающего человека пограничного слоя уменьшается до 1 мм, а теплоотдача поверхности тела возрастает в несколько раз. Потери теплоты конвекцией через дыхательные пути меньше, чем от кожного покрова, и происходят в тех случаях, когда температура вдыхаемого воздуха ниже температуры тела. Теплоотдача конвекцией повышается с ростом барометрического давления.

Приближенно потери теплоты в единицу времени конвекцией, Дж/с, можно определить по формуле

Pк1 = 7(0,5 + √v)S(Tч - То)

Рк2 = 8,4(0,273 + √v)S(Tч - То)

где v — скорость движения воздуха, м/с.

Первую формулу используют при скорости движения воздуха v ≤ 0,6 м/с, вторую — при v > 0,6 м/с.

Испарение — это теплоотдача при повышенной температуре воздуха, когда указанные ранее способы теплоотдачи затруднены или невозможны. В обычных условиях на большей части поверхности тела человека происходит неощутимое потоотделение, возникающее в результате диффузии воды без активного участия потовых желез. Исключение составляют поверхности ладоней, подошв и подмышечных впадин (составляющие примерно 10 % поверхности тела), на которых пот выделяется непрерывно.

В результате испарения организм в сутки теряет в среднем около 0,6 л воды. Так как на испарение 1 г воды затрачивается приблизительно 2,5 кДж теплоты, то потери ее за сутки составят приблизительно 1500кДж. С увеличением температуры воздуха и степени тяжести работы за счет более активного проникновения жидкости через стенки оплетающих потовые железы артериальных сосудов и нервной регуляции потоотделение усиливается, достигая за смену 5 л, а в некоторых случаях 10... 12 л. Отдача теплоты также возрастает.

При слишком интенсивном выделении пот не всегда успевает испариться и может выделяться в виде капель. В этом случае влажный слой на коже препятствует теплоотдаче, приводя в дальнейшем к перегреванию организма. Кроме влаги с потом человек теряет большое количество солей (в 1 л пота содержится 2,5...2,6 г хлорида натрия) и водорастворимых витаминов (С, BI, 62), что приводит к сгущению крови и ухудшению работы сердца. Следует отметить, что при потере количества воды, равного 1 % общей массы тела, у человека возникает чувство сильной жажды; утрата 5 % воды приводит к потере сознания, 10% — к смерти.

Количество выделяемого пота зависит и от индивидуальных особенностей организма, а также от степени его приспособляемости к данным климатическим условиям. На интенсивность испарения влаги влияют температура и скорость движения воздуха.

Через дыхательные пути испаряется около 300...350 г влаги в сутки, что приводит к потере 750...875 кДж теплоты.

Общие потери теплоты испарением в единицу времени, Дж/с, можно приближенно определить по формуле

Ри = 0,6547q(1 + kл), где q — интенсивность выделения пота, г/ч, определяемая взвешиванием человека; kл — коэффициент пересчета теплоотдачи через легкие, зависящий от температуры окружающего воздуха: при О "С kл = 0,43, при 18 °С — 0,3, при 28 °С — 0,23, при 35 °С - 0,035 и при 45°С kл = 0,015.