Енергетичні витрати і терморегуляція організму людини

На життєдіяльність працівника значно впливає газовий склад повітря. Повітряне середовище, у якому живе і працює людина — це природна багатофазова суміш, із якої складається атмосфера (на рівні землі). Основними компонентами сухого повітря (%, за об'ємом) є: азот - 78,084; кисень - 20,9476; аргон - 0,934; вуглекислий газ - 0,0314, інші гази й домішки - 0,003. Водяна пара становить у середньому від 0,2 до 2,6%. Повітря такого складу є найбільш сприятливим для дихання.

Окрім хімічного складу, важливо також, щоб повітря мало певний іонний склад. У повітрі містяться негативні й позитивні іони. "Свіжість" (ступінь іонізації) повітря визначається кількістю і видом іонів. Трапляються так звані дрібні та великі іони.

Дрібні іони - це групи молекул, які зібралися навколо зарядженого центра і зберігають певну відстань від нього.

Великі іони групуються навколо нуклеїнів (нуклеїн - спільна назва для протона і нейтрона). Іони виділяються в ґрунті з радіоактивних елементів під впливом сонячних і космічних променів.

Підвищена концентрація дрібних іонів спостерігається у "свіжому" повітрі. Концентрація дрібних іонів зменшується вночі, взимку, в хмарну погоду й у багатолюдних приміщеннях.

Для збереження сприятливої концентрації дрібних іонів у повітрі приміщень на рівні зовнішнього повітря потрібен шестиразовий обмін повітря в порівнянні з повітрообміном для видалення "поганих запахів".

Дрібні негативні іони (іони кисню повітря) сприяють розумовій роботі. Дрібні позитивні іони підсилюють обмін речовин в організмі, але зменшують продуктивність розумової роботи, викликають головний біль і дратують слизові оболонки носа.

Виникнення дрібних позитивних іонів викликають гарячі опалювальні радіатори і відкриті спіралі електричних опалювальних приладів. Великі іони фізіологічного впливу не роблять. Повітря робочої зони рідко має наведений вище склад, оскільки в результаті різних виробничих процесів у повітря виділяються пари, гази, тверді та рідкі частки всяких, у тому числі й шкідливих, речовин. Однак метеорологічні умови для повітря робочої зони залишаються такими ж, що і для "свіжого" ("чистого") повітря.

Метеоумови виробничого середовища значно впливають на протікання життєвих процесів в організмі людини і є важливою характеристикою санітарно-гігієнічних умов праці.

У процесі життєдіяльності людина постійно споживає кисень 02, а виділяє вуглекислий газ С02 і значну кількість тепла. Людський організм - це своєрідна термостатична система з внутрішнім джерелом тепла, а одяг - тепловий бар'єр між організмом людини і зовнішнім середовищем.

Енергетичний баланс людини має розглядатися як з урахуванням процесів, що відбуваються всередині організму, так і з урахуванням теплообміну між тілом й оточуючим середовищем.

Джерелом тепла в організмі е екзотермічні хімічні реакції, пов'язані з хімічними перетвореннями харчових речовин та обмінними процесами (реакції обміну з киснем повітря).

Кількість тепла, що виділяється організмом, залежить також від кількості споживаного кисню, яка, у свою чергу, визначається фізичною активністю людини. Людина, що спокійно сидить, споживає 0,2-0,25 л кисню на хвилину; виконуючи роботу середньої важкості - 0,5-1 л; при важкій фізичній роботі - до 2,5 л кисню на хвилину. Робота особливої фізичної інтенсивності вимагає ще більше кисню. У середньому людина споживає на добу понад 500 л кисню, пропускаючи через легені більше 10 тис. л (-12 кг) повітря (на рік більше 1 т повітря) порівняно з 1,5—2 кг води і їжі на добу. Теплова енергія, що виділяється при цьому, використовується організмом для підтримки внутрішньої температури тіла і виконання фізичної та розумової роботи. Крім того, слід мати на увазі, що необхідною умовою життєдіяльності людини в будь-якій обстановці (виробничій чи побутовій) є збереження внутрішньої температури тіла сталою і такою, що дорівнює 36,65*0 (±0,55°С). Сталість температури тіла (аксилярна температура (температура тіла) вимірюється в пахвовій западині) зумовлюється терморегуляцією організму, завдяки якій він пристосовується до зовнішніх умов.

Терморегуляція - це здатність людського організму підтримувати сталу температуру тіла людини при зміні параметрів мікроклімату і ступеня фізичного напруження організму.

Підтримання температури тіла людини на певному рівні (36-37вС) є складною функцією, що забезпечується місцевою дією хімічної і фізичної терморегуляції, тобто систем, які регулюють обмін речовин і теплотворення (посилення обміну речовин супроводжується зростанням утворення теплоти в організмі), з одного боку, і кровопостачання шкіри, потовиділення і дихання - з іншого.

В організмі людини сталість температури підтримують тільки "ядра" тіла (внутрішніх органів). Температура на поверхні тіла завжди тією чи іншою мірою залежить від коливань температури навколишнього середовища і становить на поверхні тіла 23-24°С, а за сприятливих умов - 32-34"С. Тому в тілі людини існує надзвичайно складне просторове температурне поле, що змінюється в часі.

Розмір "теплозахисної оболонки" внутрішніх тканин та органів у людини відповідає 20-50% (за вагою) тканин, розташованих у поверхневому шарі тіла, який має товщину 2,5 см. При сильному охолодженні розмір "оболонки" збільшується, підвищуючи тим самим теплоізоляцію організму.

Організм людини перебуває в процесі теплової взаємодії з навколишнім середовищем. Нормальне протікання фізіологічних процесів в організмі можливе лише тоді, коли виділюване організмом тепло безупинно виділяється в навколишнє середовище, а середовище здатне його цілком сприйняти. У цих умовах у людини не виникає теплових відчуттів, що її турбують — холод чи перегрівання.

Величина тепловиділення організмом людини залежить від таких факторів:

• фізичного чи розумового навантаження людини у певних метеоумовах, у стані легкої фізичної роботи — становить до 139 Вт і в стані важкої фізичної роботи - до 290 Вт;

• параметрів мікроклімату навколишнього середовища: t,°С; ф,%; V, м/с; Р, Па (мм рт. ст.).

Позначимо кількість тепла, що виробляється в організмі, через Qм - так зване метаболічне тепло (метаболізм від грецького metabole — зміна, обмін речовин в організмі). Частина цього тепла витрачається на здійснення механічної роботи Qекв (дихання, серцева діяльність, рухи людини, а також виконання зовнішньої фізичної роботи), а частина залишається в організмі й підлягає виведенню в навколишнє середовище - Qвив, тобто

Віддача тепла організмом людини в навколишнє середовище регулюється механізмом терморегуляції з урахуванням мікроклімату та фізичного навантаження і відбувається тими самими шляхами, що і будь-якого нагрітого тіла - конвекцією, випромінюванням, випаровуванням.

1. За допомогою теплопровідності через контактні поверхні Qт і конвекцію з відкритих ділянок тіла людини і поверхні одягу Qк. Кількість тепла, що віддається за допомогою конвекції з поверхні тіла (шкіри) одягненої людини, може бути визначена за відомим законом охолодження Ньютона.

де Fк - площа поверхні тіла людини, м²; к - коефіцієнт тепловіддачі конвекцією, Вт/ м²; к = F (√V), к збільшується при збільшенні V; tод - середня температура відповідно поверхні тіла одягненої людини і навколишнього повітря, °С.

Проаналізувавши рівняння (3.2), дійдемо висновку, що конвективний теплообмін є функцією Fк, V, ∆t.

Терморегуляція при конвективному теплообміні здійснюється за рахунок різниці температур поверхні тіла, і при tод >> tп досягаються кращі умови теплообміну. Отже, теплообмін ефективний за умови

Зі зростанням температури повітря зменшується частка теплоти, що віддається конвекцією, а за температури 30-35,5°С тепловіддача припиняється. Тому в гарячих цехах конвективний теплообмін не є ефективним.

2. За допомогою випромінювання на навколишні поверхні Я (Вт). Кількість теплової енергії, передана шляхом випромінювання, визначається законом Стефана-Больцмана за формулою:

де Fвипр - ефективна випромінююча поверхня тіла людини, м²; є - випромінювальна здатність зовнішньої поверхні одягу; а - стала Стефана-Больцмана, а = 5,75 х 10-8 Вт/ м²*К4; Tод - середня температура поверхні тіла одягненої людини, К; Тоточ - температура оточуючих поверхонь, К.

Проаналізувавши рівняння (3.4), дійдемо висновку, що тепловіддача випромінюванням є функцією Fвипр, є, dT:

Теплообмін є ефективним при Тод >> Тоточ.

Випромінювання теплоти організмом відбувається за умови, що температура поверхонь, які оточують людину, є нижчою від температури поверхні одягу та відкритих частин тіла. Якщо ж температура оточуючих поверхонь висока (30-35°С), то тепловіддача за рахунок випромінювання припиняється, а за ще вищої температури оточуючих поверхонь відбувається зворотний процес нагрівання організму людини.

Інтенсивність теплообміну практично не залежить від властивостей навколишнього повітря (залежність становить менше 10% і зумовлюється кількістю водяної пари та кисню повітря).

3. За допомогою випаровування вологи (випаровування і потовиділення з поверхні шкіри) Qвипар. Тепло, що віддається організмом за рахунок випаровування вологи з поверхні тіла, залежить від температури, відносної вологості та швидкості руху повітря:

Випаровування є ефективним, якщо фв < 100%, Vп > 0 та tп > 0.

Тепловіддача випаровування зростає зі збільшенням температури повітря, при низьких температурах повітря питома частка тепловіддачі нижча. Зі збільшенням рухливості повітря прискорюється випаровування вологи з поверхні тіла.

4. Частина тепла в організмі витрачається на нагрівання вдихуваного повітря, спожитої їжі тощо Qдих. Це тепло є функцією температури навколишнього повітря і його вологовмісту (кількість водяної пари, в грамах, що припадає на 1 кг сухого повітря):

де dп — вологовміст повітря, г/кг.

У стані спокою за температури навколишнього повітря 18°С (20°С), тепловіддача організму людини становить:

- частки Qт і Qк близько 30% усього тепла, що відводиться, причому Qт<Qк;

- частки Qвипр ~ 45%;

- частки Qвипар ~ 20%;

- частки Qдих - 5%.