Термодинамика процессов жизнедеятельности и биофизический аспект обеспечения теплового комфорта человека

Тепловой комфорт человека в помещении определяется как работой его собственной системы терморегуляции, так и эффективностью работы систем кондиционирования микроклимата.

Изучение термодинамики неживых систем базируется на некоторых общих принципах, важнейшим среди которых является первый закон термодинамики.

- Кто вспомнит, что он из себя представляет?

Он представляет собой закон сохранения энергии и гласит о том, что в изолированной системе, в которой протекают любые (механические, электрические, тепловые или химические) процессы, нельзя изменить общий уровень энергии без подвода энергии извне. Увеличение энергии такой системы равно суммарной энергии, подведенной извне в виде тепла и работы.

Закон сохранения энергии справедлив также и для живых организмов. С помощью дыхательного калориметра (Калори́метр (от лат. calor — тепло и …метр) — прибор для измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся в каком-либо физическом, химическом или биологическом процессе, сегодня с точностью до 0,01 %) системы Этуотера-Роза-Бенедикта установлено равенство между воспринимаемой и отдаваемой организмом энергией. При окислении пищевых веществ в организме практически образуется то же количество тепла, что и при их сжигании в спец оборудовании.

Выделение тепла в живых системах связано с теми реакциями, которые протекают на промежуточных этапах общей цепи биохимических процессов. Важнейшей реакцией, в результате которой в живой системе выделяется тепло, является реакция окисления, протекающая в такой системе необратимо.

Общий закон, которому подчиняются химические процессы, связанные с выделением тепла, был сформулирован Гессом. Закон Гесса гласит, что количество теплоты, поглощенное или выделенное при данной реакции, постоянно и не зависит от пути реакции. Закон Гесса позволяет вычислить количество теплоты, выделяемое в организме человека при усвоении пищи, на основе определения количества теплоты, выделяемого при окислении такого же количества пищи. По существу этот закон представляет собой одно из следствий первого закона термодинамики.

Химические реакции, протекающие в процессе обмена веществ, служат источниками энергии, обеспечивающей протекание физических процессов в живом организме. Эта свободная энергия идет на покрытие энергетических расходов клетки. Важнейшими источниками свободной энергии служат реакции брожения и окисления. При протекании этих реакций происходит постепенное расщепление содержащихся в клетке питательных веществ, которые служат, так сказать, «горючим» клетки. Этот процесс, проходящий через ряд промежуточных стадий, можно назвать процессом непрямого горения.

Для нас важно отметить, что температурная характеристика внешней среды далеко не безразлична для интенсивности энергетических процессов, происходящих в живом организме.

Важнейшим моментом в развитии исследований по влиянию температуры на скорость биологических процессов явилось суждение Сванте Аррениуса о том, что основные законы физической химии приложимы к биохимическим реакциям, протекающим в живых системах. Было установлено, что с возрастанием температуры на 10° скорость реакции обычно повышается в 2—3 раза.

Человеческий организм может рассматриваться как термосистема с внутренним источником тепла, а одежда — как тепловой барьер между поверхностью кожи и внешней средой. Энергетический баланс человека отсюда должен рассматриваться с учетом как процессов, происходящих внутри организма, так и теплообмена между телом и внешней средой. Тепло, выделяющееся при экзотермических химических реакциях, протекающих главным образом в скелетных мышцах и внутренних органах, представляет собой ту переменную величину, которая используется теплокровным организмом для регулирования внутренней температуры тела. В теле теплокровных животных существует крайне сложное пространственное температурное поле, несколько изменяющееся также и во времени.

Весьма сложное распределение температуры в теле обусловлено неодинаковым теплообразованием в отдельных органах, их сложной геометрической формой, а также различной теплоизоляцией: различными условиями испарения, конвективного ( переноса теплоты в жидкостях или газах путем перемешивания самого вещества) теплообмена и переноса тепла кровью. Поэтому представляется целесообразным при изучении терморегуляции различать внутреннюю — гомойотермную — часть тела («сердцевину») и поверхностную часть («оболочку»), температура которой в той или иной степени зависит от колебаний температуры внешней среды. Резко разграничить обе эти части не представляется возможным. К «сердцевине» тела относятся внутренности грудной и брюшной полостей, мозг и часть скелетных мышц.

Вес «оболочки» тела у человека при умеренных колебаниях температуры окружающей среды составляет от 20% до 35% всего тела. При сильном переохлаждении вес «оболочки» может доходить до 50% веса тела(что соответствует средней толщине поверхностного слоя 2,5 см и хорошо согласуется с прямыми измерениями температуры).

В целом, количество тепла, образуемое в единицу времени в организме, равно количеству тепла, отдаваемому в единицу времени в окружающую среду с поверхности тела.

- За счет чего или как тепло проводиться внутри организма?

Образующееся в организме тепло проводится к наружным кожным покровам:

1.частично за счет теплопроводности тканей. Теплопроводность- это перенос теплоты структурными частицами вещества (молекулами, атомами, электронами) в процессе их теплового движения. Явление теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, передаётся другому телу при их взаимодействии или передаётся из более нагретых областей тела к менее нагретым областям. Явление теплопроводности обусловлено стремлением занять состояние более близкое к термодинамическому равновесию, что выражается в выравнивании температуры.

2.частично за счет конвекции с потоком крови. Конве́кция (от лат. convectio — принесение, доставка) — явление переноса теплоты в жидкостях или газах путем перемешивания самого вещества.

Существует т. н. естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и погружаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова.

- какой путь наиболее эффективен? Второй –

Вследствие относительно плохой теплопроводности тканей роль первого пути передачи тепла в организме очень невелика..

Система кровообращения действует в организме как универсальный теплообменник. Кровь, выталкиваемая из левого желудочка сердца, отдает большую часть своего тепла поверхностной части тела («оболочке») и, охлажденная, течет обратно к сердцу.

-Как происходит подогрев крови в организме?

Подогрев крови происходит преимущественно в скелетных мышцах при совершении ими работы и во внутренних органах (печень и др.) за счет химического превращения пищи. Теплообмен между артериями и венами осуществляется по принципу действия теплообменника с противотоком, причем артерии отдают тепло, а вены получают его.

При нормальных условиях поток тепла из «сердцевины» в «оболочку» равен потоку тепла из «оболочки» во внешнюю среду.

- Как человек отдает тепло в окружающую среду?

Человек отдает в окружающую среду тепло 4-мя основными способами:

1. теплопроводностью;

2.длинноволновым (инфракрасным) излучением;

3.потерей тепла, связанной с дыханием, и

4.с испарением пота.

Тепловой поток, передаваемый через одежду и путем конвекции, может быть направлен извне к телу в тех случаях, когда температура воздуха выше 36° С. Передача же тепла к телу путем излучения часто происходит и при более низких температурах воздуха (например, вблизи сильно нагретых предметов). Таким образом, лучистая теплопередача коренным образом отличается от двух рассмотренных выше типов. Она не нуждается в вещественных посредниках и может осуществляться в пустоте, между телами, отделенными друг от друга любыми расстояниями. Излучение — это свойство, присущее всем без исключения телам, нагретым выше абсолютного нуля. Следовательно, менее нагретое тело тоже излучает тепло по направлению к более нагретому, но суммарный баланс теплообмена складывается в пользу нагретого тела.

Таким образом, инфракрасные лучи служат средством передачи тепловой энергии на расстоянии. При абсолютном нуле (0° по шкале Кельвина-это На 273,15С ниже нуля температуры по шкале Цельсия) движение атомов и молекул прекращается. Но при любой температуре выше абсолютного нуля, т. е. практически в наших земных условиях везде, наблюдается колебание атомов и молекул, их хаотическое движение (степень выраженности которого и характеризует, собственно, температуру тел), и, значит, имеет место инфракрасное (И—К) излучение.

Поскольку тело человека почти всегда теплее окружающей среды, оно также является источником инфракрасных лучей.

Теплоотдача путем излучения может составлять у человека до 60% общей теплоотдачи.

Основным регулируемым параметром служит температура внутренних частей тела, за которую можно принять температуру гипоталамуса. Все остальные переменные величины — теплообразование, теплоотдача, тепловое сопротивление и теплосодержание — ЗАВИСЯТ возраста, размеров тела и внешних условий, и только температура внутренних частей тела совершенно не зависит от этих факторов. Повышение внутренней температуры вызывает через посредство центральной нервной системы (гипоталамус) ряд таких процессов в организме, которые приводят к понижению этой температуры. На внешнюю поверхность тела действуют внешние стимулы в виде тепла или холода. Терморецепторы кожи воспринимают эти возмущения и через нервные пути приводят в действие регуляторные механизмы.

Таким образом, организм человека является саморегулирующей системой, физиологический механизм которой направлен на обеспечение соответствия образованного тепла количеству тепла, отданного внешней среде.

 

Изучение теплопродукции в разных метеорологических условиях показало, что чем больше масса тела, тем больше теплопродукция. При этом было выяснено, что если отнести основную величину теплопродукции ко всей площади поверхности тела, то получается величина, близкая к постоянной для большинства людей. Это значение теплопродукции у человека в покое составляет 40—50 ккал/(м2-ч) (167— —208 кДж). Поскольку сохранение температуры тела в пределах нормы является необходимым условием жизнедеятельности человека, то необходимо, чтобы в тепловом балансе человека сохранилось равенство прихода и расхода тепла. Действительно, если приход тепла будет больше расхода, то температура тела будет повышаться. Если же приход тепла будет меньше расхода, то это приведет к понижению температуры тела.

В физиологических исследованиях было установлено, что температура тела человека поддерживается путем регуляции образования тепла и его отдачи с помощью химической и физической терморегуляции.

Физическая терморегуляция определяется как физическими, так и физиологическими процессами. Схематично можно довольно просто разграничить область действия этих процессов: теплопередача от внутренних органов к коже происходит на основе физиологических закономерностей, а теплоотдача с поверхности тела — через кожу и одежду во внешнюю среду — в соответствии с физическими закономерностями.

Нормальная температура тела для человека обычно принимается равной 37° (ректальная температура). Температура кожи на несколько градусов ниже и различна на разных участках тела. Лишь на глубине 2,5 см от поверхности кожи достигается температура 37°.

Механизмы терморегуляции активируются двумя способами: раздражением кожных терморецепторов и непосредственным раздражением центров терморегуляции в мозгу путем изменения температуры крови. Тепловые и холодовые рецепторы расположены в коже определенным образом, причем тепловые рецепторы обычно лежат глубже холодовых. Холодовые рецепторы более многочисленны.

Импульсы температурных рецепторов поступают в гипоталамус, который является центром различных вегетативных реакций. Кроме того, в нем есть клетки, непосредственно реагирующие на изменения температуры.

В настоящее время по вопросу о точной локализации центров тепла и холода существуют разногласия. Возможно, что различные термочувствительные клетки перемешаны в гипоталамусе и тормозят друг друга. Таким образом, в гипоталамусе находятся как центр рефлекторной терморегуляции, так и другой чувствительный к температуре механизм, реагирующий на изменения температуры крови.

Рефлекторные реакции на стимуляцию Холодовых рецепторов кожи направлены на сохранение тепла. При этом кожные сосуды сужаются, благодаря чему теплоотдача у человека может уменьшиться на 16 и даже 33%.

При дальнейшем охлаждении появляется мышечная активность, Понижение температуры крови без охлаждения кожи может вызвать дрожь,которая проявляется и внешне.

- Почему появляется дрожь? Усиление мышечной активности имеет частично нервную природу, а частично вызывается выделением надпочечниками адреналина.

Нейтральная температура воздуха (если судить по минимуму потребления кислорода) чуть ниже температуры тела. При понижении температуры воздуха теплоизоляционные механизмы могут поддерживать температуру тела до тех пор, пока не будет достигнута критическая температура. При температуре тела ниже критической теплопродукция должна возрасти. Увеличившаяся теплопродукция вместе с неадекватной теплоотдачей усиливает действие высокой температуры среды. У человека критическая температура равна 25—27°.

Высокая температура окружающей среды стимулирует тепловые рецепторы кожи, что в свою очередь включает рефлекторные механизмы, увеличивающие теплоотдачу, расширяются кожные сосуды, благодаря чему кровообращение в коже усиливается, теплопроводность периферических тканей повышается в 5—6 раз. Если температурный баланс не сохраняется, температура кожи повышается. У человека пороговая температура кожи, при которой начинается потоотделение, колеблется для разных участков тела от 30 до 32°. Человек в покое теряет путем испарения 20% тепла, а при мышечной нагрузке — 75-80%.

При низкой температуре потеря тепла за счет излучения больше, чем за счет испарения, а при температуре выше 31° главную роль в теплоотдаче у человека, находящегося в состоянии покоя, играет испарение. При высоких температурах увеличивается количество плазмы крови за счет перехода межклеточной жидкости в кровяное русло. Затем увеличивается поступление в кровь красных кровяных клеток и за неделю жары общий объем крови может возрасти на 20—30%. Если выделяющаяся с потом жидкость не возмещается, объем крови уменьшается.

Когда механизмы охлаждения недостаточно эффективны и температура тела повышается, происходит увеличение потребления кислорода, вызванное непосредственным действием тепла на клетки, а также усилением вентиляции.

Тепловой шок (гиперпирексия) возникает когда температура тела критически повышается. Тепловое истощение может наступить у человека и без повышения температуры тела; оно бывает вызвано главным образом обезвоживанием организма и нарушением солевого баланса. Правда, истощение возникает и при нормальном содержании воды в организме, если потеряно большое количество солей. Тепловой удар наступает в результате повреждения мозга. Смерть от перегрева наступает при явлениях недостаточности кровообращения.

Переносимая температура ниже при согревании извне, чем при внутренним повышении температуры. Человек теряет сознание, когда под действием какого-либо внешнего источника тепла его ректальная температура достигает 38,6°, в то время как при лихорадке температура иногда повышается до 42°, а при физической нагрузке может достигать 40° без всяких вредных последствий.

Создать тепловой комфорт в помещении — значит обеспечить в нем комплекс метеорологических условий, при котором терморегуляторная система организма находится в состоянии наименьшего напряжения, а все остальные физиологические функции протекают на уровне, наиболее благоприятном для организма.

При данном физиологическом состоянии организма количество испаряющейся влаги — определенная и примерно постоянная величина. В условиях комфорта активное потоотделение фактически исключено и тепло тратится лишь на нагрев и насыщение водяными парами вдыхаемого воздуха и на неощутимое испарение. Отдача тепла неощутимым испарением для одетого человека в состоянии покоя при комфортных условиях обычно составляет 40 г/ч (84 кДж).

Оптимальность комфортных условий можно проверить исходя из того, что в этих условиях в среднем 55% тепла теряется излучением, 15— 20% — конвекцией и 25% — испарением.

Следовательно, условия теплообмена в закрытом помещении нужно рассматривать в связи с тепловым балансом человека.

Наряду с количественной стороной теплопотерь человека играет также роль и качественная ее сторона. Оценка этого фактора имеет большое практическое значение при проектировании систем отопления (охлаждения), так как для хорошего самочувствия человека в тепловом отношении требуется равновесие между выработкой им тепла и отдачей его части окружающей среде независимо от того, каким путем эта отдача происходит.

Следовательно, теплового комфорта в помещении можно добиться гигиенически грамотным сочетанием различных средств ограждения, отопления, охлаждения, причем важно подчеркнуть, что искусственные меры по управлению микроклиматом дают хороший физиологический эффект только в том случае, если они оказывают воздействие на весь человеческий организм, а не на отдельные участки поверхности тела. Отсюда следует, что отдельные поверхности в помещении не должны иметь очень низкую или слишком высокую температуру, так как человек особенно чувствителен к интенсивным «теплым» и «холодным» потокам.

Проблема обогрева жилых зданий теснейшим образом связана со способностью человека поддерживать постоянную температуру тела только в довольно узком диапазоне температур внешней среды при помощи сложнейшей системы терморегуляции. Поддержание постоянной температуры тела регулируется уровнем теплопродукции, т. е., другими словами, изменением интенсивности энергетического обмена организма.

Термически нейтральная зона, в которой, несмотря на некоторое изменение внешней температуры, не происходит существенных изменений в теплопродукции и в температуре тела, носит название метаболически индифферентной зоны, и для человека она охватывает интервал внешних температур от + 17 до + 35°.

Однако последняя зона далеко не идентична комфортной зоне, которая для европейцев составляет в среднем 20— 22° С. Обеспечить в закрытом помещении столь жесткие условия вне зависимости от сезонных и погодных условий можно, естественно, только искусственным путем.

3.Рассмотрим гигиенические требования к тепловой среде в связи с проблемой обеспечения теплового комфорта в помещении.

Воздействие на человека микроклиматических факторов создает различные условия теплообмена организма со средой и обеспечивает определенное функциональное состояние, которое принято называть тепловым состоянием. Тепловое состояние выражается не только в субъективном теплоощущении человека, но и в характере тех терморегуляторных процессов, которые происходят в организме при изменении метеорологических условий среды. Тепловое состояние, в конечном итоге, влияет на все физиологические системы организма и определяет функциональные возможности человека, его здоровье, что подтверждает актуальность нормирования оптимальных параметров микроклимата в помещениях жилых и общественных зданий.

В России условия теплового комфорта регламентируются ГОСТом 3049496 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях»

Основными принципами гигиенического нормирования параметров микроклимата (ГНПМ) в помещениях жилых и общественных зданий являются следующие:

1. гигиеническое нормирование параметров микроклимата должно учитывать суточную и сезонную ритмику колебаний физиологических функций, а также акклиматизацию человека к определенным климатическим особенностям;

2.гигиеническое нормирование параметров микроклимата должно проводиться дифференцированно в отношении возрастных групп населения;

3.при гигиеническом нормировании оптимальных и допустимых параметров микроклимата необходимо учитывать уровень энерготрат (активности) и уровень теплозащитных свойств одежды соответствующих групп населения.

Микроклимат помещений оценивается по следующим показателям:

а) температура воздуха;

б) подвижность воздуха;

в) относительная влажность воздуха;

г) радиационный режим помещений, который определяется температурой ограждающих поверхностей.

Критерием для нормирования оптимальных и допустимых параметров микроклимата в жилых и общественных зданиях является тепловое состояние человека, которое оценивается по следующим наиболее информативным физиологическим показателям: 1) температура тела;

2) топография температур кожи на различных участках тела;

3) температура кожи на туловище и конечностях;

4) величина влагопотерь испарением;

5) теплоощущение.

Характер изменений показателей теплового состояния лежит в основе классификации теплового состояния детей и взрослых. Использование этих классификаций при оценке результатов исследований позволяет установить параметры зоны теплового комфорта и допустимые пределы колебаний метеофакторов.

Так, оптимальное тепловое состояние обеспечивается условиями теплового комфорта, не ограничиваемого по времени пребывания и не требующего включения дополнительных приспособительных механизмов организма. Умеренное напряжение терморегуляции характеризуется постоянством теплопродукции и нормальным соотношением процессов возбуждения и торможения в коре головного мозга. Сохранение постоянного количества тепла в организме достигается за счет уменьшения или увеличения его в тканях конечностей. При допустимом уровне перегревания или охлаждения человека наблюдается определенное напряжение механизмов терморегуляции организма. Однако при этом сохраняется термостабильное состояние «сердцевины» тела — следствие включения приспособительных реакций организма. В этих условиях возможно продолжительное пребывание человека (в течение всего времени работы) при данных условиях внешней среды.

Важно учитывать, что оценка конкретных тепловых условий среды зависит от всего предыдущего жизненного опыта человека, т. е. в конечном счете зависит от социальных условий жизни, а именно от наиболее привычного климата, одежды, питания, жилищных условий и, в частности, от типа и мощности санитарно-технического оборудования зданий. В условиях, близких к комфорту, нормативы микроклимата жилищ могут быть едиными для взрослых и детей, однако возрастные различия должны учитываться при установлении допустимых колебаний метеофакторов.

Обеспечить в закрытом помещении оптимальные термические условия вне зависимости от сезонных и погодных условий возможно, естественно, только искусственным. Поскольку форма и организация внешней среды постоянно видоизменяются, меняется жилище, меняются условия проживания, то параметры микроклимата, по-видимому, не должны быть постоянными.

В разных климатических районах и в различные сезоны года тепловой комфорт различен для мужчин и женщин, для стариков и детей и лиц с ослаблением функций терморегуляции. Следовательно, нормативы для жилых и общественных зданий должны учитывать пределы адаптационных возможностей разных групп населения, в связи с чем должны быть дифференцированными нормативы теплового комфорта.

В целом, для всех групп населения можно сказать, что значительные и длительные колебания теплопродукции, спазм (сокращение) или резкое расширение кожных сосудов, усиленное потоотделение —неизбежно приводит организм в состояние пониженной работоспособности и функционального истощения. В условиях жилища это особенно нежелательно, так как отрицательно влияет на процессы снятия напряжения после трудового дня и восстановительные процессы.

При гигиеническом изучении влияния факторов микроклимата на организм человека исходят из одновременного учета и сопоставления как инструментальных измерений каждого из метеорологических факторов, так и данных о физиологических реакциях человека на изменение метеорологических условий.