Наружный поток теплаДля того чтобы количественно оценить наружный тепловой поток, а также влияние, которое оказывают на него внешние факторы, необходимо отдельно рассмотреть его компоненты. Этими компонентами служат слагаемые теплоотдачи: проведение тепла Нп, конвекция Нк, излучение Низл и испарение Нисп. Общий поток тепла определяется суммой этих компонентов: Ннар = Нп + Нк + Нисп (3)
Перенос тепла путем проведения происходит, когда тело соприкасается (в положении стоя, сидя или лежа) с плотным субстратом. Величина потока проводимого тепла определяется температурой и теплопроводностью прилежащего субстрата. Из тех частей поверхности тела, которые соприкасаются с воздухом, перенос тепла осуществляется путем излучения, конвекции и испарения. Перенос тепла путем конвекции. Если кожа теплее окружающего воздуха, прилегающий к ней слой воздуха нагревается, поднимается и замещается более холодным и плотным воздухом. В процессе этой естественной конвекции тепло уносится ламинарным потоком воздуха у поверхности кожи. Движущей силой этого потока служит разница между температурами тела и окружающей среды вблизи него. Чем больше движений возникает во внешнем воздухе, тем тоньше становится тот пограничный слой, поток в котором является ламинарным; максимальная толщина такого слоя достигает 4–8 мм. Вблизи от кожи поток воздуха становится турбулентным. Форсированная конвекция значительно усиливает интенсивность теплоотдачи. Перенос тепла (в ваттах) путем конвекции описывается уравнением (4). Определяющими факторами этого процесса служат разность между средней температурой кожи Ткожи и температурой окружающего воздуха Токр, эффективная площадь поверхности А (которая оказывается меньше геометрической площади поверхности тела, поскольку некоторые поверхности соприкасаются между собой) и коэффициент конвективного переноса тепла hк. величина которого пропорциональна квадратному корню из скорости обдувающего воздуха: Hк=hк·(Tкожн–Tокр)·A (4) Величина Iк = 1/hк называется термосопротивлением или изоляцией пограничного слоя. Перенос тепла путем излучения. Теплоотдача в виде длинноволнового инфракрасного излучения, испускаемого кожей (в нем не принимает участия проводящая среда), точно описывается уравнением Стефана–Больцмана (см. учебники физики), т.е. излучение является функцией четвертой степени от абсолютной температуры. Для небольшого диапазона температур, представляющего интерес в биологии, перенос тепла за счет излучения Низл может быть описан с достаточной точностью при помощи линейного уравнения Низл = hизл ·(Ткожи – Тизл)· А (5) где Ткожн – средняя температура кожи, Тизл– средняя температура излучения (температура окружающих поверхностей, например стен комнаты), А–эффективная площадь поверхности тела и hизл коэффициент переноса тепла за счет излучения. Значение температуры окружающих поверхностей можно проиллюстрировать с помощью ладони, поднесенной близко к лицу,–у испытуемого сразу возникает ощущение тепла в области лица в результате ослабления теплоотдачи, происходящей путем излучения. Коэффициент hизл учитывает излучающую способности кожи e, которая для длинноволнового инфракрасного излучения равна примерно 1 независимо от пигментации, т.е. кожа излучает почти столько же энергии, сколько и «полный излучатель», или абсолютно черное тело. Испускающая способность окружающих стен должна учитываться только в том случае, если они располагаются очень близко к телу. Излучаемое тепло поглощается телом в помещениях, содержащих излучатели тепла или освещенных солнечным светом, когда средняя температура излучения Тизл (уравнение 5) превышает Тизл. В случае коротковолнового инфракрасного излучения (испускаемого такими излучателями, как электрорадиаторы или солнце) и испускающая, и поглощающая способности кожи становятся значительно меньше 1 (0,5–0,8) и оказываются зависимыми от кожной пигментации. Перенос тепла путем конвекции и излучения часто объединяют и называют «сухой» теплоотдачей. В этом случае значение температуры окружающей среды представляет собой оперативную температуру – взвешенное среднее между температурами воздуха и излучения. Коэффициенты переноса тепла для конвекции и излучения объединяют и получают коэффициент hокр, обратная величина которого служит характеристикой изолирующих свойств окружающей среды Iокр. П еренос тепла путем испарения. Около 20% теплоотдачи тела человека в условиях нейтральной температуры осуществляется за счет испарения воды с поверхности кожи или со слизистой оболочки, выстилающей дыхательные пути. Перенос тепла из кожи путем испарения описывается следующим уравнением: Нисп=hисп·(Ркожн–Рокр)·А (6) где Ркожн и Рокр–давление водяного пара соответственно на коже (среднее значение) и в окружающем воздухе, a hисп– коэффициент переноса тепла путем испарения. Величина hисп варьирует в зависимости от очертаний поверхности кожи, атмосферного давления и скорости обдувающего воздуха. Наиболее важное заключение из приведенного выше уравнения состоит в том, что теплоотдача путем испарения происходит даже тогда, когда относительная влажность окружающего воздуха достигает 100%. Единственное необходимое требование заключается в том, чтобы Ркожн было больше Рокр, это условие сохраняется до тех пор, пока температура кожи выше температуры окружающей среды и кожа полностью увлажнена благодаря достаточному выделению пота. Потерю воды за счет диффузии ее через кожу и слизистую оболочку называют неощущаемой или внежелезистой потерей в отличие от железистой потери воды в результате функции потовых желез. Только последний механизм находится под контролем системы терморегуляции и оказывает существенное влияние на общее количество переносимого тепла. Когда температура окружающей среды превышает температуру тела, теплоотдача может осуществляться только путем испарения. Эффективность потоотделения для процесса терморегуляции основана на поглощении большого количества тепла испаряющейся водой, 2400 кДж на 1 л. Путем испарения 1 л воды организм человека может отдать треть всего тепла, выработанного в условиях покоя за целый день (см. водный баланс). Влияние одежды. Одежда с точки зрения физиологии является формой теплового сопротивления, или изоляции, Iод [2], величину которого нужно прибавить к значениям термосопротивления тканей организма (Iт) и окружающего пограничного слоя (Iокр). Эффективность одежды обусловлена мельчайшими объемами воздуха, присутствующими в структуре плетеной ткани или в ворсе, где не может возникать сколько–нибудь заметных потоков воздуха. В этом случае тепло переносится только путем проведения, а воздух является плохим проводником тепла.
|
