Для правильного понимания механизмов закаливания и его успешного осуществления необходимо знать, каким образом человеческий организм может приобрести устойчивость к неблагоприятным воздействиям внешней среды. Известно, что температура тела здорового человека практически постоянна, хотя в жизни ему приходится переносить и жгучие морозы, и изнурительный зной. Происходит это вследствие того, что организм обладает способностью регулировать свою температуру. Без механизма, поддерживающего постоянную температуру тела, жизнь была бы, по словам И. П. Павлова, «игрушкой в руках внешних температурных условий».
У тех, кто привык чересчур тепло одеваться или установил в помещении кондиционер , создавая для себя слишком комфортные микроклиматические условия, теплорегулирующий аппарат редко вступает в работу, получает слабое функциональное развитие и уже не может служить надежной «броней» против изменяющихся атмосферных условий. Приспособляемость организма к капризам погоды ухудшается, и он становится подверженным простудным заболеваниям .
Регуляция тепла осуществляется путем выработки тепла организмом (теплопродукция) и путем отдачи его в окружающую среду (теплоотдача). Непрерывное протекание жизненных процессов в организме сопровождается образованием тепла. За сутки человек, даже находящийся в покое, вырабатывает примерно столько тепла, что его хватило бы на нагревание 15 л воды до кипения. Величина теплопродукции зависит от числа вовлеченных в работу органов и тканей. Не случайно, во время выполнения физической работы теплопродукция резко увеличивается.
Кроме тепла, которое образуется в результате обмена веществ в самом организме, человек в жаркое время года получает тепло из окружающей среды. И если бы одновременно с повышением температуры воздуха в организме не происходила теплоотдача, человек погиб бы от перегревания. Ведущая роль в процессе терморегуляции принадлежит высшим отделам центральной нервной системы. Повышение или понижение температуры окружающей и внутренней среды организма воспринимается особыми нервными окончаниями — терморецепторами, заложенными в коже и внутренних органах. Возникающие в них импульсы передаются в центральную нервную систему, которая и осуществляет ответную реакцию организма. Вот почему на изменение температуры реагирует не только участок тела, непосредственно подвергающийся раздражению, но и наступают изменения в функциях всего организма.
Так, при понижении температуры окружающей среды происходит рефлекторное сужение кровеносных сосудов кожи, вследствие чего количество протекающей через них крови уменьшается, а следовательно, снижается и отдача тепла. Выработка тепла во внутренних органах, главным образом в печени, увеличивается. Благодаря этому организму удается сберечь тепло и сохранить постоянную температуру тела.
При повышении температуры внешней среды ответная реакция организма, наоборот, выражается в усилении теплоотдачи: расширяются кожные сосуды, увеличивается количество протекающей через них крови, усиливается потоотделение и учащается дыхание. Выработка тепла при этом снижается, и тем самым организм избегает перегревания.
Нарушения теплового равновесия причиняют существенный вред здоровью. Чрезмерное охлаждение ведет к ослаблению организма, снижению его устойчивости, уменьшению сопротивляемости болезнетворным микробам, повышает риск развития заболеваний.
Академик И. П. Павлов говорил, что «простудный элемент есть специальный раздражитель кожи вместе с сыростью; это специальное раздражение ведет к возбуждению задерживающего нерва, понижает жизнедеятельность организма, его отдельных органов — легких, почек и др. И тогда все виды инфекции, которые всегда в наличности и которым, так сказать, только не дается ходу, берут перевес и дают то нефрит, то пневмонию и т. д.».
Исследования ученых показали, что у человека при погружении ступней ног в холодную воду происходит прилив крови к слизистым оболочкам носа и верхних дыхательных путей, повышение их температуры и увеличение количества выделяемой слизи. Все это создает благоприятные условия для развития микробов, попадающих на слизистые оболочки. Быстрое увеличение числа микробов и одновременное ослабление сопротивляемости организма ведут к возникновению воспалительных процессов, простудных заболеваний — катару верхних дыхательных путей, ангине, воспалению легких.
Вместе с тем было замечено, что люди неодинаково реагируют на охлаждение — не у всех возникают простудные заболевания. У некоторых уже при одном упоминании о холодной воде начинают бегать «мурашки» по телу. Но есть немало людей, которые безболезненно перенося резкие колебания тепла и холода.
Оказалось также, что степень чувствительности к холоду зависит не от врожденных особенностей организма, а обусловливается условиями жизни. Не у всех людей терморегулирующий аппарат действует одинаково хорошо. У тех, кто постоянно подвергает свой организм температурным воздействиям, он обычно тренируется и совершенствуется и на любое изменение атмосферных условий отвечает более быстрой и правильной реакцией.
И, наоборот, у тех, кто привык чересчур тепло одеваться, кто старается в помещении поддерживать одну и ту же температуру, искусственно создавая для себя слишком комфортные микроклиматические условия, теплорегулирующий аппарат редко вступает в работу, получает слабое функциональное развитие и уже не может служить надежной «броней» против изменяющихся атмосферных условий. Приспособляемость организма к капризам погоды ухудшается, и он становится подверженным простудным заболеваниям.
Теплорегулирующий аппарат действует значительно лучше на участках тела, которые постоянно подвергаются действию метеорологических факторов (лицо, руки), и «хуже работает» на тех частях, которые постоянно закрыты одеждой (грудь, спина). Значит, избегая смены тепла и холода, мы не даем возможности упражняться нашему терморегуляторному аппарату. Организм теряет способность своевременно реагировать на меняющиеся температурные условия, делается изнеженным и легче подвергается простудным заболеваниям. Что бы, например, произошло, если бы наподобие того, как мы закутываем свои холодовые точки, стали бы также предохранять глаза от всякого действия света, уши — от всякого звука и шума и т. д. Стоит припомнить, например, какая светобоязнь возникает у людей, бывших долго в темноте, или какая сильная звукобоязнь развивается после долгого пребывания в полной тишине, чтобы понять, в какое ненормальное состояние высокой болезненной восприимчивости мы приводим и наши холодовые точки кожи, раз мы устраняем их во время всей почти жизни от действия. Для ограждения себя от простудных заболеваний и повышения устойчивости организма необходимо постоянными и систематическими упражнениями добиться такого укрепления терморегулирующего аппарата, которое позволило бы человеку безболезненно переносить любые температурные колебания внешней среды. В этом, собственно, и заключается цель закаливания — путем целенаправленных воздействий развить имеющиеся в организме защитные силы, выработать в нем способность быстро и безотказно их мобилизовать. Благодаря закаливанию организм получает способность реагировать на изменение температуры окружающей среды раньше, чем наступит чрезмерное охлаждение или перегревание.
Помимо улучшения сопротивляемости организма по отношению к климатическим факторам, закаливающие процедуры оказывают благотворное влияние на весь организм — улучшают кровообращение, повышают тонус центральной нервной системы и обмен веществ, способствуют воспитанию воли и характера. Однако слишком сильное охлаждение или согревание может нарушить здоровье человека, независимо от степени его закалки. При острых заболеваниях и обострениях хронических недугов принимать закаливающие процедуры нельзя. В то же время, частые катары верхних дыхательных путей, ангины, фурункулез служат показаниями для назначения закаливающих процедур. Врачи утверждают, что люди, страдавшие этими заболеваниями, избавлялись от них путем систематически проводимого закаливания. И еще один совет: щедрыми дарами природы следует пользоваться умеючи, соблюдая научно обоснованные гигиенические правила.
August 10th, 2017Буквально на днях валясь с температурой, задавался не только вопросом , но и например почему во время болезни человека бросает то в жар то холод.
Углубившись в этот вопрос узнал много нового для себя...
Химические реакции во всём организме, выделяют тепло при расщеплении пищи. Кровь это тепло разносит и питает клетки организма по пути забирая продукты распада и шлаки, которые очищаются в почках и печени
Все химические реакции в организме (вплоть до депрессии) выделяют тепло. Кровь нагревается за счет выделения этого тепла, а это дает, нагрев всего тела на температуру 36.6. Но, когда человек болеет интенсивность химических реакций в организме возрастает, так как организм борется с инфекцией (вредными бактериями) и температура повышается.
Энергетические процессы идут в каждой клетке организма, то есть никакого отдельного органа-нагревателя в организме нет. В клетках крови тоже идут процессы с выделением тепла.
Кровь нагревается, циркулируя в органах и тканях тела человека. А тело человека нагревается вследствие непрерывно совершающихся в них экзотермических реакций. Эти реакции протекают во всех органах и тканях, но неодинаково интенсивно.
В тканях и органах, производящих активную работу — в мышечной ткани, печени, почках, выделяется большее количество тепла, чем в менее активных - соединительной ткани, костях, хрящах.
Так, печень, расположенная глубоко внутри тела и дающая большую теплопродукцию, имеет у человека более высокую и постоянную температуру (37,8—38 °С) по сравнению с кожей, температура которой значительно ниже (на покрытых одеждой участках 29,5—33,9 °С) и в большей мере зависит от окружающей среды. Так что печень можно по праву считать самым горячим органом.
Циркулирующая в тканях кровь нагревается в активных тканях (тем самым охлаждая их) и охлаждается в коже (одновременно согревая ее). Вот он и теплообмен.
Человека нагревает химическая реакция окисления глюкозы кислородом воздуха в клетках организма. А кровь только переносит теплоту более или менее равномерно по всему телу. А температура тела поддерживается постоянной за счет теплоотдачи: теплота теряется с теплым выдыхаемым воздухом, через поверхность всего тела - в воздух, при испарении пота.
Специальная система терморегуляции следит, чтобы был баланс теплоприхода и теплопотерь.
Если температура тела будет ниже 36-37 градусов, то процессы жизнедеятельности начнут замедляться, если выше 40, то белок начнет сворачиваться (с мясом, облитым кипятком, видели что происходит?). За терморегуляцию отвечает гипоталамус (это в мозге), он является как бы термостатом.
Источник тепла в организме - все ткани. Кровь, протекая через ткани, нагревается. Печень, скелетные мышцы отдают крови больше тепла, чем другие органы. Повышение температуры окружающей среды вызывает рефлекторное снижение обмена веществ, поэтому в организме уменьшается теплообразование. Понижение температуры окружающей среды вызывает рефлекторное увеличение метаболизма и усиливается теплообразование. Теплообразование так же усиливается за счет мышечной активности. Непроизвольное сокращение мышц (дрожь) является основной формой повышения теплообразования.
Теплоотдача осуществляется несколькими путями:
- Путем проведения - нагревается воздух, окружающие предметы, соприкасающиеся с теплом.
- Путем излучения - нагретое тело излучает тепло (в виде инфракрасных лучей).
- Путем испарения - с поверхности кожи испаряется вода и пот.
Регуляция постоянства температуры тела осуществляется нейрогуморальным путем.
Колебания температуры окружающей среды воспринимаются особыми рецепторами - терморецепторами. Их очень много в коже, слизистой полости рта, верхних дыхательных путей. Терморецепторы кожи очень чувствительны к колебаниям температуры окружающей среды; в них возникают нервные импульсы, которые по афферентным (центростремительным) нервным волокнам поступают в спинной мозг. По проводящим путям нервный импульс достигает таламус, гипоталамуса и коры головного мозга.
Центр терморегуляции находится в гипоталамусе. Нейроны гипоталамуса возбуждаются под влиянием нервных импульсов, поступивших от терморецепторов. Из центра терморегуляции нервные импульсы по эфферентным (центробежным) нервным волокнам пойдут к мышцам, сосудам (суживая или расширяя сосуды кожи), к потовым железам.
Гуморальная регуляция (гормональная)
- Гормоны щитовидной железы, надпочечников и поджелудочной железы усиливают окислительные процессы, т.е. повышает обмен веществ и температуру тела.
- Гипофиз тормозит секрецию гормонов щитовидной железы, т.е. снижает обмен веществ и температуру тела.
Температура тела каждого человека в течение дня колеблется в небольших пределах, оставаясь в диапазоне от 35,5 до 37,0 °C для здорового человека. Следуя суточному ритму, наиболее низкая температура тела отмечается утром, около 6 часов, а максимальное значение достигается вечером.
Как и многие другие биоритмы, температура следует суточному циклу Солнца, а не уровню нашей активности. Люди, работающие ночью и спящие днём, демонстрируют тот же цикл изменения температуры, что и остальные.
Уровень температуры ниже 35 °C указывает на наличие серьёзного заболевания (обычно это результат облучения). Жертвы переохлаждения впадают в ступор, если температура их тела снижается до отметки 32,2 °C, большинство теряют сознание при 29,5 °C и погибают при температуре ниже 26,5 °C. Рекорд выживания в условиях переохлаждения составляет 14,2 °C, а при экспериментальных исследованиях — 8,8 °C.
На температуру влияют пол и возраст. У девочек температура тела стабилизируется в 13—14 лет, а у мальчиков — примерно в 18 лет. Средняя температура тела мужчин примерно на 0,5—0,7 °C ниже, чем у женщин.
Многие заболевания эндокринной системы и опухоли головного мозга, затрагивающие область гипоталамуса, вызывают выраженные и, часто, устойчивые нарушения терморегуляции. Например, тиреотоксический криз (сопровождающийся резким выбросом гормонов Т3 и Т4 в кровь) приводит к резкому подъёму температуры тела, нередко превышающей критическую отметку и вызывающей смерть пациента.
Организмам присуще особая ответ-ная реакция на попадание во внутреннюю среду чужеродных ве-ществ — лихорадка. Лихорадка — это состояние организма, при котором центр термо-регуляции стимулирует повышение температуры тела. Это достигается перестраиванием механизма «установочной точки» на более высокую, чем в норме температуру регуляции.
Итак, какая все-таки температура считается нормальной? Повсеместно принято считать, что температура человеческого тела составляет ровно 36,6 градуса. Допускается небольшое отклонение в одну или другую сторону.
Опираясь на состояние человека, окружающие климатические условия и время суток, а также другие параметры, температура тела может быть от 35,5 и до 37,4 градуса. Стоит отметить, что средний температурный режим женщин выше, в отличие от мужчин — на 0,5 градуса.
В подмышечной впадине температура тела должна быть 36,3-36,9, во рту - 36,8-37,3, в прямой кишке 37,3-37,7, и это нормальная температура.
Интересный момент, что средняя температура тела может отличаться и в зависимости от национальности. К примеру, у японцев средняя величина составляет 36 градуса, а у австралийцев все 37.
На протяжении суток, температура тела человека может колебаться около одного градуса. Самая низкая температура тела бывает в утреннее время, а самая высокая ближе к вечеру.
У женского пола температура тела может колебаться в зависимости от менструального цикла. Существуют люди, для которых температура 38 - это нормально, и не является симптомом развития болезни.
Каждый орган в человеческом организме также имеет свою температуру.
Чтобы правильно измерить температуру в подмышечной впадине, нужно следовать таким рекомендациям:
- Проследить, чтобы в подмышечной впадине было сухо.
- Взять градусник, протереть его сухой тряпкой, можно сбить до 35.
- В подмышечной впадине размещать его так, чтобы кончик наполненный ртутью, плотно соприкасался с телом.
- Держать не менее 10 минут.
- Можно оценить результат.
Как правильно измерить температуру во рту:
- Прежде чем измерять температуру во рту, нужно провести минут пять в состоянии покоя.
- Если во рту есть зубные протезы, снять их.
- Если градусник обычный, протереть его насухо и положить под язык с любой стороны.
- Закрыть рот, ждать 4 минуты.
А что такое жар — ощущение избыточного тепла, обычно связанное с повышением температуры тела человека. Может также вызываться функциональными изменениями нервной системы, гиперемией и повышением обмена веществ в тканях. Является одним из симптомов лихорадки.
Как правило, жар — это повышение нормальной температуры тела на 1° и более градусов Цельсия, сопряжённое с ознобом и потением (при температурах выше 40° — бредом). Превышение температуры тела на более чем 5,5° может привести к необратимому повреждению головного мозга. Существует гипотеза, что такое повышение температуры тела подавляет размножение патогенных микроогранизмов и, вместе с повышением интенсивности биохимических процессов, увеличивает сопротивляемость организма.
В зависимости от причин, вызывающих повышение температуры гипоталамус может работать как на её повышение, так и на снижение. При сильном повышении температуры тела нарушается обмен веществ в организме, так как нарушается активность ферментов.
Лечится в целом при помощи жаропонижающих (таких как ацетилсалициловая кислота, дипирон, парацетамол), холодных компрессов и постельного режима.
Помимо жара еще и ознобит, но это уже другая реакция. Озноб - это вызванное спазмом поверхностных (кожных) кровеносных сосудов ощущение холода, сопровождающееся мышечной дрожью (главным образом жевательных мышц, затем мышц плечевого пояса, спины и конечностей) и спазмом кожных мышц («гусиная кожа»).
Озноб часто возникает при переохлаждении, а также в начале лихорадки при инфекциях, травмах и др. заболеваниях. При ознобе отдача тепла организмом во внешнюю среду уменьшается, а выработка его возрастает (вследствие мышечных сокращений), что ведет к повышению температуры тела, после чего озноб обычно кончается.
Озноб бывает и в разгаре лихорадки, если температура тела резко колеблется. Но чаще всего в результате острого развития лихорадочной реакции при инфекционных, аутоиммунных, аллергических процессах или в ответ на парентеральное (не через желудок, например, внутривенно и внутримышечно) введение в организм чужеродных белков, мукополисахаридных комплексов и других пирогенных субстанций в процессе лечения больного (например, при переливании крови, введении пирогенала).
В отличие от озноба, познабливание, которое может наблюдаться, например, при неврозах, — только субъективное ощущение. У здорового человека озноб возникает при действии холода как нормальная защитная реакция организма. У легко возбудимых людей озноб может появиться и при сильном волнении или испуге.
Источники:
В основе жизнедеятельности организма лежит обмен веществ и энергии, который сопровождается образованием тепла при биологическом окислении молекул белков, жиров и углеводов. То есть, в организме человека постоянно генерируется тепло. Интенсивность обмена веществ и количество образующегося тепла в организме напрямую связаны между собой. При увеличении скорости обменных процессов увеличивается теплообразование, а при повышении температуры тела ускоряется биологическое окисление. Чтобы не произошло затухания или лавинообразного роста этих процессов, организм имеет средства для отведения и сохранения тепла.
Человек относится к группе т.н. гомойотермных (теплокровных) организмов, способных сохранять температуру тела на постоянном уровне. Средняя температура «ядра» тела равна 37°С, и это значение колеблется незначительно в течение дня. Значительные изменения температуры тела человека могут наблюдаться во время болезни, при длительных изнурительных физических нагрузках или в экстремальных ситуациях. При этом организм человека может перенести понижение внутренней температуры тела на 10 °С, а её повышение – лишь на 5 °С. Способность организма поддерживать постоянную внутреннюю температуру зависит от возможности уравновешивать количество тепла, образующегося при метаболизме и поступающего из окружающей среды, с тем его количеством, которое отдает тело.
Температура тела отражает динамическое равновесие между образованием тепла и его отдачей. Она повышается, если образование тепла превышает его отведение, например, при интенсивных физических нагрузках в теплых и влажных условиях окружающей среды, и понижается, если теплопотери превосходят теплообразование.
Суммарная теплопродукция (теплообразование) в организме состоит из первичной и вторичной теплоты. Первичная теплота выделяется в ходе постоянно протекающих во всех органах и тканях реакций обмена веществ. Вторичная теплота образуется при расходовании энергии макроэргических соединений на выполнение человеком определенной мышечной работы. Уровень теплообразования в организме зависит от величины основного обмена, «специфически динамического действия» принимаемой пищи, мышечной активности и интенсивности метаболизма в тканях.
Метаболические процессы осуществляются с неодинаковой интенсивностью в различных органах и тканях, поэтому вклад в общую теплопродукцию организма отдельных органов и тканей неравнозначен. Наибольшее количество тепла образуется в скелетных мышцах при их тоническом напряжении или сокращении. Образование тепла, наблюдающееся в мышцах при этих условиях, получило название сократительного термогенеза (сократительной теплопродукции), который является наиболее значимым механизмом теплообразования у взрослого человека. У новорожденных, а также у мелких млекопитающих животных имеется механизм ускоренного теплообразования за счет возрастания метаболической активности в других тканях и, прежде всего, в буром жире. Бурую окраску этой ткани придает большое количество окончаний симпатических нейронов, содержащих медиатор норадреналин. В условиях холодового воздействия на организм под влиянием выделяющегося из симпатических нервных окончаний норадреналина происходит интенсивное окисление жирных кислот. Бурый жир характеризуется избытком митохондрий, которые окружают мелкие капельки жира в цитоплазме. Окисление жирных кислот в митохондриях бурой жировой ткани осуществляется без значимого синтеза макроэргов и, таким образом, с максимально возможным образованием теплоты. Этот механизм получил название несократительного термогенеза (несократительной теплопродукции). Посредством механизмов несократительного термогенеза уровень теплопродукции у человека может быть увеличен примерно в три раза по сравнению с уровнем основного обмена.
Определив среднюю температуру тела и зная его массу (Мт), можно приблизительно определить содержание тепла (СТ) в теле. Содержание тепла представляет собой общее количество калорий тепла в тканях организма. Чтобы определить СТ, надо установить удельную теплоемкость тканей организма.
Удельная теплоемкость субстанции представляет собой количество тепла, необходимого для изменения температуры этой субстанции на ГС. Килокалория - это единица измерения тепловой энергии, представляющая количество тепла, необходимого для того, чтобы повысить температуру 1 кг воды на один градус Цельсия. Следовательно, удельная теплоемкость воды равна 1,0 ккал*кг -1 *°С -1 . Другие компоненты тела имеют разную удельную теплоемкость. Средняя удельная теплоемкость тканей составляет 0,83 ккал*кг -1 *°С -1 . Таким образом, при повышении температуры тела человека массой 50 кг на один градус Цельсия увеличение количества теплоты составит 0,83 ккал на каждый килограмм массы тела, а общая величина составит 41,5 ккал (0,83 ккал*кг -1 *50 кг).
Зная среднюю удельную теплоемкость (0,83 ккал*кг -1 *°С -1), можно определить содержание тепла в организме СТ = 0,83 (Мт х Ттела).
Предположим, что средняя температура человека массой 50 кг равна 35,3 °С.
СТ = 0,83 (50 кг х 35,3°С);
СТ= 1,465 ккал.
Таким образом, тело человека массой 50 кг содержит 1,465 ккал тепла.
Перенос тепла
В состоянии покоя в теле среднего человека образуется тепла 1,25–1,50 ккал в минуту. Полное блокирование способности организма рассеивать тепло приведет к увеличению образования тепла до 75–90 ккал в час. Таким образом, способность избавляться от чрезмерного метаболического тепла играет очень важную роль даже в состоянии покоя.
а. Проведение
Проведение или кондукция представляет собой прямой перенос тепла между молекулами вещества в твердой, жидкой или газообразной среде. Проведение играет роль при переносе тепла от глубоких тканей к поверхности тела. Однако по причине низкой теплопроводности тканей организма количество переносимого тепла сравнительно невелико. Охлаждение поверхности тела через проведение осуществляется путем нагрева молекул воздуха, жидкости и твердых поверхностей, которые контактируют с кожей.
Интенсивность переноса тепла через проведение зависит от нескольких факторов:
Разницы температур кожи и контактирующей среды (воздух, жидкость, твердая поверхность);
Тепловых качеств этой среды (теплопроводность и теплоемкость);
Площади контакта.
При комнатной температуре предметы с высокой теплопроводностью и теплоемкостью кажутся на ощупь более холодными, так как они способны отводить и абсорбировать тепло в разы эффективнее, чем окружающий воздух. Находясь на природе, в жару, для эффективного охлаждения тела можно прилечь на большой камень, укрытый от солнца. Обладающий высокой теплопроводностью камень быстро заберет часть лишнего тепла от перегретого тела.
б. Конвекция
Эффективность переноса тепла через проведение зависит, в том числе, от того, насколько быстро контактирующий с кожей слой воздуха (или воды) покидает её после нагрева. Теплообмен путем перемещения слоев воздуха или воды называется конвекцией . Если конвекция протекает медленно, то на поверхности кожи образуется изолирующий слой нагретого воздуха, который снижает эффективность переноса тепла через проведение. Максимальная толщина изолирующего слоя может достигать 4–8 мм. Если же, напротив, прохладный воздух постоянно заменяет подогретые слои воздуха, отведение тепла увеличивается, так как изолирующий слой не успевает сформироваться.
Различают естественную и форсированную (принудительную) конвекцию. При естественной конвекции тепло уносится ламинарным потоком воздуха. Движущей силой при этом является разность температур тела и его окружения.
При форсированной конвекции осуществляется дополнительный обдув поверхности тела воздухом. Наиболее очевидные примеры - ветер, «сквозняк», поток воздуха от вентилятора; менее очевидные - интенсивное перемещение всего тела или отдельных его частей относительно окружающего воздуха. Поэтому с увеличением скорости бега или езды на велосипеде увеличивается интенсивность теплоотдачи.
Кроме того, явление конвекции играет большую роль в субъективном восприятии низкой температуры окружающего воздуха, в формировании т.н. ветро-холодового индекса . Известно, что в ветреную погоду холод переносится тяжелее, чем в штиль. Это следует учитывать при планировании различных видов активности вне помещений в холодное время года. С практической целью разработаны таблицы значений ветро-холодового индекса.
Следует отметить, что именно за счет конвекции большая часть вырабатываемого организмом тепла переносится в кровоток. Кровь, обладая большой теплоемкостью, является особенно хорошим накопителем и переносчиком тепла. Это способствует поддержанию теплового баланса всего организма.
в. Излучение
Все объекты, включая людей, постоянно излучают тепло в виде инфракрасных волн (т.н. лучистую энергию). Подобная форма переноса тепла не требует непосредственного контакта между объектами. При этом тепло передается от более нагретого объекта к менее нагретому. Так как температура тела человека обычно выше нормальной комнатной температуры, часть тепла отводится путем излучения. Только за счет излучения в состоянии покоя от тела к его окружению переносится до 60 % тепла.
С другой стороны, объекты с высокой температурой способны отдавать тепло телу человека. Например, бытовые электрообогреватели, печи, электроплиты. Самый крупный источник излучения – Солнце. Даже при относительно низкой температуре воздуха (вплоть до 0°С), тело человека может «подогреваться», получая тепловую энергию прямых и отраженных от снега, песка или воды солнечных лучей. Это явление хорошо знакомо альпинистам и горнолыжникам.
г. Испарение
Испарение – процесс перехода вещества из жидкого состояния в паро- или газообразное состояние. Испарение – эндотермический процесс, который он протекает с поглощением теплоты. Благодаря этому вода, испаряющаяся с дыхательных путей и с поверхности кожи, постоянно переносит тепло от тела в окружающую среду. Один литр испаренной воды уносит 580 ккал. Конвекция усиливает эффективность испарения. Процесс обратный испарению называется конденсацией.
В покое и при нейтральных температурных условиях вклад испарения в наружный перенос тепла относительно невелик и составляет около 20 % (для сравнения, вклад излучения – 60 %). Однако, в условиях высокой температуры воздуха механизмы «сухого теплообмена» начинают работать в обратном направлении, тело начинает нагреваться, получая тепло через излучение, проведение и конвекцию. В этом случае испарение остается единственным эффективным путем отведения тепла.
При выполнении физических упражнений испарение также выступает в роли основного процесса рассеяния тепла, его вклад может достигать 80 %. Необходимость развития этого механизма возникла вследствие того, что мощности процессов «сухого теплообмена» недостаточно для отведения всего избытка тепла, образующегося в результате интенсивной мышечной деятельности. Следует помнить, что испарение – основная защита организма от перегрева.
Около 300 мл воды ежедневно испаряется со слизистых оболочек дыхательных путей. Это так называемые неощущаемые потери жидкости. Они относительно постоянны и не способны помочь, когда телу необходимо отдать больше тепла. В неощущаемых потерях также участвует небольшое количество воды, диффундирующей через кожу.
Железистая или ощутимая потеря жидкости является результатом работы потовых желез. По поверхности кожи распределено от двух до четырех миллионов потовых желез. В условиях теплового стресса эти эккринные железы, контролируемые холинэргическими симпатическими нервными волокнами, секретируют большое количество гипотонического солевого раствора (0,2–0,4 % NaCl). Испарение пота с кожи оказывает охлаждающее действие. Охлажденная кожа, в свою очередь, отводит часть тепла от крови, циркулирующей между глубокими и поверхностными тканями.
Интенсивность испарения очень зависит от относительной влажности воздуха и находится от нее в обратной зависимости. В условиях повышенной влажности парциальное давление водяного пара в воздухе становится близким к его значению у влажной кожи, около 40 мм рт. ст., и дальнейшее насыщение воздуха испаренной влагой становится затрудненным. Скорость испарения значительно снижается, а капли выделившегося пота стекают по коже, пропитывают одежду или даже падают на землю. Так как эта вода не принимает участия в отведении тепла, то ее выделение становится неэффективным. Подобное обильное потоотделение может привести к быстрой дегидратации и перегреву организма. Выполнение физической работы в плотной, «недышащей» одежде так же осложняет испарение пота, так как между кожей и одеждой образуется насыщенная влагой прослойка воздуха. С другой стороны, постоянное удаление пота с кожи, например, сухим полотенцем, также препятствует охлаждению тела через испарение.
Именно испарение, а не выделение пота, охлаждает тело человека.
Значение тепла
Источники тепла
Производство тепла и теплоснабжение
Использование тепла
Новые технологии теплоснабжения
Значение тепла
Тепло – один из источников жизни на Земле. Благодаря огню стало возможным зарождение и развитие человеческого общества. С древнейших времён по сей день источники тепла служат нам верой и правдой. Не смотря на небывалый доселе уровень развития технологий, человек, как и многие тысячи лет назад, всё также нуждается в тепле. С ростом численности населения земного шара, потребность в тепле увеличивается.
Тепло стоит в ряду самых важных ресурсов среды обитания человека. Оно необходимо человеку для поддержания собственной жизни. Тепло также требуется для технологий, без которых современный человек не мыслит своего существования.
Источники тепла
Самым древним источникам тепла является Солнце. Позднее в распоряжении человека оказался огонь. На его основе человек создал технологию получения тепла из органического топлива.
Относительно недавно для производства тепла стали использовать ядерные технологии. Впрочем, сжигание органического топлива всё ещё остаётся основным способом добычи тепла.
Производство тепла и теплоснабжение
Развивая технологии, человек научился производить тепло в больших объёмах и передавать его на довольно значительные расстояния. Тепло для больших городов производится на крупных тепловых электростанциях. С другой стороны всё ещё остаётся множество потребителей, которых снабжают теплом мелкие и средние котельные. В сельской местности домохозяйства отапливаются от домашних котлов и печей.
Технологии по производству тепла вносят весомый вклад в загрязнение окружающей среды. Сжигая топливо, человек выбрасывает в окружающий воздух большое количество вредных веществ.
Использование тепла
В целом, человек производит гораздо больше тепла, чем использует с пользой для себя. Много тепла мы просто рассеиваем в окружающем воздухе.
Тепло теряется
из-за несовершенства технологий производства тепла,
при транспортировке тепла по теплопроводам,
из-за несовершенства систем отопления,
из-за несовершенства жилья,
из-за несовершенства вентиляции зданий,
при удалении «излишков» тепла в различных технологических процессах,
при сжигании отходов производства,
с выхлопными газами транспорта на двигателях внутреннего сгорания.
Для описания положения дел в производстве и потреблении тепла человеком хорошо подходит слово расточительность. Примером, я бы сказал, отъявленной расточительности является сжигание попутного газа на нефтяных месторождениях.
Новые технологии теплоснабжения
Человеческое общество тратит много сил и средств для получения тепла:
добывает топливо глубоко под землёй;
перевозит топливо от месторождений к предприятиям и жилищам;
строит установки для получения тепла;
строит тепловые сети для распределения тепла.
Наверное, следует задуматься: а всё ли здесь разумно, всё ли оправдано?
Так называемые технико-экономические преимущества современных систем теплоснабжения по своей сути являются сиюминутными. Они сопряжены со значительным загрязнением окружающей среды и не разумным использованием ресурсов.
Существует тепло, которое не надо добывать. Это тепло Солнца. Его нужно использовать.
Одной из конечных целей технологии теплоснабжения является производство и доставка горячей воды. Вы когда-нибудь пользовались летним душем? Ёмкость с краном, установленная на открытом месте под лучами Солнца. Весьма простой и доступный способ снабжения тёплой (даже горячей) водой. Что мешает использовать его?
С помощью тепловых насосов человек использует тепло Земли. Для теплового насоса не нужно топливо, не нужна протяжённая теплотрасса с её потерями тепла. Количество электроэнергии необходимое для работы теплового насоса относительно мало.
Преимущества самой современной и продвинутой технологии будут сведены на нет, если бестолково использовать её плоды. Зачем производить тепло вдали от потребителей, транспортировать его, затем распределять по жилищам, отапливая по дороге Землю и окружающий воздух?
Следует развивать распределённое производство тепла максимально приближенное к местам потребления, или даже совмещённое с ними. Давно известен способ производства тепла названный когенерацией. Когенерационные установки производят электроэнергию, тепло и холод. Для плодотворного использования этой технологии необходимо развивать среду обитания человека как единую систему ресурсов и технологий.
Представляется, что для создания новых технологий теплоснабжения следует
пересмотреть уже существующие технологии,
постараться уйти от их недостатков,
собрать на едином основании для взаимодействия и дополнения друг другом,
в полной мере использовать их достоинства.
Это подразумевает понимание
теплообразования
Процессы жизнедеятельности человека сопровождаются непрерывным теплообразованием в его организме и отдачей тепла в окружающую среду.
Организм человека - это саморегулирующая система, физиологический механизм которой с целью поддержания постоянной температуры тела направлен на обеспечение соответствия количества образованного тепла (теплопродукция ) количеству тепла, отданного во внешнюю среду (теплоотдача ) . В нормальных условиях теплопродукция равна теплоотдаче .
Теплообразование в организме человека происходит вследствие непрерывно совершающихся экзотермических реакций. Эти реакции протекают во всех органах и тканях, но неодинаково интенсивно. В тканях и органах, производящих активную работу (в мышечной ткани, печени, почках), выделяется большее количество тепла, чем в менее активных (соединительной ткани, костях, хрящах) .
Потеря тепла органами зависит в большой степени от их месторасположения: поверхностно расположенные органы, например, кожа, скелетные мышцы, отдают больше тепла и охлаждаются сильнее, чем внутренние органы, более защищенные от охлаждения.
Теплопродукция и теплоотдача обусловлены деятельностью центральной нервной системы, регулирующей обмен веществ, кровообращение, потоотделение и деятельность скелетных мышц.
Теплота в организме человека вырабатывается в результате энергетических превращений в живых клетках. Теплообразование связано:
С непрерывно совершающимся биохимическим синтезом белков и других органических соединений;
С осмотической работой (переносом ионов);
С механической работой мышц (сердечной мышцы, гладких мышц различных органов, скелетной мускулатуры).
В организме человека, находящегося в состоянии относительного физического покоя, 50% теплоты образуется в органах брюшной полости (главным образом в печени); 20% - в скелетных мышцах и центральной нервной системе; 10% - при работе органов дыхания и кровообращения. Часть энергии, образующейся в организме при выполнении физической работы, расходуется на внешнюю работу. Основная же часть переходит в тепловую Q Т.П . .
Внутренняя температура тела (ядра) постоянна благодаря регулированию интенсивности теплопродукции и теплоотдачи в зависимости от температуры внешней среды. О температуре тела человека обычно судят на основании ее измерения в подмышечной впадине. Здесь температура у здорового человека равна 36,5–36,9 о С. Часто измеряют температуру в прямой кишке, где она выше, чем в подмышечной впадине, и равна у здорового человека в среднем 37,2–37,5 о С.
Температура тела не остается постоянной, а колеблется в течение суток в пределах 0,5–0,7 о С. Покой и сон понижают температуру, мышечная деятельность повышает ее. Максимальная температура тела наблюдается в 16–18 часов, минимальная – в 3–4 часа утра. У рабочих, длительно работающих в ночных сменах, колебания температуры могут быть обратным указанным выше .
Температура кожи человека при воздействии внешних условий изменяется в относительно широких пределах.
Условием комфорта является тепловое равновесие организма человека и окружающей среды. Факторами, влияющими на состояние теплового равновесия организма, являются:
Температура окружающей среды (стен и поверхностей, окружающих предметов);
Температура, скорость движения, влажность воздуха;
Характер одежды;
Величина теплопродукции человека.
Величина теплопродукции зависит от возраста, пола человека, его питания, мышечной деятельности др.
Основным (стандартным) обменом (ОО) организма человека называют количество энергии, расходуемое организмом человека при полном мышечном покое, до приема пищи при температуре внешней среды, соответствующей минимальной активности механизма терморегуляции. Основной обмен зависит от функционального состояния человека, пола, возраста, веса и вычисляется в калориях на единицу веса или единицу поверхности тела.
Для взрослого человека среднее значение величины ОО равно 1 ккал/кг/час. Отсюда для взрослого мужчины массой 70 кг величина энергозатрат ОО составляет около 1700 ккал/сутки, для женщин – около 1500 ккал/сутки .
Процесс отдачи тепла организмом человека (теплоотдача) осуществляется :
Радиацией (излучением) – 43 - 50 %;
Конвекцией (перемещением) – 25 - 30 %;
Испарением с поверхности кожи и легких – 23 - 29 %;
Нагрев пищи – 1 - 2 %;
Нагрев воздуха в легких – 1 – 1,5 %;
Потеря тепла с выделениями - менее 1 %.;
Кондукцией (проведением) – очень незначительная величина, т.к. коэффициент теплопроводности неподвижного воздуха очень мал.
Проведение тепла кондукцией осуществляется от поверхности тела человека к соприкасающимся с ним твердым предметам или материалам внешней среды.
Перенос тепла в этом случае происходит по закону Фурье:
где Q КОНД – отдача тепла, прошедшего через стенку с площадью S в течение времениτ, Вт;
S – площадь поверхности соприкосновения человека с предметом, м 2 ;
t 1 – температура внутренней стенки (пакета одежды), о С;
t 2 - температура наружной (холодной) стороны, о С;
λ – коэффициент теплопроводности пакета одежды, Вт/м∙ о С;
δ – толщина пакета одежды, м.
Из представленного уравнения видно, что отдача тепла кондукцией возрастает со снижением температуры предмета, с которым человек соприкасается, с увеличением площади соприкосновения и уменьшением толщины пакета одежды.
Передача тепла конвекцией осуществляется с поверхности тела или одежды человека движущемуся около него воздуху. Для расчетов теплоотдачи конвекцией можно использовать закон Ньютона:
Q КОНВ = α КОНВ. S (t ОД – t В),
где α КОНВ – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м∙ о С), зависит от формы тела и скорости движения воздуха;
S – площадь поверхности тела, м 2 ;
t ОД – температура поверхности тела (одежды);
t В – температура воздуха, о С.
Потери тепла конвекцией с поверхности одежды, покрывающей тело, выражается формулой
,
где S –
– отношение площади поверхности тела, закрытой одеждой, к площади поверхности открытых частей тела;
α КОНВ – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м∙ о С);
t ОД –
t В – температура воздуха, о С.
Теплоотдача радиацией – это передача тепла в форме лучистой энергии с поверхности тела человека на окружающие поверхности, имеющие более низкую температуру, или в окружающее пространство. Количество тепла, отдаваемого излучением, зависит от температуры поверхности тела (одежды), температуры окружающих тело стен и поверхностей.
Излучение человеческого тела характеризуется длиной волны от 5 до 40 мк, а кожа человека поглощает инфракрасные лучи как абсолютно черное тело.
В условиях эксплуатации одежды наблюдается практически небольшая разность температур тела и одежды. В этом случае уравнение для определения количества тепла, передаваемого радиацией, представляют в виде
Q РАД = α РАД · S РАД (t 1 – t 2),
где α РАД – коэффициент излучения (теплоотдачи радиацией), Вт/(м 2 ∙ о С);
S РАД – площадь поверхности тела человека, участвующая в радиационном теплообмене, м 2 ;
t 1 - температура поверхности тела человека (одежды);
t 2 – температура поверхности окружающих тел, о С.
Коэффициент излучения α РАД зависит от температуры поверхности тела человека (одежды) и температуры окружающих предметов. В радиационном теплообмене участвует не вся поверхность тела человека, т.к. некоторые части тела взаимно облучаются и не принимают участия в теплообмене. В радиационном теплообмене участвует 74-75 % площади тела человека в положении сидя и 77-85 % в положении стоя.
Площадь поверхности тела человека зависит от его роста и массы и может быть определена по графику, представленному на рисунке 1.1.
Рис.1.1. Зависимость площади поверхности тела от роста и массы тела
человека
На рисунке 1.2. показана зависимость площади поверхности тела человека, участвующей в радиационном теплообмене, от роста и массы.
Рис.1.2. Зависимость площади поверхности тела человека, участвующей
в радиационном теплообмене, от роста и массы
Потери тепла с поверхности тела одетого человека определяются по уравнению
где S – площадь поверхности тела раздетого человека, м 2 ;
S ОД - площадь поверхности тела, покрытой одеждой, м 2 ;
S О - площадь открытой поверхности тела, м 2 ;
t ОД - температура поверхности одежды, оС;
t СР – средняя радиационная температура, о С.
Теплоотдача испарением осуществляется путем испарения диффузионной влаги и пота. Диффузионная влага (неощутимая перспирация) теряется с поверхности кожи человека и верхних дыхательных путей в условиях теплового комфорта и охлаждения в состоянии относительного физического покоя. В комфортных условиях (сухое охлаждение) количество пара, выделившегося с 1 м 2 поверхности тела человека, составляет 23 г/час, а со всей поверхности – 40-42 г/час. При этом 1/3 приходится на долю потерь тепла испарением с верхних дыхательных путей и 2/3 – с поверхности кожи.
Потери тепла испарением с верхних дыхательных путей определяют по уравнению
Q ИСП.ДЫХ = 14,9 · 10 -6 · Q Т.П. · (1880 – Р А),
где Q Т.П. – теплопродукция человека Вт,
Р А – парциальное давление пара в окружающем воздухе, Па.
Скорость испарения влаги с поверхности тела зависит от:
Разности парциальных давлений пара в пограничном слое около кожи и в окружающем воздухе,
Скорости движения воздуха;
Воздухо- и паропроницаемости одежды;
Площади поверхности, увлажненной потом.
Площадь увлажненной поверхности тела может быть рассчитана по формуле
,
где Р НАС.К – давление насыщенного пара при температуре кожи над влажными участками кожи.
Потери тепла путем испарения диффузионной влаги с поверхности кожи могут быть определены по уравнению
Q ИСП.Д = 3,06 · 10 -3 · S(256t К – 3360 – Р А),
где Р А - парциальное давление пара в окружающем воздухе;
t К – температура кожи, о С.
Величина потоотделения человека определяется:
Уровнем физической активности человека;
Метеорологическими условиями;
Степенью соответствия одежды условиям эксплуатации.
Максимально возможные потери тепла испарением пота Qисп.п. могут быть определены по уравнению
Q ИСП.П = 17,3 . (Е Ф – е) . (0,5 + √v),
где Е Ф – максимально возможное давление водяного пара при температуре кожи человека, мм рт.ст;
е – давление водяного пара в воздухе (абсолютная влажность ), мм рт.ст., определяют по табличным данным в зависимости от температуры и относительной влажности воздуха.
Разницу (Еф – е) называют физиологическим дефицитом насыщения и определяют в зависимости от скорости движения воздуха и возможной величины испарения пота Р с поверхности тела человека .
Комфортные теплоощущения могут наблюдаться лишь при определенных соотношениях теплоотдачи испарением и теплоотдачи путем теплового потока (Q КОНВ + Q РАД + Q КОНД). Комфортный уровень теплоотдачи испарением Q ИСП.П.К , Вт, определяется из уравнения
.
Теплоотдача при дыхании составляет небольшую долю общих теплопотерь и возрастает с увеличением энергозатрат и уменьшением температуры воздуха.
Потери тепла на нагрев вдыхаемого воздуха Q ДЫХ.Н , Вт, могут быть определены из уравнения
Q ДЫХ.Н = 0,0012 . Q Э.Т. (34 – t В),
где t В – температура окружающего воздуха, о С;
34 – средняя температура выдыхаемого воздуха, о С.
По А.И.Бекетову температуру выдыхаемого воздуха рекомендуется принимать в зависимости от температуры вдыхаемого воздуха (табл.1.1.).