Дефицит тепла в организме человека

Оглавление

 

Предисловие……………………………………………………........	5
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………….	6
1. ТЕПЛООБМЕН МЕЖДУ ЧЕЛОВЕКОМ И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ………………………………………………………………	9
1.1. Терморегуляция человека………………………………………	9
1.1.1. Химическая терморегуляция……………………………………..	9
1.1.2. Физическая терморегуляция……………………………………...	10
1.2. Тепловой баланс………………………………………………...	13
1.3. Теплопродукция…………………………………………………	14
1.4. Теплоотдача……………………………………………………...	16
1.4.1. Радиационный теплообмен……………………………………….	16
1.4.2. Конвекционный теплообмен……………………………………	17
1.4.3. Теплоотдача кондукцией………………………………………….	18
1.4.4. Теплоотдача испарением………………………………………….	19
1.4.5. Дефицит тепла в организме человека………………………….	20
2. ПОКАЗАТЕЛИ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА……	22
2.1. Пододёжный микроклимат……………………………………..	22
2.1.1. Температура пододёжного воздуха…………………………….	24
2.1.2. Влажность воздуха под одеждой……………………………….	24
2.1.3. Газообмен…………………………………………………………….	26
2.2. Критерии оценки теплового состояния человека……………..	27
2.2.1. Температура тела………………………………………………….	28
2.2.2. Температура кожи и потоотделение………………………….	29
2.2.3. Реакция сердечно-сосудистой системы на термическое воздействие внешней среды……………………………………………..	32
3. СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ФИЗИКО-ГИГИЕНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ОДЕЖДЫ. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ОДЕЖДЕ…………………………………..	33
3.1. Свойства материалов……………………………………………	33
3.2. Классификация одежды ………………………………………..	34
3.3. Требования к одежде …………………………………………...	35
3.3.1. Биологические требования………………………………………..	36
3.3.2. Социальные требования…………………………………………..	38
3.4. Бельё……………………………………………………………...	39
3.5. Платья, блузки, верхние сорочки………………………………	41
3.6. Костюм, пальто………………………………………………….	43
3.7. Одежда для детей………………………………………………..	48
4. Основные принципы проектирования одежды для защиты от холода и ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ.	50
4.1. Основные принципы проектирования одежды для защиты от холода…………………………………………………………………	50
4.1.1. Моделирование процесса переноса тепла через пакет одежды от тела человека в окружающую среду……………………	51
4.1.2. Связь между термическим сопротивлением одежды и теплопотерями человека……………………………………………………	53
4.2. Основные принципы проектирования одежды для защиты от теплового воздействия………………………………………………	54
4.2.1. Влияние нагревающей среды на организм человека………….	55
4.2. 2. Требования к теплостойкой одежде…………………………...	56
5. ГИГИЕНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ОДЕЖДЕ РАЗЛИЧНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ЗОН……………..	59
6. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СПЕЦИ-АЛЬНОЙ ОДЕЖДЫ…………………………………………………	64
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………	68
Библиографический список…………………………………………	69
Словарь терминов и определений…………………….....................	72
Алфавитно-предметный указатель………………………………...	73

 

 

Предисловие

 

Дисциплина «Гигиена одежды» относится к специальным и является одной из завершающих в предметной подготовке специалистов по специальностям 260800 Технология, конструирование изделий и материалы легкой промышленности, 100101 Сервис, специализациям Сервис на предприятиях индустрии моды, Экспертиза качества, и сертификация услуг и работ, Сервис на предприятиях парикмахерских и косметических услуг, 260902 Конструирование швейных изделий.

Цель преподавания дисциплины – научить студентов проектировать и изготавливать одежду, обеспечивающую комфортность пододежного микроклимата за счет оптимального сочетания:

– свойств материалов;

– модельно-конструктивных особенностей изделия;

– рационального пакета изделия и пакета одежды в целом.

Мир, в котором мы живем, является примером гармонии и совершенства, ибо устроен он так, что всем нам есть место под солнцем. Но, к сожалению, не все в полной мере умеют радоваться жизни, не все умеют находиться в гармонии с самим собой и окружающим нас миром. Одна из причин такого состояния – аллергические явления в виде покраснения на коже, обильное потоотделение и выделение в больших количествах кожного сала и слущивающегося эпителия, чувство жары или холода. Все перечисленное вызывает как физиологический, так и психологический дискомфорт.

Знание теоретических основ, изложенных в данном пособии, поможет студентам подойти к проектированию изделий и формированию пакета одежды с точки зрения не только эстетических, но и гигиенических требований, с учетом назначения изделия, климатических условий и психо-физиологических особенностей человека.

Пособие состоит из предисловия, введения, 6 глав, заключения, словаря терминов и определений, алфавитно-предметного указателя. После каждой главы приведены выводы и контрольные вопросы, помогающие проверить усвоение материала.

Пособие подготовлено в соответствии с ГОС ВПО и рабочей программой по дисциплине «Гигиена одежды». Предназначено для студентов очной и заочной форм обучении, может использоваться как при аудиторной, так и при самостоятельной работе, а также при выполнении курсовых работ и выпускных квалификационных работ.

 

ВВедение

 

Среди многообразных потребительских требований, предъявляемых к одежде как предмету личного пользования, защитно-гигиенические являются одними из главных.

Слово "гигиена" происходит от греческого "я здоров". Гигиена является отраслью медицины, изучающей влияние условий жизни на здоровье человека, разрабатывающей нормативы и практические мероприятия для улучшения этих условий, оздоровления населения. Гигиена одежды неразрывно связана с личной гигиеной.

Одежда используется человеком для защиты от неблагоприятных воздействий внешней среды – низкой или высокой температуры, чрезмерной радиации, ветра, дождя, снега и других осадков. Кроме того, она защищает человека от механических и химических повреждений кожного покрова, от укусов насекомых, пресмыкающихся и других животных, предохраняет поверхность нашего тела от пыли, грязи и микроорганизмов. Защищая человека от внешней среды, одежда должна в то же время обеспечивать "эвакуацию" продуктов жизнедеятельности человека с поверхности тела. С помощью одежды вокруг тела человека создается искусственный микроклимат, обеспечивающий комфортные условия для его жизнедеятельности.

В настоящее время созрели условия для разработки обобщающей теории построения одежды с заданными гигиеническими свойствами для любых реальных или прогнозируемых условий ее эксплуатации.

Разработка гигиенических требований и нормативов для осуществления поставленной задачи является весьма актуальной и заслуживает того, чтобы на ее разрешение были направлены необходимые усилия со стороны как гигиенистов и физиологов, так и химиков, материаловедов, технологов-швейников и конструкторов.

Главная задача курса "Гигиена одежды" – изучение физиологии теплообмена человека с окружающей средой, основных гигиенических требований к одежде различного назначения и физиолого-гигиенических показателей современной одежды.

Весь курс гигиены одежды можно разделить на четыре больших раздела:

1) основные положения о физиологии человека. Обмен веществ. Пододежный микроклимат и параметры, его характеризующие;

2) гигиенические требования и свойства одежды различного ассортимента;

3) методы приближенного теплового расчета одежды;

4) специальная одежда.

Общее понятие нужно иметь о всех разделах, но особое внимание будущим конструкторам необходимо обратить на раздел ''Гигиенические требования, предъявляемые к одежде'', чтобы развить в себе профессиональную интуицию, подкрепленную знаниями по созданию оптимального пакета одежды, где рациональность должна достигаться не только за счет удачно подобранных материалов, но и за счет грамотных конструктивных решений.

Цель, которой руководствуемся при изучении данной дисциплины, – это изготовление одежды, создающей комфортный пододежный микроклимат, в соответствии с реальными условиями ее эксплуатации. Для достижения данной цели необходимо решить множество задач, основными из которых являются изучение гигиенических требований к одежде различного назначения, физиологии теплообмена между человеком и внешней средой, основных гигиенических принципов проектирования одежды различного назначения (рис. 1).

 

Социально-экономический эффект

Улучшение самочувствия человека

Сохранение здоровья

Повышение работоспособности и производительности труда

Рациональное использование сырья и материалов

Цель: изготовление одежды в соответствии с реальными условиями ее эксплуатации, создающей комфортный пододежный микроклимат

Соблюдение основных гигиенических требований, предъявляемых к одежде

Учет физиологии теплообмена между человеком и средой

Учет свойств материалов

Задачи

 

Рис. 1. Цель и задачи дисциплины

 

Решение этих задач, а значит, и достижение поставленной цели, способствует улучшению самочувствия человека, сохранению его здоровья, повышению работоспособности и производительности труда, позволяет более рационально использовать сырье и материалы.

Дисциплина "Гигиена одежды" наряду с основными дисциплинами специальности способствует формированию специалиста высокого уровня, развивает профессиональные навыки при проектировании изделий сервиса с учетом соблюдения основных гигиенических требований, предъявляемых к современной одежде, и подборе оптимального пакета материалов, в том числе с использованием информационных технологий.

 

 

Теплообмен между человеком

И окружающей средой

 

Терморегуляция человека

 

Необходимое условие сохранения длительного теплового комфорта – поддержание теплового баланса, который достигается путём терморегуляции организма (физиологической) и применения одежды (поведенческой терморегуляции), отвечающей своему назначению.

Организм человека представляет собой саморегулируемую систему, физиологический механизм, который с целью поддержания постоянной температуры тела направлен на обеспечение соответствия количества образования тепла (теплопродукция) количеству тепла, отданного во внешнюю среду (теплоотдаче). Если в какой-либо период эта система разбалансирована, в организме происходит накопление тепла или его убыль.

Совокупность физиологических процессов, обусловленных деятельностью центральной нервной системы человека и направленных на сохранение температуры тела на постоянном уровне, называется терморегуляцией.

Постоянство температуры тела у человека может сохраняться лишь при условии равенства теплообразования и теплопотери всего организма. Это достигается с помощью физиологических механизмов терморегуляции. Терморегуляция проявляется в форме взаимосочетания процессов теплообразования и теплоотдачи, регулируемых нервно-эндокринным путём.

Терморегуляцию принято разделять на химическую и физическую (рис. 2).

 

Химическая терморегуляция

 

При охлаждении организма механизм терморегуляции вызывает уменьшение теплоотдачи и увеличение тепла в организме.

Терморегуляция, обеспечивающая увеличение теплообразования в организме в ответ на его охлаждение, называется химической терморегуляцией.

Химическая терморегуляция осуществляется путём усиления или ослабления обмена веществ. Однако она связана с мышечной деятельностью.

У человека усиление теплообразования вследствие увеличения интенсивности обмена веществ отмечается, в частности, тогда, когда температура окружающей среды становится ниже оптимальной температуры или зоны комфорта. При обычной лёгкой одежде эта зона находится в пределах 18–20 °С, а для обнажённого человека – 28 °С.

Наиболее интенсивное теплообразование в организме происходит в мышцах. Даже если человек лежит неподвижно, но с напряжённой мускулатурой, окислительные процессы ускоряются, а вместе с тем и теплообразование повышается на 10 %. Небольшая двигательная активность ведёт к увеличению теплообразования на 50–80 %, а тяжёлая мышечная работа – на 400–500 %.

В условиях холода теплообразование в мышцах увеличивается, даже если человек находится в неподвижном состоянии. Это обусловлено тем, что охлаждение поверхности тела, действуя на рецепторы, воспринимающие холодовое раздражение, рефлекторно возбуждает беспорядочные непроизвольные сокращения мышц, проявляющиеся в виде дрожи (озноба). При этом обменные процессы организма значительно ускоряются, увеличивается потребление кислорода и углеводов мышечной тканью, что и влечёт за собой повышение теплообразования. Даже произвольная имитация дрожи увеличивает теплообразование на 200 %. Если в организм введены монорелаксанты – вещества, нарушающие передачу нервных импульсов с нерва на мышцу и тем самым устраняющие рефлекторную мышечную дрожь, при понижении температуры окружающей среды гораздо быстрее наступает понижение температуры тела.

В химической терморегуляции, кроме мышц, значительную роль играют печень и почки. Температура крови печёночной вены выше температуры крови печёночной артерии, что указывает на интенсивное теплообразование в этом органе. При охлаждении тела теплопродукция в печени возрастает [1].

Освобождение энергии в организме совершается за счёт окислительного распада белков, жиров и углеводов. Поэтому все механизмы, которые регулируют окислительные процессы, регулируют и теплообразование.

 

Физическая терморегуляция

 

Терморегуляция, направленная на уменьшение или увеличение теплоотдачи в окружающую среду, называется физической терморегуляцией.

Физическая терморегуляция осуществляется путём изменений отдачи тепла организмом за счёт расширения или сужения кровеносных сосудов в коже.

Температура кожи, а следовательно, интенсивность теплоизлучения и теплопроведения могут изменяться в результате перераспределения крови в сосудах и при изменении объёма циркулирующей крови.

На холоде кровеносные сосуды кожи, главным образом артериолы, сужаются: большое количество крови поступает в сосуды брюшной полости, и тем самым ограничивается теплоотдача. Поверхностные слои кожи, получая меньше тёплой крови, излучают меньше тепла – теплоотдача уменьшается. При сильном охлаждении кожи, кроме того, происходит открытие артериовенозных анастомозов, что уменьшает количество крови, поступающей в капилляры, и тем самым препятствует теплоотдаче [1].

Перераспределение крови, происходящее на холоде, уменьшение количества крови, циркулирующей через поверхностные сосуды, и увеличение количества крови, проходящей через сосуды внутренних органов, способствует сохранению тепла во внутренних органах. Эти факты служат основанием для утверждения, что регулируемым параметром является именно температура внутренних органов, которая поддерживается на постоянном уровне.

При повышении температуры окружающей среды сосуды кожи расширяются, количество циркулирующей в них крови увеличивается. Возрастает также объём циркулирующей крови во всём организме вследствие перехода воды из тканей в сосуды, а также потому, что селезёнка и другие кровяные депо выбрасывают в общий кровоток дополнительное количество крови.

К проявлениям физической терморегуляции следует отнести также изменение положения тела. Когда кошке или собаке холодно, они сворачиваются в клубок, уменьшая тем самым поверхность теплоотдачи; когда жарко, животные, наоборот, принимают положение, при котором поверхность теплоотдачи максимально возрастает. Этого способа физической теплорегуляции не лишен и человек, сворачивающийся в клубок во время сна в холодном помещении.

В наибольшей степени физическая терморегуляция проявляется в области кистей и стоп (теплоотдача может резко снизиться), в наименьшей – в области головы. Это необходимо учитывать при создании и оценке средств защиты (одежды, обуви, рукавиц и головных уборов) от охлаждения.

Таким образом, постоянство температуры тела поддерживается путём совместного действия, с одной стороны – механизмов, регулирующих интенсивность обмена веществ и зависящее от него теплообразование (химическая регуляция тепла), а с другой – механизмов, регулирующих теплоотдачу (физическая регуляция тепла).

Тепловой баланс

 

Для сохранения постоянной температуры тела все системы должны находиться в термостабильном состоянии. Для обозначения равенства между теплообразованием в организме и теплоотдачей принят термин тепловой баланс.

Тепловой баланс достигается координацией процессов, направленных на образование тепла в организме (теплопродукция) и его выведение (теплоотдача). Он осуществляется механизмами химической и физической терморегуляции, а также приспособительными действиями, направленными на создание оптимального микроклимата путём использования одежды и жилища.

Для организма человека в условиях, когда температура окружающей среды ниже средней температуры поверхности его тела 309,5 К (33,5 ºС), тепловой баланс в общем виде описывается следующим уравнением:

 

Q_т.п+Q_т.н=Q_рад+Q_конв+Q_конд+Q_исп.д+Q_{исп.дых}+Q_исп.п+Q_дых.н ± Q_т.с,

 

где Q_т.п – теплопродукция человека;

 Q_т.н – внешняя тепловая нагрузка;

 Q_рад – потери тепла радиацией;

 Q_конв – потери тепла конвекцией;

 Q_конд – потери тепла;

 Q_исп.д – потери тепла испарением диффузионной влаги с поверхности кожи;

 Q_{исп.дых} – потери тепла испарением влаги с верхних дыхательных путей;

 Q_исп.п – потери тепла испарением выделяемого пота;

 Q_дых.н – потери тепла вследствие нагревания вдыхаемого воздуха;

 Q_т.с – изменение теплосодержания организма относительно его комфортного уровня (дефицит или накопление тепла в организме).

 

 

Все слагаемые уравнения теплового баланса отнесены к единице времени (τ) и выражены в ваттах.

Обе части равенства, характеризующие тепловой баланс (теплообразование и теплоотдача), являются переменными, зависящими как от физиологических, так и от физических параметров.

При изменении теплофизических условий окружающей среды, а также при различном характере жизнедеятельности человеческого организма, изменяются и отдельные составляющие расходной части теплового баланса (такие, как Q_конв, Q_рад, Q_исп, Q_дых), а следовательно, за счёт срабатывания системы терморегуляции организма соответствующим образом изменяется и теплопродукция организма.

Однако возможности этой системы, особенно в условиях, когда температура окружающей среды значительно ниже нормальной температуры тела человека, далеко не безграничны. В какой-то момент система терморегуляции перестаёт справляться со своими функциями, и для человеческого организма наступают дискомфортные условия, которые в итоге могут принять угрожающий характер для самого существования человека.

 

Теплопродукция

 

Необходимое условие существования человека – непрерывный обмен веществ с окружающей средой.

Теплообразование – это выработка теплоты в организме в результате энергетических превращений в живых клетках. Оно связано с непрерывно совершающимся биохимическим синтезом белков и других органических соединений, 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 печени), 20 % – в скелетных мышцах и центральной нервной системе, остальное – при работе органов дыхания и кровообращения.

В результате окислительно-восстановительных реакций в организме человека происходит превращение веществ, богатых энергией, в вещества, содержащие меньший энергетический потенциал, с освобождением энергии в той или иной форме.

Часть энергии, образующейся в организме, превращается в механическую N, которая затем расходуется на выполнение внешней работы. Основная же часть энергии переходит в тепловую Q_т.п.

Таким образом, энергия, выделяемая в организме человека в виде тепла, называется теплопродукцией. Расходуется она на поддержание постоянного уровня температуры тела и составляет при физической работе часть общих энергозатрат Q_э.т:

 

Q_т.п = Q_э.т – N.

 

У человека, находящегося в состоянии относительного физического покоя (лёжа, сидя, стоя), энергия, вырабатываемая в организме, почти не расходуется на внешнюю механическую работу, она практически вся превращается в тепловую.

Количество выполняемой работы N может быть определено из уравнения:

N = n∙(Q_э.т – Q_о),

 

где n – термический коэффициент полезного действия;

 Q_о – величина основного обмена.

Расход энергии в состоянии полного покоя (при расслаблении мышц, отсутствии внешних раздражителей, натощак, в комфортных климатических условиях, т. е. в условиях, обеспечивающих минимальную активность механизмов терморегуляции) принято называть основным обменом. Он характеризует то минимальное количество энергии, которое необходимо для поддержания основных жизненных процессов.

Основной обмен у здорового человека изменяется в зависимости от возраста и пола. Величина основного обмена находится в тесной связи с величиной поверхности тела. С возрастом теплообразование на 1м² поверхности тела уменьшается, что связано с понижением интенсивности окислительных процессов. У мужчин основной обмен на 5–8 % больше, чем у женщин. Это объясняется тем, что у женщин, в среднем, больше жировой ткани, чем у мужчин, а жировая ткань по интенсивности окислительных процессов относится к малоактивным.

Таким образом, для определения теплопродукции человека необходимо знать его общие энергозатраты Q_э.т, термический коэффициент полезного действия n и основной обмен Q_о:

 

Q_т.п = Q_э.т – n∙(Q_э.т – Q_о).

 

Термический коэффициент полезного действия может быть определён из уравнения:

n = N / (Q_э.т – Q_о).

Наиболее хорошо изучено влияние температуры внешней среды на обмен веществ. Длительное пребывание в среде с высокой температурой ведёт к понижению уровня основного обмена.

При длительном воздействии низкой температуры среды наблюдается обратный эффект. У человека, располагающего широкими возможностями создания искусственного климата (одежда и жилище), эти изменения значительно менее выражены, чем у животных.

 

Теплоотдача

 

Теплоотдача – это теплообмен между поверхностью тела человека и окружающей средой. В сложном процессе сохранения теплового баланса организма регуляция теплоотдачи имеет большое значение. Применительно к физиологии теплообмена теплоотдача рассматривается как переход теплоты, освобождаемой в процессах жизнедеятельности, из организма в окружающую среду. Теплоотдача осуществляется, в основном, излучением, конвекцией, кондукцией и испарением. В условиях теплового комфорта и охлаждения наибольшую долю занимают потери тепла радиацией и конвекцией (73–80 % общих теплопотерь) [1]. В условиях, вызывающих перегревание организма, преобладает теплоотдача испарением.

 

Радиационный теплообмен

 

В нагретом теле часть тепловой энергии превращается в лучистую. Одним из носителей лучистой энергии являются инфракрасные лучи или тепловые лучи, а процесс их распространения называется тепловым излучением, лучеиспусканием или радиацией.

Радиационный теплообмен, который проходит между человеком и окружающими его телами путём инфракрасного излучения, может идти как с положительным, так и с отрицательным тепловым балансом для человека.

Когда средняя температура ограждений, окружающих человека, выше температуры поверхности его тела, наблюдается положительный радиационный тепловой баланс. В этом случае за счёт инфракрасного излучения тело человека нагревается.

С радиационным нагреванием человек сталкивается в быту (солнце, отопительные приборы, нагретая поверхность земли, зданий и т. п.), в производственной деятельности (металлургические цеха и т. п.).

Когда средняя температура ограждений, окружающих человека, ниже температуры поверхности его тела, наблюдается отрицательный радиационный тепловой баланс. Происходит охлаждение организма (радиационное охлаждение).

Радиационному охлаждению могут подвергаться строительные рабочие, рабочие транспорта, холодильников и т. д.

Теплоотдача излучением в комфортных метеорологических условиях составляет 43,8–59,1 % относительно общей величины теплопотерь.

По данным А. Е. Малышевой, радиационный способ теплоотдачи вызывает более глубокое охлаждение организма, чем конвекционный. Поэтому для уменьшения потерь тепла радиацией целесообразно в одежде применять материалы с высокими отражающими свойствами.

Тепловое излучение в значительной степени зависит от разности температур поверхности тела человека и окружающих предметов. При наибольшей разности температур тел, что практически наблюдается в условиях эксплуатации одежды, уравнение для определения количества тепла, передаваемого радиацией, можно написать в виде:

 

Q_рад = L_рад∙S_рад∙(t₁ – t₂),

 

где L_рад – коэффициент излучения (теплоотдачи радиацией), Вт/(м² °С);

S_рад – поверхность тела человека, участвующая в радиационном теплообмене, м²;

t₁ – температура поверхности тела (одежды), °С;

t₂ – температура поверхности окружающих тел, °С.

 

Конвекционный теплообмен

В воздушной среде тепло переносится, в основном, путём перемещения (конвекции) частиц. Процесс теплообмена между телом и воздухом называется конвекционным теплообменом.

Конвекционный теплообмен подразделяется на свободный (вследствие разности температуры тела и воздуха) и вынужденный (под влиянием движения воздуха) [1].

Теплоотдача конвекцией в общем балансе теплопотерь человека составляет свыше 25–30 %. Особенно возрастают потери тепла конвекцией при ветре. Теплоотдача конвекцией, Вт, может быть определена по уравнению:

 

Q_конв = L_конв∙S (t_од – t_в),

 

где L_конв – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м² °С);

 S – площадь поверхности тела, м²;

 t_од – температура поверхности тела (одежды) человека, °С;

 t_в – температура воздуха, °С.

Коэффициент L_конв зависит от формы тела и скорости движения воздуха. Потери тепла конвекцией с поверхности одежды, покрывающей тело, можно выразить следующей формулой:

 

Q_конв = (S_од / S_о)∙L_конв∙(t_од – t_в),

 

где S – площадь поверхности тела раздетого человека, м²;

 S_од/S_о – отношение площади поверхности тела, закрытой одеждой, к площади поверхности открытых частей тела;

 L_конв – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м²∙°С;

 t_од – температура поверхности одежды, °С;

 t_в. – температура воздуха, °С.

При малых скоростях движения воздуха теплообмен происходит путём свободной конвекции. При этом коэффициент является функцией разности t_од – t_в. При больших скоростях движения воздуха L_конв является функцией скорости ветра.

 

Теплоотдача кондукцией

 

Теплоотдача кондукцией (проведением) осуществляется в тех случаях, когда тело человека плотно соприкасается с каким-либо предметом. Потери тепла кондукцией определяются по формуле:

 

Q_конд = Y∙((t₁ – t₂)/q)∙S,

 

где Q_конд – количество тепла, прошедшего через стенки с площадью S, м² в течение времени t, Вт;

 Y – коэффициент теплопроводности пакета материалов одежды, Вт/(м °С);

 t₁ – температура внутренней стороны пакета материалов одежды, °С;

 t₂ – температура наружной стороны пакета материалов, °С;

 q – толщина пакета материалов одежды, м;

 S – площадь поверхности, м².

В обычных условиях удельный вес потерь тепла кондукцией невелик, так как коэффициент теплопроводности неподвижного воздуха незначителен. В этом случае человек теряет тепло кондукцией лишь с поверхности стоп, площадь которых составляет 3 % площади поверхности тела. Но иногда (в кабинах сельскохозяйственных машин, башенных кранов, экскаваторов и т. д.) площадь соприкосновения с холодными стенками может быть довольно большой. Кроме того, помимо размера контактирующей поверхности имеет значение и подвергающийся охлаждению участок тела (стопы, плечи, поясница и т. п.).

Теплоотдача испарением

 

Важным способом теплоотдачи, особенно при высокой температуре воздуха и выполнении человеком физической работы, является испарение диффузионной влаги и пота. В условиях теплового комфорта и охлаждения человек, находящийся в состоянии относительного физического покоя, теряет влагу путём диффузии (неощутимой перспирации) с поверхности кожи и верхних дыхательных путей. За счёт этого человек отдаёт в окружающую среду 23–27 % общего тепла, при этом 1/3 потерь приходится на долю испарения с верхних дыхательных путей и 2/3 – с поверхности кожи.

Напомним, что для испарения 1 мл воды необходимо 2,4 кДж (0,58 ккал). Следовательно, если в условиях основного обмена телом человека отдаётся посредством испарения около 1675–2093 кДж (400–500 ккал), то с поверхности тела должно испариться примерно 700–850 мл воды. Из этого количества 300–350 мл испаряются в лёгких и 400–500 мл – с поверхности кожи.

Потери тепла путём испарения диффузионной влаги с поверхности кожи Q_исп.д определяются по уравнению:

 

Q_исп.д = 3,06∙10^–3∙S∙(256t_к – 3360 – Ра),

 

где t_к – температура кожи, °С;

 Ра – парциальное давление пара в окружающем воздухе, Па.

Потери тепла при испарении влаги с верхних дыхательных путей Q_{исп.дых} определяются по уравнению:

 

Q_{исп.дых} = 14,9 10^–6∙Q_т.п∙(5880 – Ра),

 

где Q_т.п – теплопродукция, Вт.

Потери тепла происходят также при испарении пота. Для сохранения постоянства температуры тела человека при высокой температуре окружающей среды основное значение имеет испарение пота с поверхности кожи. Потоотделение представляет собой один из наиболее мощных механизмов терморегуляции, играющих важную роль в условиях перегревания организма и при выполнении человеком физической работы.

В жаркое время организм человека не может отдавать образующееся в нём тепло путём радиации и конвекции. Основным путём для отдачи тепла остаётся испарение воды, которое зависит от относительной влажности воздуха. В насыщенном водяными парами воздухе (например, в бане) пот выделяется в большом количестве, но не испаряется и стекает с кожи. Такое потоотделение не способствует отдаче тепла; только та часть пота, которая испаряется с поверхности кожи, имеет значение для теплоотдачи (эта часть пота составляет эффективное потоотделение).

Приняв, что среднее теплообразование в сутки равно 2800 ккал (11723 кДж), и зная, что на испарение 1 г воды с поверхности тела расходуется 0,58 ккал (2,43 кДж), получим, что для поддержания температуры тела человека на постоянном уровне в таких условиях необходимо испарение 4,5 л воды. Особенно интенсивно потоотделение происходит при высокой температуре окружающей среды во время мышечной работы, когда вырастает теплообразование в самом организме. При очень тяжелой работе выделение пота у рабочих горячих цехов может составить 12 л в день.

Максимально возможная величина теплопотерь при испарении пота Q_исп.п может быть определена по уравнению:

 

Q_исп.п = 10,2∙(Р_нас.к – Ра)∙(0,5 + v),

 

где Р_нас.к – максимально возможное насыщение водяного пара при температуре кожи человека, мм.рт.ст.;

Ра – давление водяного пара в воздухе, мм.рт.ст.;

v – скорость движения ветра, м/с.

Разность (Р_нас.к – Ра) называют физиологическим насыщением.

Потери тепла испарением пота в комфортных условиях Q_исп.п, применительно к различному уровню энергозатрат, могут быть определены по уравнению:

Q_исп.п = 0,38∙S∙(Q_т.п – 58).

 

Выводы

 

Материал, изложенный в главе, является теоретической основой, которая поможет студентам понять и учесть при проектировании одежды физиологические особенности организма человека как саморегулирующейся системы, которую необходимо рассматривать по схеме «человек–одежда–среда». Знание процессов терморегуляции, теплообразования и теплоотдачи, видов теплообмена мотивируют гармоничный подход к процессу проектирования изделий, обеспечивающих соблюдение гигиенических требований, предъявляемых к одежде.

Контрольные вопросы

 

1. В каком состоянии должны находиться все системы организма для поддержания постоянной температуры тела?

2. Перечислите виды теплоотдачи.

3. Какие виды терморегуляции Вы знаете?

4. Каким путем происходит максимальная отдача тепла организмом в летнее время?

5. Дайте определение терморегуляции.

Пододёжный микроклимат

 

Механизм терморегуляции человека имеет ограниченные возможности, и для снижения теплопотерь организма человеку нужна одежда.

Между поверхностью кожи и наружной поверхностью одежды находится значительный слой воздуха, представляющий собой своеобразную климатическую зону, которая по своим параметрам значительно отличается от климата внешней среды и характеризуется более постоянной и изменяемой в сравнительно небольших пределах температурой, малой относительной влажностью и слабым движением воздуха.

Под термин