1. Теплообмен человека с окружающей средой.

Человек постоянно находится в процессе теплового взаимодействия с окружающей средой. Для того чтобы физиологические процессы в организме человека происходили нормально, тепло, которое выделяется организмом человека, должно полностью отводиться в окружающую среду. Нарушение теплового баланса может привести к перегреванию или к переохлаждению организма человека и, в конце потере работоспособности, потере сознания и к тепловой смерти Величина тепловыделения организмом человека зависит от степени физической нагрузки, определенных климатических условий и составляет от 85 (в состоянии покоя) до 500 Дж/с (тяжелая работа).

Нормальное тепловое самочувствие имеет место, если тепловыделение (Q_тв) организма человека полностью воспринимаются окружающей средой (Q_тн) то есть если имеет место тепловой баланс (Q_тв)=(Q_тн), когда температура внутренних органов остается постоянной в пределах 36,6 °С.

Организм человека способен поддерживать устойчивую температуру тела при достаточно широких колебаниях параметров окружающей среды. Так, тело человека сохраняет температуру близкую 36,6 0С при колебаниях окружающей температуры от —40 °С до +40 °С. При этом температура отдельных участков кожи и внутренних органов может быть от 24 °С до 37,1 °С.

Наиболее интенсивные обменные процессы происходят в печени, ее температура — 38,0...38,5 °С. Существует суточный биоритм температур кожи: максимальная (37,0...37,1 °С) в 16.00...19.00, минимальная (36,0. .36,2 °С) в 2.00...4.00 по местному времени.

Уравнение теплового баланса окружающей среды человека впервые было проанализировано в 1884 году профессором Флавицким И.И. Теплообмен

между человеком и окружающей средой осуществляется конвекцией вследствие обтекания тела воздухом (g_k), теплопроводностью через одежду (g), излучением на окружающие поверхности (g) и в процессе тепломассообмена (Q_TM) Рй выпаривании влаги, которая выводится на поверхность потовыми железами (g_п) и при дыхании (g_д):

Q_TH = g + g + g + gп + gд , ( 1 )

Конвективный теплообмен определяется по закону Ньютона:

g= α_KF_e(t_пов-t_нс), ( 2 )

где t_пов — температура поверхности тела человека (зимой —27,5 °С, летом — 31 °С);

t_нс — температура окружающей среды,

F_e, — эффективная поверхность тела человека (50...80% геометрической внешней поверхности тела человека). Для практических расчетов она принимается равной 1,8 м²;

α_K— коэффициент теплоотдачи конвекцией, α_K=4,06 Вт/(м²• град).

Величина и направление конвективного теплообмена человека с окружающей средой определяется, преимущественно, температурой окружающей среды, барометрическим давлением, скоростью движения и влагосодержанием воздуха.

Уравнение Фурье, которое описывает теплопроводность в одномерном теплопроводном поле, можно записать в виде:

( 3 )

где α₀ — коэффициент теплопроводности тканей одежды человека, Вт/град;

Теплообмен излучением происходит за счет электромагнитных волн между телами, разделенными лучепрозрачной средой. Тепловая энергия, превращаясь на поверхности горячего тела в лучистую, передается на холодную поверхность, где снова превращается в тепловую. Лучистый поток тем больше, чем меньше температура поверхностей, которые окружают человека и может быть определена с помощью обобщенного закона Стефана-Больцмана:

( 4 )

где: T₁— средняя температура поверхности тела и одежды человека, К ;

T₂ — средняя температура окружающих поверхностей, К;

γ_1-2 —коэффициент излучения, зависящий от расположения и размеров поверхностей F₁ и F₂ и указывающий на частицу лучистого тепла, которая приходится на поверхность F₂, от всего потока, который излучается поверхностью F₁;

Спр = С₁ х С₂/С₀ — приведенный коэффициент излучения, Вт/(м²К⁴);

Со — коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Количество тепла, которое отдается человеком в окружающую среду при испарении влаги, которая выводится на поверхность кожи потовыми железами, определяется по формуле:

_, ( 5 )

где: G_П— количество влаги, которая выделяется и испаряется, кг/с;

г — скрытая теплота выпаривания влаги, которая выделяется, Дж/кг.

Количество тепла, которое отдается в окружающую среду с поверхности тела при испарении пота, зависит не только от температуры воздуха и интенсивности работы, выполняемой человеком, но и от скорости движения окружающего воздуха и его относительной влажности.

Количество тепла, которое расходуется на нагревание вдыхаемого воздуха, можно определить за уравнением:

_, ( 6 )

где: V_ЛВ— легочная вентиляция, м³/с;

ρ_ВД — плотность влажного вдыхаемого, кг/м³;

Ср — удельная теплоемкость вдыхаемого, Дж/(кг/град);

t_вид — температура выдыхаемого воздуха, °С;

t_вд — температура вдыхаемого, °С.

Легочнаявентиляция — это объем воздуха, который вдыхается человеком в единицу времени. Она определяется как произведение объема воздуха, который вдыхается за один вдох, на число циклов дыхания в секунду.

Количество теплоты, которое выделяется человеком с выдыхаемым воздухом, зависит от физической нагрузки, влажности и температуры окружающего воздуха.

В целом тепловое самочувствие человека зависит от интенсивности физической нагрузки организма, температуры окружающих предметов и параметров микроклимата (температуры, скорости движения и относительной влажности воздуха, барометрического давления, интенсивности излучения от нагретых поверхностей).

3. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА НА САМОЧУВСТВИЕ

ЧЕЛОВЕКА.

Параметры микроклимата оказывают непосредственное влияние на самочувствие человека и его работоспособность. Снижение температуры для всех других условий приводит к возрастанию теплоотдачи путем конвекции и излучения и может обусловить переохлаждение организма.

Повышение скорости движения воздуха ухудшает самочувствие, поскольку оказывает содействие усилению конвективного теплообмена и процесса теплоотдачи при испарении пота.

При повышении температуры воздуха имеют место обратные явления. Установлено, что при температуре воздуха свыше 16 °С работоспособность человека начинает падать. При такой температуре и влажности воздуха практически все тепло, которое выделяется, отдается в окружающую среду при испарении пота. При повышении влажности пот не испаряется, а стекает каплями с поверхности кожи.

Недостаточная влажность приводит к интенсивному испарению влаги со слизистых оболочек, их пересыханию и растрескиванию, загрязнению болезнетворными микробами.

Вода и соли, которые выносятся из организма с потом, должны возмещаться, поскольку их потеря приводит к сгущению крови и нарушению деятельности сердечно-сосудистой системы.

Обезвоживание организма на 6% вызовет нарушение умственной деятельности, снижение остроты зрения. Обезвоживание на 15...20 % приводит к смертельному исходу.

Потеря соли лишает кровь способности удерживать воду и вызовет нарушение деятельности сердечно-сосудистой системы. Из-за высокой температуры воздуха и при дефиците воды в организме усиленно расходуются углеводы, жиры, разрушаются белки.

Для восстановления водного баланса рекомендуется употреблять подсоленную (0,5% NаСI) воду (4...5 л на человека в смену), белково-витаминный напиток. В жарких климатических условиях рекомендуется пить охлажденную питьевую воду или чай.

Продолжительное влияние высокой температуры в сочетании со значительной влажностью воздуха может привести к накоплению теплоты в организме и к гипертермии.

Гипертермия — это состояние человека, при котором температура тела поднимается до 38...40 °С. При гипертермии, и как следствие при тепловом ударе, наблюдается головная боль, умопомрачение, общая слабость, искажение цветного восприятия, сухость во рту, дурнота, блевотина, потовыделение. Пульс и частота дыхания ускоряются, в крови возрастает содержимое остаточного азота и молочной кислоты. Наблюдается бледность, посинение кожи, расширение зрачков, временами возникают судороги, потеря сознания.

Из-за пониженной температуры, значительной скорости движения и влажности воздуха возникает переохлаждение организма (гипотермия). На начальном этапе влияния холода наблюдается снижение частоты дыхания, увеличение объема вдоха. Из-за продолжительного влияния холода дыхание становится неритмичным, частота и объем вдоха возрастают, изменяется углеводный обмен. Появляется мышечное дрожание, при котором внешняя работа не выполняется, и вся энергия дрожания превращается в теплоту. Это позволяет на протяжении некоторого времени задерживать понижение температуры внутренних органов. Следствием действия низких температур являются простудные заболевания.

Параметры микроклимата служат причиной существенного влияния на производительность труда и на травматизм.

Влияние температуры воздуха на среднюю производительность труда показано на графике (рис.2 1).

Рис. 1. Влияние температуры воздух на производительность труда