4. Основные способы теплообмена организма.

В организме любого живого существа непрерывно выделяется тепло. Это тепло должно отводится в окружающую среду, иначе организм перегреется и погибнет. Однако, и слишком быстрая отдача тепла опасна для организма – она приводит к переохлаждению. Поэтому важно в любых условиях обеспечить наиболее выгодный темп теплоотдачи. При этом необходимо учитывать, что теплообмен осуществляется целым рядом механизмов, с которыми врач должен быть хорошо знаком.

Основная часть тепла выделяется в мышцах и внутренних органах, отдача же тепла идёт с поверхности тела (с кожи). Ткани организма плохо проводят тепло, поэтому почти всё тепло переносится изнутри к поверхности с током крови. В коже и подкожной клетчатке находится большое количество кровеносных сосудов. Проходя по ним, кровь отдаёт тепло наружу.

Через подкожную клетчатку и через одежду тепло переносится за счёт теплопроводности. Теплопроводность – это перенос тепла за счёт усиления молекулярного движения в веществе.

Нетрудно получить формулу для переноса тепла путём теплопроводности. Пусть поток тепла идёт через слой вещества (ткань, стену и т.д.). Толщину слоя обозначим х, а площадь S. Слева температура равна Т₁, а справа (пусть Т₁ > Т₂). Очевидно, что количество тепла Q, прошедшее через слой за время t, прямо пропорционально разности температур, площади и времени и обратно пропорционально толщине слоя. Кроме того, надо учесть свойства вещества; для этого вводят коэффициент теплопроводности К. Отсюда следует, что количество тепла, переносимое путём теплопроводности, равно:

(13)

С различием в теплопроводности различных веществ мы постоянно сталкиваемся в повседневной жизни (сравните сковородки с металлической и с деревянной ручками). Теплопроводность одежды имеет свою специфику. Любая ткань содержит в своих порах большое количество воздуха. Теплопроводность воздуха много меньше, чем любого твёрдого тела, поэтому теплопроводность одежды в первую очередь зависит от содержания в ней воздуха. Чем больше воздуха в ткани, и чем лучше она его удерживает, не давая обмениваться на холодный, тем хуже она проводит тепло. Например, скользкие волокна естественного шёлка плохо задерживают воздух; такая одежда хорошо проводит тепло, и в ней хорошо находиться в тёплую погоду. Лучше всего удерживают воздух шерстяные ткани, у них самая малая теплопроводность.

Отдача тепла с поверхности тела и одежды в окружающую среду. Так как от человека наружу постоянно идёт поток тепла, наружная поверхность одежды всегда немного теплее окружающего воздуха (конечно, кроме тех случаев, когда температура воздуха много выше 37^оС). С поверхности одежды и с открытых частей тела тепло уходит двумя способами: а) путём конвекции и б) путём излучения.

Конвекцией называют перенос тепла, связанный с движением газа или жидкости. Например, от каждого человека кверху поднимается поток тёплого воздуха, на место которого притекает со стороны холодный. То же происходит вокруг любого нагретого тела, например – батареи отопления. Такой тип теплопередачи называется естественной конвекцией; для человека он не очень эффективен. Значительно больше тепла уносится при принудительной конвекции, когда движение воздуха создаётся внешней причиной (вентилятор, ветер). В этом случае конвекция может стать основной причиной потери тепла.

Количество тепла, теряемое телом за счёт конвекции можно также вычислить по формуле (13), но коэффициент К в этом случае будет зависеть, в первую очередь, от скорости движения воздуха.

Излучение тоже играет существенную толь в теплоотдаче. В обычных комнатных условиях (в том числе, в учебной аудитории) люди путём излучения теряют до 60% тепла. Излучение человека лежит в области инфракрасных лучей (длины волн в диапазоне 3 – 20 микрометров).

Количество тепла, теряемое телом за счёт излучения, вычисляется по формуле: Q_ИЗЛ = σ·( T₁⁴ – T₂⁴).S.t (14). Здесь σ = 5,6.10 ^–8 (в системе СИ; запоминать число не надо), Т₁ –температура поверхности тела, Т₂ – температура окружающих тел. Тут, однако, надо заметить следующее. Воздух почти прозрачен для инфракрасных лучей, поэтому за Т₂ надо брать не температуру воздуха в помещении, а температуру стен, а она может быть заметно ниже температуры воздуха. Например, вполне реальна ситуация, когда лежащий на столе термометр показывает больше 20⁰С (то есть температуру воздуха), а люди в помещении мёрзнут, потому что стены холодные.

При высокой наружной температуре на первый план выступает отдача тепла за счёт испарения. Когда наружная температура приближается к температуре тела, все рассмотренные ранее способы теплоотдачи не работают, потому что разность температур, от которой зависит перенос тепла, делается малой или даже может стать отрицательной.

Количество тепла, уносимое из организма за счёт испарения, можно подсчитать по формуле: Q_ИСП = L· m (15),

где m – масса испарившейся воды , L – удельная теплота испарения воды (2,25^.10⁶ Дж.кг ^–1; запоминать число не надо). У человека испарение, в основном, связано с потоотделением; кроме того, заметную роль играет испарение воды в лёгких. Надо подчеркнуть, что следует учитывать именно количество испарившейся воды, потому что далеко не весь пот фактически испаряется. Здесь очень большое значение имеет влажность воздуха и скорость его движения.

При умеренных и низких температурах испарение тоже уносит часть тепла (в основном, за счёт испарения в лёгких), но большее значение имеют конвекция и излучение.