Тепловой баланс

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

Тепловой баланс достигается координацией процессов, направленных на образование тепла в организме (теплопродукция) и его выведение (теплоотдача). Он осуществляется аппаратом 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 (33,5ºС) 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 (j) 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 (также, 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 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 печени), 20% – в скелетных мышцах и центральной нервной системе, 10% – 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 колеблется 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.

Для определения основного обмена необходимо, чтобы исследуемый человек находился в состоянии мышечного покоя (положение лёжа с расслабленной мускулатурой), не подвергаясь раздражителям, натощак, т. е. через 12÷16 часов после приёма пищи; при температуре "комфорта" – 18÷20º т. е. при температуре, не вызывающей ощущения холода или дрожи, не дающей перегревания тела.

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 одеждой и жилищем, эти изменения значительно менее выражены, чем у животных.