Види теплообміну в життєдіяльності людини

Теплопровідність між поверхнею людського тіла і предметами середовища проживання здійснюється в результаті безпосереднього прямого контакту. При цьому виді теплообміну перенесення теплової енергії має яскраво виражений атомномолекулярний характер і не пов'язаний з макрорухи навколишнього людини повітряному або водному середовища.

Кількість енергії, що передається в результаті теплообміну між людиною і об'єктами навколишнього середовища в тому чи іншому напрямку, залежить від коефіцієнта теплопровідності і градієнта температур контактуючих поверхонь.

Тактильна чутливість (від лат. Tactilis - дотиковий), притаманна знаходяться в людській шкірі чутливих волокнах (так званим рецепторам), дозволяє людині досить точно розпізнавати не тільки форму, а й температуру взаємодіючих з ним об'єктів. При цьому температура самої шкіри, дотичної з зовнішнім середовищем, зазвичай нижче нормальної температури всього організму в цілому. Проведені дослідження показують, що за суб'єктивними відчуттями людина оцінює температуру 34 ° С як нормальну (комфортну) температуру поверхні своєї шкіри. Температура поверхні шкіри 29 і 37 ° С оцінюється людиною відповідно як "дуже холодно" і "дуже жарко". Починаючи з температури шкіри 40-45 ° С у людини вже можуть бути присутніми больові відчуття. Останній факт відіграє велику роль у тих обмеженнях, які існують в правилах техніки безпеки та охорони праці по нормуванню зовнішніх теплових випромінювань, що діють на людину.

Променистий теплообмін між людським організмом і середовищем проживання обумовлений теплоізлучательной здатністю більш нагрітого об'єкта по відношенню до менш нагрітого і відбувається внаслідок відповідно випускання і поглинання цими об'єктами електромагнітного випромінювання. При цьому напрямок такого променистого (радіаційного) теплообміну зумовлено дією другого закону термодинаміки, а загальна кількість переданої енергії теплоизлучения залежить в основному від різниці абсолютних температур Т1 (поверхні людини) і Т 2 (поверхні об'єктів зовнішнього середовища), зведених в четвертому ступінь. Залежно від співвідношення зазначених температур величина ТЕПЛОБАЛАНС людини і навколишнього середовища в результаті тільки променистого теплообміну буде свідчити або про теплових втратах людського організму (при Т 1> Т 2), або про його зовнішніх теплових навантаженнях (при Т 1 2).

У першому випадку при нормальних умовах людина втрачає шляхом радіаційного тепловипромінювання до 45% надлишкового виробляється організмом тепла, що є одним із важливих чинників забезпечення його комфортного або допустимого стану.

У другому випадку існують досить жорсткі обмеження, що накладаються на інтенсивність зовнішнього теплоизлучения або теплооблученія (YT) і забезпечують безпеку життєдіяльності людини. Під такого роду інтенсивністю розуміється потужність (U T) зовнішнього теплового потоку енергії, яка припадає на доступну (відкриту) для дії цього теплового опромінення одиницю поверхні (Sо), Вт / м2:

YT = UT / So.

Для людського організму існуючі нормативи обмежують інтенсивність зовнішнього теплового випромінювання (опромінення) наступними безпечними граничними величинами:

  • • при So ≥ 50% всієї поверхні тіла людини - Υ т ≤ 35 Вт / м2;
  • • при 25% ≤ So <50% всієї поверхні тіла людини - Υ т ≤ 70 Вт / м2;
  • • при S o <25% всієї поверхні тіла людини - Υ т ≤ 100 Вт / м2.

Враховуючи, що загальна поверхня тіла людини масою 70 кг і зростом 170 см становить близько 1,8 м2, неважко розрахувати допустимі безпечні межі площі відкритої поверхні людського тіла для наведених вище різних інтенсивностей зовнішнього теплового випромінювання (опромінення).

Про те, наскільки критичним є людський організм по відношенню до зовнішніх теплових впливів, можна судити хоча б з такого факту, що на зовнішньому кордоні атмосфери інтенсивність сонячного радіаційного випромінювання, спрямованого до Землі, усереднено складає 1 370 Вт / м2. Величина цього випромінювання в середньому залишається незмінною і носить назву сонячної постійної. Проте навіть з урахуванням приблизно п'ятикратного ослаблення земною атмосферою енергії сонячного випромінювання біля поверхні нашої планети в екваторіальних областях в безхмарний опівдні максимальна інтенсивність теплового радіаційного потоку на перпендикулярну йому поверхня становить близько 270 Вт / м2, що зовсім не є нешкідливим для людини при опроміненні відкритих ділянок його тіла і, безумовно, вимагає їх ефективного захисту.

Для робочих місць вважається допустимою інтенсивність зовнішнього теплового опромінення в межах 350 Вт / м2 при використанні спеціальних теплозахисних засобів (теплових екранів, систем вентиляції).

Теплозахисні екрани за своїм принципом дії розрізняються на теплоотражающие (алюмінієва фольга, лист), теплопоглинальні (вогнетривке скло, цегла, бетон) і тепловідвідні (з проточним охолодженням водою або рідким азотом). Ефективність використання таких теплозахисних екранів оцінюється у відсотках як відношення затриманого екраном кількості теплової енергії до її спочатку измеренному рівню без використання екрану:

де - інтенсивність теплового опромінення робочого місця або об'єкта відповідно без і при використанні теплозахисного екрана.

Нормируемая ефективність застосування теплозахисних екранів, як правило, не буває менше 50% і рідко перевищує 98%. Існуюча реально величина вимірюється приладами, а величина задається виходячи з наведених вище допустимих значень інтенсивності зовнішнього радіаційного теплового потоку опромінення для людини або його робочого місця.

Конвективний теплообмін між тілом людини і навколишнім середовищем обумовлений макрорухи що стикається з людським організмом повітря як при його зовнішньому контакті зі шкірою, так і при його вдиханні людиною. На частку конвективного теплообміну припадає до 30% всього теплового балансу людини. При цьому кількість тепла, передане конвекцією, істотно залежить від різниці температур людського тіла і навколишнього середовища.

Крім того, на конвективний теплообмін сильно впливають відносна швидкість руху людини і навколишнього середовища, а також вологість і тиск останньої. Наприклад, при відносному спокої людини і навколишнього середовища товщина прогрітого людським тілом повітряного шару становить близько 8 мм, а вже при відносній швидкості руху повітря 2 м / с товщина цього шару зменшується до 1 мм, засвідчуючи про багаторазове збільшення конвективного теплообміну.

Конвекція навколишнього середовища досить тісно пов'язана з вже розглянутої вище теплопровідністю цього середовища. Так, широко відомими є факти настання швидкого переохолодження людського організму при випадковому або навмисному знаходженні людей в холодній воді без спеціального спорядження (гідрокостюмів). Як показують узагальнені результати статистичних спостережень (рис. 3.2.), Через істотно більш високій теплопровідності води в порівнянні з повітрям більш-менш безпечне для здоров'я людини перебування у воді при її температурі 10 ° С досягає 1 год, а при температурі води 5 ° С не перевищує 25 хв.

Забезпечення комфортних і безпечних умов купа в значній мірі залежить від правильного підбору одягу людини. На графіках, представлених на рис. 3.3 і відображають результати експериментальних досліджень Національного американського космічного агентства (NASA), показана переносимість людським організмом різних температур залежно від виду одягу. Відносна швидкість руху повітря при цьому становила близько 1 м / с, тиск - 1 атм, а відносна вологість - не більше 50%. Вихід графіків на горизонтальні ділянки свідчить про комфортність стану людини при даній температурі повітря в часі.

Переносимість людиною перебування у воді без спеціального спорядження

Рис. 3.2. Переносимість людиною перебування у воді без спеціального спорядження:

I - допустимі (стерпні) температурні умови; II - екстремальні (ледь переносяться) температурні умови з 50% смертельним результатом; III - сверхекстремальние (смертельні) температурні умови

Переносимість людиною перебування на повітрі в різних видах одягу

Рис. 3.3. Переносимість людиною перебування на повітрі в різних видах одягу:

I - легка спецодяг; II - спецодяг з вовняним білизною; III - льотний комплект спецодягу

Тепловіддача випаровуванням відбувається шляхом випаровування плати з поверхні людського тіла і є для людини досить ефективним способом скидання надлишків метаболічного тепла. На частку випаровування припадає до 25% витрачається людським організмом теплової енергії. При цьому в стані спокою і температурі повітря близько 15 ° С потовиділення досить незначно, якщо становить протягом 1 год не понад 30 мл. Однак при високій температурі і виконанні важкої роботи, наприклад в "гарячих" цехах, потовиділення людини може збільшуватися до 1-1,5 л / год, тобто більш ніж в 30 разів.

Незважаючи на те, що випаровування навіть 1 г вологи супроводжується втратою організмом 2,43 кДж (0,58 ккал) теплової енергії, велика кількість виділяється людиною поту, як правило, не випаровується, а затримується тканиною одягу або просто змахує людиною у вигляді крапель. У зв'язку з цим більш постійним є витрата теплової енергії через органи дихання людини, яка становить близько 13% його загальних тепловтрат.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >