Терморегуляция организма человека и влияние на нее метеорологических параметров

ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ  ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА И ВЛИЯНИЕ  НА НЕЕ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Температура, влажность, скорость воздушного потока, инфракрасные излучения в помещении могут  существенно влиять и на организм человека. Надежной защитой от негативного  влияния микроклиматических условий  является кожный покров человека. Он, как  защитный экран, также защищает человека от проникновения патогенных микроорганизмов. Масса кожного покрова составляет в среднем около 20% от массы тела. При оптимальных условиях среды, кожный покров выделяет за сутки до 650г влаги и 10г CO₂. При критических ситуациях за час организм только через кожный покров может выделить от 1 до 3,5л воды и значительное количество солей.

Центральная нервная  система человека для обеспечения  жизнедеятельности имеет механизмы, которые до определенного предела  снижают влияние вредных и  опасных факторов окружающей среды. Одним из таких факторов является температура воздуха.

При изменении температуры  окружающей среды, температура тела сохраняется постоянной за счет равновесия между теплопроводностью и теплоотдачей (для здорового человека температура  тела составляет 36,5 - 36,7⁰С).

В результате окислительно-восстановительных процессов при усвоении пищи, в организме человека образуется тепло. На работу мышц затрачивается лишь 1/8 всего вырабатываемого тепла, остальная часть выделяется в окружающую среду для поддержания теплового баланса организма. Даже в условиях полного покоя в организме взрослого человека вырабатывается около 7,5*10⁶ Дж/сут тепловой энергии. При физической работе тепловыделение увеличивается до 2,1*10⁷-..2.5*10⁷ Дж/сут.

Человеческий организм отдает или воспринимает тепловую энергию  путем конвекции, излучения, теплопроводностью (кондукция) и испарения. В повседневной жизни теплообмен человека чаще происходит в результате конвекции и излучения. Однако, имеет место и кондукция, когда человек непосредственно контактирует поверхностью тела с предметами (оборудование и т.п.). Вышеизложенные способы переноса тепловой энергии обеспечивают теплообмен между телом и окружающей средой. При этом избыточное тепло отдается в окружающую среду:

через органы дыхания - около 5%, излучением - 40%, конвекцией - 30%, испарением - 20%, при нагревании пищи и воды в пищеварительном тракте - до 5%.

Неблагоприятные условия  могут вызывать перенапряжение механизма  терморегуляции, что ведет к перегреву  или переохлаждению организма.

Конвекцию, излучение, теплопродукцию еще называют в общем, явной теплоотдачей. Соотношения  составляющих теплоотдачи, их количественные характеристики достаточно хорошо изучены.

Вышеперечисленные виды теплообмена можно описать  уравнением теплового баланса организма  человека с окружающей средой:

(2.2.3)

где М - метаболическое тепло, Вт;

W - тепловой эквивалент  механической работы, Вт;

Q_с - теплоотдача путем испарения, Вт;

Q_к - конвективная теплоотдача, Вт;

Q_р - радиационная теплоотдача, Вт;

Q_т - теплоотдача за счет теплопроводности (кондукция), Вт.

В холодный период года, когда t_в<t_r, конвективная теплоотдача составляет примерно 32 - 35% всей теплоотдачи. К конвекции также относят и тепло, отдаваемое путем теплопроводности, составляющее 2 - 3% от конвективного тепла. Основная часть конвективного тепла отводится с поверхности кожи и частично через одежду. Если температура окружающего воздуха выше температуры поверхности тела, организм человека воспринимает тепло.

Потери теплоты  путем излучения определяется излучающей способностью поверхности тела и  температурой окружающих ограждений и  предметов (стены, окна, мебель). Количество этого тепла составляет порядка 42 - 52% от всего количества отдаваемого  тепла.

Отвод теплоты за счет испарения воды зависит от количества принятой пищи и от величины производимой мускульной (физической) работы.

Теплоотдачу испарением можно разделить на две составляющие, образующиеся в результате невидимого испарения (несенсибильная перспирация) и потоотделения (сенсибильная перспирация).

При температуре  ниже температуры кожи человека количество испаряемой влаги остается практически  постоянным. При более высоких  температурах влагоотдача возрастает. Потоотделение начинается при температуре  окружающего воздуха 28 - 29 С, и при температуре выше 34 С теплоотдача вследствие испарения и потоотделения является единственным способом теплоотдачи организма.

Этот вид теплоотдачи  значительно меняется при наличии  одежды. Даже лежащая под кожей  жировая ткань, представляет собой  плохой проводник тепла, уменьшает  эту теплоотдачу.

Человеческий организм имеет возможность при помощи механизма терморегулирования поддерживать постоянную температуру тела. Говоря, о постоянстве температуры, подразумевается  температура внутренних органов  так, как поверхностная температура  различных участков тела значительно  различается. При нормальных условиях внутренняя температура организма  поддерживается на уровне 370,5 С. Механизм регулирования температуры человеческого организма разделяют на процессы химической регуляции, связанные с теплопродукцией, и процессы физической регуляции, связанные с теплоотдачей. Оба механизма управляются нервной системой.

Терморегуляция - это  способность организма регулировать теплообмен с окружающей средой, поддерживая  температуру тела на постоянном уровне(36,6 +-0,5⁰С). Поддержание теплообмена происходит путем увеличения или уменьшения передачи тепла в окружающую среду (физическая терморегуляция) или изменения количества вырабатываемого в организме тепла (химическая терморегуляция).

При комфортных условиях количество вырабатываемого тепла  в единицу времени равняется  количеству тепла, отдаваемого в  окружающую среду, т.е. наступает равновесие - тепловой баланс организма.

Физическая  терморегуляция

В условиях, когда  температура окружающей среды значительно  ниже 30⁰С и влажность меньше 75%, действуют все виды теплообмена: Если температура окружающей среды выше температуры кожного покрова, то происходит поглощение тепла организмом. При этом теплоотдача осуществляется лишь путем испарения влаги с поверхности тела и верхних дыхательных путей при условии, что воздух еще не насыщен водяными парами. При высокой температуре окружающей среды механизм теплоотдачи связан с понижением теплопроводности, усилением потоотделения.

При температуре  воздуха 30⁰С и значительном тепловом излучении от нагретых поверхностей оборудования наступает перегрев организма, наблюдается нарастающая слабость, головная боль, шум в ушах, искажение цветового восприятия, возможен тепловой удар. Сосуды кожи резко расширяются, кожа розовеет за счет увеличения притока крови. В дальнейшем усиливается рефлекторная работа потовых желез, и влага выделяется из организма. При испарении 1 литра воды выделяется 2,3*10⁶ Дж тепловой энергии. При высоких температурах окружающего воздуха у человека происходит бурное профузное потоотделение. В таких условиях он за смену может потерять до 5 кг своей массы за счет влаги. Вместе с потом организм выделяет большое количество солей, главным образом, хлористого натрия (до20-50г за сутки), а также калий, кальций, витамины. Чтобы предотвратить нарушение водно-солевого обмена при выполнении тяжелой физической работы в зоне повышенной температуры, необходимо проводить редегидротацию организма, например, работники должны пить подсоленную воду (0,5%-ный раствор с витаминами).

При высоких температурах происходит большая нагрузка на сердечно-сосудистую систему. При перегреве увеличивается, а затем уменьшается выделение желудочного сока, поэтому возможны заболевания желудочно-кишечного тракта. Обильное выделение пота снижает кислотный барьер кожи, от чего возникают гнойничковые заболевания. Высокая температура внешней среды усиливает степень отравлений при работе с химическими веществами.

Химическая  терморегуляция

Химическая терморегуляция происходит в тех случаях, когда  физическая терморегуляция не обеспечивает тепловой баланс. Химическая терморегуляция заключается в изменении скорости протекания окислительно-востановительных реакций в организме: скорости сжигания питательных веществ и, соответственно, выделяемой энергии. При невысокой температуре окружающей среды происходит увеличение теплообразования, а при повышенной - уменьшение. Переохлаждение может иметь место при низкой температуре, особенно в сочетаниях с высокой влажностью и подвижностью воздуха. Повышение влажности и подвижности воздуха понижает термическое сопротивление воздушной прослойки между кожным покровом и одеждой. Охлаждение же организма (гипотермия) является причиной миозитов, невритов, радикулитов, а также простудных заболеваний. В особо тяжелых случаях воздействие низких температур приводит к обмораживанию, и даже к смерти.

При низкой температуре  терморегуляция наблюдается сужение  сосудов, повышение обмена веществ, использование углеводных ресурсов и др. В зависимости от действия тепла или холода значительно  меняется просвет периферических сосудов. В связи с этим изменяется кровообращение: например, для кисти и предплечья при низкой температуре окружающей среды оно может уменьшиться  в 4 раза, а при высокой температуре - увеличивается в 5 раз. При воздействии  холода циркуляция крови перераспределяется, активизируется мышечная деятельность - появляется дрожь, «гусиная кожа». Поэтому  зимой в холодных климатических  поясах увеличивается потребление  жиров, углеводов, белков - основных энергетических источников в организме. При низких температурах большая влажность  неблагоприятна. В сырую погоду при  температуре 0-8⁰С возможно переохлаждение и даже обморожение. К распространенному явлению, возникающему при работе в условиях низких температур, относится спазм сосудов, который проявляется побелением кожи, потерей чувствительности, затруднением движений. В первую очередь подвержены этому процессу пальцы рук и ног, кончики ушей. В этих местах появляются припухлость с синеватым оттенком, зуд и жжение. Эти явления долго не исчезают и повторно происходят даже при незначительном охлаждении. Переохлаждение снижает защитные силы организма, предрасполагает к заболеваниям органов дыхания, в первую очередь к острым респираторнымным заболеваниям, обострениям суставного и мышечного ревматизма, появлению крестцово-поясничного радикулита.

Значительное количество тепла (избыточное тепло) поступает  в помещение при работе технологического оборудования. В зависимости от количества выделяемого тепла производственные помещения делятся на холодные, характеризующиеся  незначительным избытком явного тепла (не более 90 Кдж/ч на 1м³ помещения) и горячие, характеризующиеся большими избытками тепла (более 90 КДж/ч на 1м³ помещения).

Существенную роль на жизнедеятельность человека оказывает  влажность воздуха. Влажность более 80% нарушает процессы физической терморегуляции. Физиологически оптимальной является относительная влажность 40-60%. Относительная  влажность менее 25% приводит к высыханию  слизистых оболочек и снижению защитной деятельности мерцательного эпителия верхних дыхательных путей, что  приводит к ослаблению организма  и снижается работоспособность.

Человек начинает ощущать движение воздуха при  скорости 0,1 м/с. Легкое движение воздуха  при обычных температурах способствует хорошему самочувствию. Большая скорость движения воздуха ведет к сильному охлаждению организма. Высокая влажность  воздуха и слабое движение воздуха  существенно уменьшают испарение  влаги с поверхности кожи. В  связи с этим, санитарными нормами  микроклимата производственных помещений  установлены оптимальные и допустимые параметры микроклимата производственных помещений. Метеорологические и  микроклиматические условия играют важнейшую роль в труде и отдыхе. Особое значение приобретает оценка и учет санитарно-гигиенических  условий для работников, выполняющих  большую часть своих функциональных обязанностей, таких как ликвидация последствий аварий, стихийных бедствий, оказание помощи населению, оцепление  опасных участков и т.д., на рабочих  местах, находящихся вне зданий и  сооружений. При температуре воздуха 25-33⁰С предусмотрен специальный режим работы и отдыха при обязательном кондиционировании воздуха. При температуре 33⁰С работы на открытом воздухе должны быть прекращены.

В холодный период года (температура наружного воздуха  ниже 10⁰С) режим труда и отдыха зависит от температуры и скорости воздуха, а в северных широтах - от степени жесткости погоды. Степень жесткости характеризуется температурой и скоростью движения воздуха. Увеличение скорости воздуха на 1 м/с соответствует понижению температуры воздуха на 2⁰С.

При первой степени  жесткости погоды (-25⁰С) предусматриваются 10-минутные перерывы на отдых и обогрев через каждый час работы. При второй степени (от -25 до -30⁰С) предусматриваются 10-минутные перерывы через каждые 60 минут от начала работы и после обеда и через каждые последующие 50 минут работы. При третьей степени жесткости (от -35 до -45⁰С) предусматриваются перерывы на 15 минут через 60 мин. от начала смены и после обеда и через каждые 45 минут работы. При температуре окружающего воздуха ниже-45⁰С работы на открытом воздухе ведутся в исключительных случаях с установлением определенных режимов труда и отдыха.

Метеорологические условия определяют возможность  ведения или остановку большинства  строительных работ. Производство работ  при сильном снегопаде, тумане, плохой освещенности должно быть прекращено. Например, монтажные работы и работы крана при силе ветра 10 м/с должны быть прекращены, а при скорости 15 м/с кран должен быть закреплен  противоугонными приспособлениями. Метеорологические условия могут  повлиять на производительность труда, их негативное воздействие может  привести к накоплению утомления  и ослаблению организма и, как  следствие, к несчастным случаям  и развитию профессиональны заболеваний.

Основными параметрами, обеспечивающими  процесс теплообмена человека с  окружающей средой, как было показано выше, являются параметры микроклимата. В естественных условиях на поверхности  Земли (уровень моря) эти параметры  изменяются в существенных пределах. Так, температура окружающей среды  изменяется от -88 до +60 °С; подвижность  воздуха –от 0 до 100 м/с; относительная влажность–от 10 до 100% и атмосферное давление –от 680 до 810 мм рт. ст. 
 
Вместе с изменением параметров микроклимата меняется и тепловое самочувствие человека. Условия, нарушающие тепловой баланс, вызывают в организме реакции, способствующие его восстановлению. Процессы регулирования тепловыделений для поддержания постоянной температуры тела человека называются терморегуляцией. Она позволяет сохранять температуру внутренних органов постоянной, близкой к 36,5 °С. Процессы регулирования тепловыделений осуществляются в основном тремя способами: биохимическим путем; путем изменения интенсивности кровообращения и интенсивности потовыделения. 
Терморегуляция биохимическим путем заключается в изменении интенсивности происходящих в организме окислительных процессов. Например, мышечная дрожь, возникающая при сильном охлаждении организма, повышает выделение теплоты до 125...200Дж/с. 
Терморегуляция путем изменения интенсивности кровообращения заключается в способности организма регулировать подачу крови (которая является в данном случае теплоносителем) от внутренних органов к поверхности тела путем сужения или расширения кровеносных сосудов. Перенос теплоты с потоком крови имеет большое значение вследствие низких коэффициентов теплопроводности тканей человеческого организма–0,314...1,45 Вт/(м'°С) При высоких температурах окружающей среды кровеносные сосуды кожи расширяются, и к ней от внутренних органов притекает большое количество крови и, следовательно, больше теплоты отдается окружающей среде. При низких температурах происходит обратное явление: сужение кровеносных сосудов кожи, уменьшение притока крови к кожному покрову и, следовательно, меньше теплоты отдается во внешнюю среду (рис. 1.2). Как видно из рис. 1.2, кровоснабжение при высокой температуре среды может быть в 20...30 раз больше, чем при низкой. В пальцах кровоснабжение может изменяться даже в 600 раз. 
Терморегуляция организма осуществляется одновременно всеми способами. Так, при понижении температуры воздуха увеличению теплоотдачи за счет увеличения разности температур препятствуют такие процессы, как уменьшение влажности кожи, и следовательно, уменьшение теплоотдачи путем испарения, снижение температуры кожных покровов за счет уменьшения интенсивности транспортирования крови от внутренних органов, и вместе с этим уменьшение разности температур. 
Параметры микроклимата воздушной среды, которые обусловливают оптимальный обмен веществ в организме и при которых нет неприятных ощущений и напряженности системы терморегуляции, называются комфортными или оптимальными. Зона, в которой окружающая среда полностью отводит теплоту, выделяемую организмом и нет напряжения системы терморегуляции, называется зоной комфорта. Условия, при которых нормальное тепловое состояние человека нарушается, называются дискомфортными. При незначительной напряженности системы терморегуляции и небольшой дискомфортности устанавливаются допустимые метеорологические условия.