Тепловой баланс в человеческом организме и причины его нарушения

4-5.1.1. Человек как самодвижущийся тепловой источник

С термодинамической точки зрения тело человека — это как бы мотор. Он требует, как и в технических двигателях, топливоподачи. Топливом в таком случае считается еда, другими словами углеводы, белки и жиры.

После попадания в организм пищевые вещества вовлекаются взамен веществ (метаболизм) и сжигаются с образованием обычных соединений, по большей части CO.2 и H.2А.

В данном процессе высвобождается энергия. В мышцах он может частично преобразовываться в энергию механического типа, выявляясь в виде изометрических или изотонических сокращений.

Подавляющее большинство (более 80%), как и в двигателе, — это тепло. Мы называем их своим теплом или эндогенным теплом.. Он физически аналогичен теплу, полученному от экстракорпоральных источников, к примеру, от солнечных лучей, лампочки, печи, обогревательного прибора и т. Д., Которое мы определяем как экзогенное тепло.. Эндогенные и экзогенные названия были введены для облегчения последующего обсуждения..

Тепловыделение по всему телу неодинаково. Некоторые органы вызывают его меньше, иные — больше. Это зависит, например, от от ситуации, в которой находится человек.

У человека главным источником тепла в состоянии покоя являются органы полости живота, по большей части печень, отвечающая за 50% тепла, выделяемого в данных условиях. Во время тренировок метаболизм возрастает, и возрастает тепловыделение. Тогда более 75% тепла происходит благодаря сокращения скелетных мышц..

Возвращаясь к аналогичности тела человека с двигателем, стоит выделить, что, в отличии от мотора, тело нельзя полностью остановить, а потом запустить по-новому. В живом организме функция настолько хорошо связана со структурой, что ее остановка приводит к срочному разрушению структуры.

Есть нижний предел, ниже которого метаболизм замедляться не может. Мы называем эту границу ключевой вещественный обмен PPM. Если ваш метаболизм ниже этого предела, это смертельно..

Тепловыделение взрослым здоровым человеком, находящимся в состоянии покоя в зоне теплового комфорта, составляет 4,184 кДж · кг массы тела -1 · час -1. Как легко подсчитать, человек с массой тела 70 кг, лежащий в лежачем положении, в полной неподвижности выделяет приблизительно 293 кДж тепла в течение часа, другими словами приблизительно 80 Вт в лампочке..

В момент перехода в активное состояние, другими словами при запуске физических усилий, метаболизм возрастает и в крайних случаях может достигать 50 кДж мин -1. .

Метаболизм требует участия конкретных катализаторов, именуемых ферментами. Активность ферментов в большинстве случаев зависит от температуры тканей.

Если он падает или подымается за пределы допустимого диапазона (несколько градусов по Цельсию), то ферменты перестают работать подобающим образом, нарушая вещественный обмен. Поэтому температура тела, другими словами баланс между выделением тепла и выделением тепла в находящуюся вокруг среду, должна быть относительно постоянной.

Впрочем во всем теле это не тоже самое. Систематическая температура, измеренная в прямой кишке, составляет 37 ± 0,5 o C, можно сказать исключительно о внутренней части тела.

С другой стороны, температура внешних слоев тела, расположенных приблизительно в 10 мм от поверхности, в большинстве случаев ниже и отличается от температуры в середине на пару градусов. Самочувствие человека в термическом смысле зависит от температуры в середине его тела..

Тепловой баланс в человеческом организме и причины его нарушения

4-5.1.1. Человек как самодвижущийся тепловой источник

С термодинамической точки зрения тело человека — это как бы мотор. Он требует, как и в технических двигателях, топливоподачи. Топливом в таком случае считается еда, другими словами углеводы, белки и жиры.

После попадания в организм пищевые вещества вовлекаются взамен веществ (метаболизм) и сжигаются с образованием обычных соединений, по большей части CO.2 и H.2А.

В данном процессе высвобождается энергия. В мышцах он может частично преобразовываться в энергию механического типа, выявляясь в виде изометрических или изотонических сокращений.

Подавляющее большинство (более 80%), как и в двигателе, — это тепло. Мы называем их своим теплом или эндогенным теплом.. Он физически аналогичен теплу, полученному от экстракорпоральных источников, к примеру, от солнечных лучей, лампочки, печи, обогревательного прибора и т. Д., Которое мы определяем как экзогенное тепло.. Эндогенные и экзогенные названия были введены для облегчения последующего обсуждения..

Тепловыделение по всему телу неодинаково. Некоторые органы вызывают его меньше, иные — больше. Это зависит, например, от от ситуации, в которой находится человек.

У человека главным источником тепла в состоянии покоя являются органы полости живота, по большей части печень, отвечающая за 50% тепла, выделяемого в данных условиях. Во время тренировок метаболизм возрастает, и возрастает тепловыделение. Тогда более 75% тепла происходит благодаря сокращения скелетных мышц..

Возвращаясь к аналогичности тела человека с двигателем, стоит выделить, что, в отличии от мотора, тело нельзя полностью остановить, а потом запустить по-новому. В живом организме функция настолько хорошо связана со структурой, что ее остановка приводит к срочному разрушению структуры.

Есть нижний предел, ниже которого метаболизм замедляться не может. Мы называем эту границу ключевой вещественный обмен PPM. Если ваш метаболизм ниже этого предела, это смертельно..

Тепловыделение взрослым здоровым человеком, находящимся в состоянии покоя в зоне теплового комфорта, составляет 4,184 кДж · кг массы тела -1 · час -1. Как легко подсчитать, человек с массой тела 70 кг, лежащий в лежачем положении, в полной неподвижности выделяет приблизительно 293 кДж тепла в течение часа, другими словами приблизительно 80 Вт в лампочке..

В момент перехода в активное состояние, другими словами при запуске физических усилий, метаболизм возрастает и в крайних случаях может достигать 50 кДж мин -1. .

Метаболизм требует участия конкретных катализаторов, именуемых ферментами. Активность ферментов в большинстве случаев зависит от температуры тканей.

Если он падает или подымается за пределы допустимого диапазона (несколько градусов по Цельсию), то ферменты перестают работать подобающим образом, нарушая вещественный обмен. Поэтому температура тела, другими словами баланс между выделением тепла и выделением тепла в находящуюся вокруг среду, должна быть относительно постоянной.

Впрочем во всем теле это не тоже самое. Систематическая температура, измеренная в прямой кишке, составляет 37 ± 0,5 o C, можно сказать исключительно о внутренней части тела.

С другой стороны, температура внешних слоев тела, расположенных приблизительно в 10 мм от поверхности, в большинстве случаев ниже и отличается от температуры в середине на пару градусов. Самочувствие человека в термическом смысле зависит от температуры в середине его тела..

Тепловой баланс — это базовое понятие, нужное для понимания проблем теплопередачи между человеческим телом и внешней средой. Это значит результат между эндогенным теплом и экзогенным теплом, воздействующим на тело..

Большое содержание воды в человеческом организме, составляющее от 60 до 70% массы тела, приводит к тому, что удельная теплоемкость тканей высока и составляет примерно 3,47 кДж · кг -1 · К -1. Потому как человек регулярно выделяет тепло, даже когда он полностью отдыхает, лишенный возможности отдавать эндогенное тепло, он станет подвергаться повышению температуры тела со скоростью:

<

Тепловой баланс в организме человека и причины его нарушения

Представленный расчет показывает, что после 4 часов нахождения в подобных условиях перегрев системы будет опасен для жизни. Если бы рассматриваемый нами человек усердно работал физически с расходом энергии 50 кДж · мин -1, тепло, выделяющееся и накопляемое в его теле, вызывало бы температурное увеличение тела со скоростью 12 К · ч -1. Уже через 15 минут он достигнет опасного для жизни уровня (л.1). .

<

Тепловой баланс в организме человека и причины его нарушения

Теплообмен между человеческим телом и внешней средой происходит по большей части через кожу, которая у взрослого человека площадь имеет около 1,8 м2 (немного тепла отдается через легкие, нагревая вдыхаемый воздух, а еще за счёт выделения мочи и фекалий). Его проводимость тепла зависит от степени кровоснабжения.

Чем больше он снабжен кровью (т.е. чем больше в нем воды), тем больше проводимость. Он находится в диапазоне от 3,14 (анемизированная кожа) до 14,64 кДж · м -1 · с -1 · K -1 (кожа с самым большим кровотоком).

Теплообмен между кожей и внешней средой, очень часто воздухом, — не простое явление. Он состоит из четырех процессов. Три из них, именуемые сухим обменом, — это проводимость, подъемная сила и излучение. Четвертый — это выделение и парообразование пота с кожной поверхности (л. 2). .

<

Тепловой баланс в организме человека и причины его нарушения

Он заключен в обмене тепла телом при контакте с кожей. Оно небольшое, когда это тело, как это часто бывает, воздушное. В случае воздуха она составляет 0,023 кДж · м -1 · с -1 · К -1, она в 25 раза больше — при контакте кожи с водой и более чем в 1000 раза больше — когда кожа примыкает к стальной пластине.

Нужно понимать практический нюанс данного факта и принципиально не покрывать металлом поверхности технических элементов, контактирующих с человеческой кожей (сиденья, спинки, подножки, пол и т. Д.). Воздух — замечательный изолятор, к примеру, в одежде — чем больше воздуха в ткани, тем ниже ее проводимость тепла..

Принцип данного явления состоит в том, что молекулы воздуха (либо другой среды, к примеру, воды), контактирующие с кожей, греются и через определенный промежуток времени поднимаются вверх. Они тоже могут остынуть, если кожа остыла, а потом упасть вниз.

Их место занимают новые частицы, которые через определенный промежуток времени встречаются с судьбой собственных предшественников. Причина движения молекул воздуха — изменение его плотности при изменении температуры.

Подобным образом, если кожа горячее, чем воздух, прилипший к ней, то рядом с ней создается конвекционный поток снизу вверх. Если температурный градиент наоборот, указанный ток направлен сверху вниз.

Эти потоки воздуха, известны как природная конвекция, можно сделать быстрее и сделать очень эффектными при помощи вентилятора, вентилятора или нагнетателя. Тогда это понудительная конвекция.

Конвекция — самый рациональный способ обогрева или охлаждения тела, так как, кроме большой эффективности, она имеет то превосходство, что происходит благодаря энергии снаружи. Впрочем требует умелого использования..

Скорость воздуха должна быть приспособлена к тепловой ситуации, в какой находится человек, предпочтительно регулируемой им самим (лист 3). Очень большое охлаждение может вызвать переохлаждение тела и быть опасным для вашего здоровья. Техническое решение, близкое к безупречному, — это, к примеру, система охлаждения в салонах современных пассажирских самолетов в виде индивидуальной воздушной подачи на каждого пассажира, с возможностью регулирования..

<

Тепловой баланс в организме человека и причины его нарушения

Он построен на излучении через кожу электромагнитного излучения в диапазоне от 2 до 20 мкм с самым большим значением 9 мкм. Температурное увеличение на 10 K повышает отдачу тепла за счёт излучения приблизительно на 63 кДж.

На инфракрасных фотографиях вокруг тела человека виден светящийся ореол, вызванный этим излучением. Теплообмен излучением по большей части зависит от разности четвертых степеней температур безусловных поверхностей, обращенных друг к другу.

Прямолинейное распространение излучения вызывает образование теней, которые необходимо применять в защитной процедуре. В промышленности люди часто подвержены интенсивному излучению от печей, загрузочных ям, котлов, солнечного света и т. Д. В подобной ситуации человек может получить огромное количество тепла на поверхности тела, обращенной к теплообменнику, при этом теряя тепло, которое находится с другой стороны. в тени.

Примером послужит отдыхающий, греющийся в зимний солнечный день на шезлонге. Он отводит тепло от солнечных лучей, отдавая его нижней частью тела снегу.

Хотя в подобной ситуации мужчина может поддерживать одинаковый тепловой баланс, тут есть оговорки. Во-первых, кожа, подвергшаяся сильному радиационному действию, может обжечься, а сторона тела в тени может опасно остынуть. Второе, теплопередача в середине тела с одной стороны на иную требует очень прочного кровотока и создаёт нагрузку на кровообращение..

До этих пор обсуждаемые методы теплопередачи между человеком и его тепловой средой имеют то превосходство, что, в зависимости от температурного градиента, тепло течет в одном или другом направлении. Иначе говоря человек может подобным образом потерять избыток тепла или компенсировать его минус. К примеру, электрическая подушка обеспечивает проводимость тепла, вентилятор — конвекцию, а отопительный прибор — излучение..

Впрочем известно, что человек может некоторое время находиться в условиях, когда градиенты температуры в каждом из трех случаев направлены ему навстречу, однако при этом тело не перегревается. Это реально благодаря четвертому способу теплопередачи организмом, другими словами потоотделению и испарению пота..

Кожа должна регулярно приспособиться к меняющимся формам тела. Это требует его ощутимой эластичности, которая обеспечивается имеющейся в нем водой. Между тем кожа регулярно пересыхает.

Потеря воды уменьшается на 60% кератина, мозолистого слоя сосочкового слоя дермы, покрытого маленьким количеством сала кожи. Не обращая внимания на эту защиту, кожа теряет около 300 мл воды в течении дня из-за диффузии.

Испаряющаяся вода забирает у кожи определенное количество тепла, эквивалентное теплоте испарения воды, т.е. 2,26 кДж · мл -1. Когда температура подымается выше 25 o C (рассуждение касается полностью отдыхающего человека), кол-во выделяемой воды дополнительно возрастает за счёт секреции потовых желез на коже.

Механизм испарения пота — самый прекрасный способ отвода тепла в находящуюся вокруг среду. Пот — это гипотонический (0,3%) раствор NaCl; только вода имеет терморегулирующее значение.

В крайних случаях секреция пота человека может достигать 4 л · ч -1. Интенсивное потоотделение, разумеется, предусматривает существенную потерю воды, опасную для здоровья и даже жизни.

Обезвоживание можно и необходимо противодействовать, дав человеку большое количество воды для питья. Но не забывайте, что вода поступает в желудочно-кишечный тракт, откуда она должна поступать на покров кожи через систему кровообращения для выполнения собственной функции. Это дополнительное задание создаёт нагрузку на сердце, частота сокращений которого составляет 170 мин -1 у человека, который много работает в условиях большой температуры. .

В отличии от рассмотренных раньше сухих методов теплопередачи, теплообмен с выделением пота считается В одну сторону, т. е. позволяет выделять в находящуюся вокруг среду только избыточное тепло. Впрочем тело способен поглощать тепло, к примеру, от отопительного прибора, и в это же время выделять его в находящуюся вокруг среду через потоотделение.

Парообразование воды, которое считается необходимым требованием для такого способа отвода тепла, зависит от 2-ух показателей окружающего воздуха, другими словами от содержащегося в нем пара перегретого, другими словами от влаги., и давление.

В традиционных условиях — на земле — первый из данных факторов играет очень важную роль. По мере того как влажность окружающего воздуха возрастает, другими словами по мере увеличения количества пара перегретого в нем, парообразование пота становится все больше и больше, сопровождаемое его конденсацией. В результате человек в жаркой и мокрой обстановке теряет последнюю возможность отдавать лишнее тепло..

В подобной ситуации температура тела увеличивается, и если она станет смертельной, это вызовет тепловой шок (для человека, находящегося при температуре 15-20 o C, относительная влажность в диапазоне от 40 до 75% считается самой лучшей). Что касается воздушного давления, то это важно крайне редко, к примеру, при погружениях в подводных средах и декомпрессионных камерах.

Сюда закачиваются смеси газов под очень высоким давлением (порядка МПа), чтобы уравнять давление находящейся вокруг воды. Высокое давление воздуха оказывает такое же влияние на парообразование пота, как и очень высокая влажность..