Человек относится к теплокровным животным. Это проявляется в том, что при значительных колебаниях температуры окружающей среды он способен поддерживать постоянную температуру тела на уровне 36-37 градусов. Тепловой баланс организма регулируется двумя процессами: теплообразованием и теплоотдачей. Теплопродукция в организме происходит постоянно в результате протекания разнообразных химических реакций, обеспечивающих нормальный обмен веществ. В случае если для поддержания постоянной внутренней температуры необходимо дополнительное тепло, оно может вырабатываться в результате произвольного повышения мышечной активности за счет непроизвольной ритмической мышечной активности (дрожи) и ускорения обменных процессов, не связанных с сокращением мышц (например, расщепления жира в клетках особой бурой жировой ткани).

Чтобы поддерживать температуру тела постоянной, необходимо, чтобы теплопродукция уравновешивалась теплоотдачей. Теплоотдача происходит с поверхности тела через кожу путем проведения тепла, конвекции, излучения и испарения пота, а также путем испарения влаги с поверхности легких в процессе дыхания. В условиях комфортной температуры окружающей среды на обеспечение работы внутренних органов уходит лишь около 2 % теплопотерь, в то время как через кожу человек расходует около 95 % всего тепла, вырабатываемого организмом; оставшиеся 3 % уходят на испарение воды при дыхании и нагрев выдыхаемого воздуха. При низкой температуре, особенно во время пребывания человека в воде, соотношение форм теплоотдачи может существенно изменяться. Кроме того, теплоотдача зависит от проведения тепла и его перераспределения внутри организма, а также от кровотока.

При попадании человека в холодную воду включаются приспособительные механизмы организма, повышающие теплопродукцию и снижающие теплоотдачу. Это проявляется в возрастании артериального давления, учащении и усилении сердечных сокращений, учащении и углублении дыхания, повышении мышечного тонуса, обмена веществ, в спазме периферических сосудов и расширении сосудов жизненно важных внутренних органов и др. Показателем повышения теплообразования в организме во время пребывания в воде является рост потребления кислорода. Так, если в комфортных условиях воздушной среды в покое потребление кислорода составляет около 250 куб.см, то в воде при температуре 25 градусов - в среднем 800 куб.см, при Т = 15 °С - до 1200 куб.см, а при температуре воды = 10 градусов - до 1600 см3.

При длительном пребывании в холодной воде, когда глубокой температуре тела грозит снижение, температура конечностей может понижаться до температуры окружающей среды. Таким образом, активная поверхность рассеивания тепла у человека в условиях холода уменьшается почти на 50 % (именно такова доля поверхности конечностей в общей поверхности тела), а объем тела, нуждающийся в защите, по той же причине сокращается на 30 %. Некоторые исследователи называют это явление своего рода «физиологической ампутацией» конечностей, которая позволяет поддерживать нормальную температуру «ядра» тела, особенно температуру сердца и головного мозга. Однако при длительном воздействии низких температур на организм возможно холодовое расширение сосудов. И если на воздухе это свойство сосудов предохраняет ткани от отморожения, то в воде данное явление только ускоряет потерю тепла организмом.

При попадании в воду очень большая теплоотдача происходит с области головы и шеи. Это связано с тем, что, в отличие от сосудов конечностей, сосуды головы не сужаются под воздействием холода. Именно поэтому попавший в воду человек через незащищенную поверхность головы и шеи теряет от 30 до 50 % вырабатываемого им тепла.

Следует помнить, что при погружении на глубину свыше 50 м значительно возрастает респираторная теплопотеря. Как мы уже говорили, вдыхание холодного газа способно вызвать серьезные нарушения дыхания, а также затруднить компенсацию давления в полости среднего уха и околоносовых пазухах. Проблема развития холодового отека евстахиевых каналов и повышенной секреции слизи особенно заметна при плавании в холодной воде.
Первоначально считали, что респираторные теплопотери связаны с высокой теплопроводностью гелия, входящего в глубоководные дыхательные смеси. Но так как подобные процессы развиваются и при дыхании очень холодным воздухом на таких же глубинах (50-70 м), эта концепция была пересмотрена. Сейчас принято считать, что основным фактором, приводящим к значительной потере тепла через легкие, является масса газа, проходящего через них. Это объясняется тем, что газ остается в легких достаточно долгое время, за которое он успевает нагреться, и водолаз выдыхает уже газ, температура которого близка к температуре тела. Поэтому, если на поверхности воды респираторные теплопотери составляют всего 20-30 Вт, то на глубине 50 м они будут равны 120-180 Вт, а на 300 м составят уже 620-930 Вт. Чтобы избежать переохлаждения «ядра» тела при вдыхании холодного воздуха или смесей на небольших глубинах, рекомендуется использовать специальное устройство-теплообменник, вставляемое в загубник дыхательного автомата, - тепловой рекуператор. Для обогрева воздуха на глубинах свыше 50 м применяются и другие специальные системы обогрева вдыхаемого воздуха (использующие энергию электричества, горячей воды, регенеративных патронов в аппаратах замкнутого цикла и др.)

Важную роль в поддержании теплового баланса играет толщина слоя подкожной жировой клетчатки. Так, экспериментально установлено, что нижний предел температуры воды, при котором возможно тепловое равновесие без дополнительной теплозащиты, у тучных людей составляет немногим меньше 12 градусов, а у худых - 28-30. В то же время верхний предел, при котором наступает стабилизация температуры «ядра» без существенного перегревания организма, и у тучных, и у худых людей равен 38 градусов.

В организме человека в результате процессов обмена веществ постоянно образуется тепло, а при механической работе происходит усиленное образование тепла. Одновременно имеет место и постоянная потеря организмом тепла. В состоянии покоя каждый час выделяется 80 ккал тепла, т. е. количество тепла, достаточное для доведения до кипения 1 л холодной воды. Тепло из организма доставляется к коже в основном циркулирующей кровью. Передача тепла происходит благодаря тому, что кожа имеет более низкую температуру, чем внутренние органы; тепло теряется через кожу и легкие.

В зависимости от температуры окружающей среды отдача тепла организмом происходит различными способами. В основном имеются 4 способа теплоотдачи.

• 1. Отдача тепла путем излучения (радиация). В обычных условиях этот способ составляет около 60% всей теплоотдачи. Излучение, испускаемое телом человека, лежит в инфракрасной области спектра (длина волны от 5 до 20 мк) с максимумом длины волны 9 мк.
• 2. Отдача тепла при помощи конвекции, когда с поверхности кожи тепло передается соприкасающемуся с кожей воздуху или воде. Нагретые частицы уносятся и заменяются новыми, «холодными», которые в свою очередь «нагреваются» и уносят с собой тепло. При погружении тела в воду теплоотдача путем конвекции значительно больше, чем при соприкосновении с воздухом, так как теплоемкость последнего сравнительно мала.
• 3. Отдача тепла путем теплопроводности, когда тепло из тела уходит путем проведения непосредственно с места соприкосновения, например с холодным дном ванны или холодной водой.
• 4. Отдача тепла путем испарения пота с поверхности кожи, которая при этом охлаждается. Такой процесс теплоотдачи усиливается, когда температура окружающей среды выше температуры кожи. Теплоотдача испарением составляет 20-25% общей теплоотдачи. На поверхности нашего тела расположено более 2 млн. потовых желез, которые участвуют в процессе потоотделения. Охлаждаясь при испарении пота, кожа в свою очередь охлаждает кровь, доставляющую к ней тепло из внутренних органов.

В сухом климате (климат пустынь) пот испаряется настолько быстро, что кожа может казаться совершенно сухой. Всегда выделяется много пота, но это незаметно. Для того чтобы убедиться в этом, достаточно на минуту положить одну ладонь на другую, чтобы помешать испарению, и ладони становятся влажными.

Во время нахождения человека в теплой, особенно горячей, водяной ванне усиленное потоотделение имеет место на участках тела, не погруженных в воду. После выхода из ванны усиливается функция потовых желез участков тела, соприкасавшихся с водой. При теплоотдаче путем испарения заметное значение приобретают такие факторы, как скорость движения воздуха и его относительная влажность.

Физиологические механизмы регуляции тепла и теплоотдачи организма весьма сложны. При различных колебаниях температуры тела соответственно меняется и относительная роль отдельных механизмов теплоотдачи. Большое значение приобретают взаимно связанные между собой удельная теплоемкость тканей, их теплопроводность, температура различных участков тела и т. д. Роль этих факторов в реакциях организма на тепловые раздражители, каждый из которых имеет свои физические показатели, значительна.

Удельная теплоемкость тканей (количество теплоты в калориях, необходимое для повышения температуры 1 г вещества на 1° - с 15 до 16°), не содержащих жира, приблизительно равна 0,85 кал/г, содержащих жир - 0,70 кал/г, крови 0,90 кал/г. Наибольшей удельной теплоемкостью, равной 1 кал/г, обладает вода. Удельная теплоемкость воздуха при температуре тела 36-37° составляет 0,2375 кал/г.

Немалое значение приобретает и коэффициент теплопроводности тканей, который зависит от условий крово- и лимфообращения в них. При увеличении содержания воды или усиления кровотока увеличивается теплопроводность тканей. Теплопроводность губчатой кости, мышцы, жировой клетчатки различна. Если коэффициент теплопроводности (кал-см-сек-град) кожи человека равен 0,00060, то для воды при 37° он равен 0,00135, а для сухого воздуха - 0,00005.

Коэффициент теплопроводности тканей организма, расположенных более поверхностно, изменяется в связи с их кровоснабжением, поскольку тепло непрерывно доставляется к кожной поверхности.

В зависимости от внешних факторов может изменяться и степень теплоотдачи. Одновременно меняются и условия кровообращения в поверхностных тканях. В ткани с недостаточным кровообращением или с меньшим содержанием воды, т. е. меньшей теплопроводностью, при пользовании водяными или грязевыми ваннами будет поступать меньшее количество тепла по сравнению с тканями с большой теплопроводностью.

Человек постоянно находится в состоянии обмена теплотой с окружающей средой.

Наилучшее тепловое самочувствие человека будет тогда, когда тепловыделения (QТB) организма человека полностью отдаются окружающей среде (QТО), т.е. имеет место тепловой баланс

Превышение тепловыделения организма над теплоотдачей в окружающую среду (QTB > QTО) приводит к росту температуры внутренних органов, нагреву организма и к повышению его температуры - человеку становится жарко. Наоборот, превышение теплоотдачи над тепловыделением (Q.ТВ < QТО) приводит к охлаждению организма и к снижению его температуры - человеку становится холодно.

Средняя температура тела человека - 36,6 0 С. Даже незначительные отклонения от этой температуры в ту или другую сторону приводят к ухудшению самочувствия человека.

Тепловыделения (QTB) организма определяются прежде всего тяжестью и напряженностью выполняемой человеком работы, в основном величиной мышечной нагрузки.

Теплоотдача от организма человека в окружающую среду происходит в результате:

Теплопроводности (QТ) через одежду. Теплота может передаваться только от тела с более высокой температурой к телу с менее высокой температурой. Интенсивность отдачи теплоты зависит от разности температур тел (в нашем случае - это температура тела человека и температура окружающих человека предметов и воздуха) и теплоизолирующих свойств одежды.

Чтобы проиллюстрировать это, можно выполнить простейший эксперимент.

Опустите в стакан с горячей водой термометр, а сам стакан поместите в емкость сначала с теплой, а затем с холодной водой. Наблюдайте за скоростью уменьшения показаний термометра в первом и во втором случае.

Понижение температуры в стакане при нахождении его в холодной воде будет происходить быстрее, чем интенсивность отдачи теплоты от горячей воды в стакане к теплой воде в емкости. Этот опыт иллюстрирует зависимость теплопередачи от разницы температур.

Регулировать теплообмен человека с окружающей средой можно за счет температуры окружающей среды и выбора одежды с различными теплоизолирующими свойствами.

Конвективного теплообмена (QК). Что это такое? Воздух, находящийся вблизи теплого предмета, нагревается. Нагретый воздух имеет меньшую плотность и, как более легкий, поднимается вверх, а его место занимает более холодный воздух окружающей среды.

Явление обмена порций воздуха за счет разности плотностей теплого и холодного воздуха называется естественной конвекцией.

Если теплый предмет обдувать холодным воздухом, то процесс замены более теплых слоев воздуха у предмета на более холодные ускоряется. В этом случае у нагретого предмета будет находиться более холодный воздух, разность температур между нагретым предметом и окружающим воздухом будет больше, и, как мы уже выяснили раньше, интенсивность отдачи тепла от предмета окружающему воздуху возрастет. Это явление называется вынужденной конвекцией.

Например: иллюстрирующим явление вынужденной конвекции, является то, что при одинаковой температуре воздуха в ветреную погоду человек воспринимает климатические условия как более холодные, т.к. отдача тепла от его организма более интенсивная.

Таким образом, регулировать теплообмен между человеком и окружающей средой можно изменением скорости движения воздуха.

• - излучения (QИЗ) на окружающие поверхности. Тепловая энергия, превращаясь на поверхности горячего тела в лучистую (электромагнитную волну) - инфракрасное излучение, передается на другую - холодную - поверхность, где вновь превращается в тепловую. Лучистый поток тем больше, чем больше разница температур человека и окружающих предметов. Причем лучистый поток может исходить от человека, если температура окружающих предметов ниже температуры человека и наоборот, если окружающие предметы более нагреты.
• - испарения (QИСП) влаги с поверхности кожи. Если человек потеет, на его коже появляются капельки воды, которые испаряются, и вода из жидкого состояния переходит в парообразное. Этот процесс сопровождается затратами энергии (QИСП) на испарение и в результате охлаждением организма.

От чего же зависит интенсивность испарения, а, следовательно, и величина отдачи тепла от организма окружающей среде?

Во-первых, от температуры окружающей среды - чем выше температура, тем выше интенсивность испарения; во-вторых, от влажности воздуха - чем выше влажность, тем меньше интенсивность испарения. Для каждой температуры воздуха характерно максимальное количество воды, которое может находиться в единице объема воздуха в парообразном состоянии.

Проиллюстрировать это явление поможет простейший эксперимент. Налить в небольшую бутылку воды, опустить в нее термометр, обернуть бутылку мокрой тряпкой и поставить ее на солнце. Следить за показаниями термометра. Температура воды в бутылке начнет понижаться.

Если бутылка не будет завернута в мокрую тряпку, температура будет повышаться. Это говорит о том, что тепловая энергия расходуется на испарение воды из тряпки.

Этим простейшим приемом можно пользоваться в том случае, если в жаркую погоду захочется попить охлажденной воды. Охлаждением за счет испарения объясняется также то, что в жаркую солнечную погоду не рекомендуется поливать растения, особенно чувствительные к температуре. За счет интенсивного испарения вегетативные части растений могут охладиться до недопустимых температур.

Обычно влажность воздуха измеряют величиной относительной влажности (?), выраженной в процентах. Например, относительная влажность? = 70% означает, что в воздухе воды в парообразном состоянии находится 70% от максимально возможного количества. Относительная влажность 100% означает, что воздух насыщен водяными парами и в такой среде испарение происходить не может.

Интенсивность испарения возрастает при увеличении скорости движения воздуха. Это объясняется теми же причинами, что и увеличение теплообмена при вынужденной конвекции. Слои воздуха, находящиеся вблизи тела человека и насыщенные водяными парами, за счет движения воздуха удаляются и заменяются более сухими порциями воздуха, при этом возрастает интенсивность испарения.

Нагрева выдыхаемого воздуха (QB). В процессе дыхания воздух окружающей среды, попадая в легкие человека, нагревается и одновременно насыщается водяными парами. Таким образом, теплота выводится из организма человека с выдыхаемым воздухом (QB).

Таким образом, теплообмен между человеком и окружающей средой осуществляется за счет теплопроводности (QT), конвективного теплообмена (Qк), излучения (Qиз), испарения (QИСП), нагрева выдыхаемого воздуха (QB), т.е.:

Qобщ = QТ + QК + QИЗ + QИСП + QB - уравнение теплового баланса

Вклад перечисленных выше путей передачи тепла непостоянен и зависит от параметров микроклимата в производственном помещении, а также от температуры окружающих человека поверхностей. Если t этих поверхностей ниже t человеческого тела, то теплообмен излучением идет от организма человека к холодным поверхностям. В противном случае теплообмен осуществляется в обратном направлении: от нагретых поверхностей к человеку. Теплоотдача конвекцией зависит от t воздуха в помещении и скорости его движения на рабочем месте, а отдача теплоты путем испарения - от относительной влажности и скорости движения воздуха.

Установлено, что обмен веществ в организме человека оптимален и, соответственно, его работоспособность высока, если составляющие процесса теплоотдачи находятся примерно в следующих пределах:

QK+ QT ? 30%; QИЗ? 45%; QИС?20%; QВ?5%.

Такой баланс составляющих теплоотдачи характеризует отсутствие напряженности системы терморегуляции человека.

Направление тепловых потоков QT, QK, Qиз может быть от человека к окружающим человека воздуху и предметам и наоборот, в зависимости от того, что выше - температура тела человека или окружающего воздуха и окружающих его тел (рис. 1.).

Рис. 1. Схема направления тепловых потоков: QB - выдыхание теплового воздуха; QИ - испарение; Qиз - излучение; QK - конвективный теплообмен; QT - теплопроводность

Тепловыделения организма человека определяются прежде всего величиной мышечной нагрузки при деятельности человека, а теплоотдача -температурой окружающего воздуха и предметов, скоростью движения и относительной влажностью воздуха.

Это уравновешивание процессов теплоотдачи и теплообразования для поддержания постоянной температуры тела. Нервный центр теплорегуляции находится в гипоталамусе.

Теплообразование происходит за счет химических реакций в мозге, сердце, печени, работающих скелетных мышцах. Если человеку холодно, его мышцы мелко сокращаются (дрожат), при этом движение не происходит, но тепло выделяется. При наступлении холодного времени года щитовидная железа выделяет больше тироксина, что приводит к большему тепловыделению в митохондриях.

Теплоотдача при умеренной температуре происходит за счет излучения с поверхности кожи и отдачи тепла прохладному воздуху, на жаре - за счет испарения пота с поверхности кожи. Теплоотдачу можно регулировать: долговременно - путем изменения толщины подкожной жировой клетчатки; кратковременно - за счет расширения или сужения капилляров кожи.

Закаливание - это тренировка устойчивости организма к переохлаждению или перегреванию. Включает воздушные и водные процедуры с постепенным снижением температуры.

Тесты

1. Что происходит в организме человека при нахождении в течение нескольких часов на холоде?
А) расширение кровеносных сосудов
Б) накапливание жиров
В) усиление энергетического обмена
Г) усиление потоотделения

2. Реакцией человека на холод НЕ является
А) повышенное выделение тироксина
Б) расширение капилляров кожи
В) увеличение объема подкожной жировой клетчатки
Г) ускорение обмена веществ в печени

3. Почему человек дрожит, когда ему очень холодно?
А) чтобы улучшить передачу сигнала о холоде в мозг
Б) чтобы создать с помощью мышечной активности дополнительную энергию
В) чтобы доставить больше крови к поверхности кожи
Г) чтобы остановить проникновение холода сквозь кожу

4. При длительном нахождении на холоде у человека
А) усиливается потоотделение
Б) усиливается энергетический обмен
В) активизируется синтез гликогена
Г) расширяются кровеносные сосуды

5. Какой орган способствует теплоотдаче у человека?
А) легкое
Б) печень
В) большая грудная мышца
Г) поджелудочная железа

6. Если человек длительно находится в жарком помещении, то
А) в организме уменьшается число лейкоцитов
Б) в кровеносные сосуды кожи поступает больше крови
В) снижается температура тела
Г) повышается обмен веществ