Теплообмен человека и среды

Во многих медико-реабилитационных мероприятиях необходимо учитывать теплообмен человека и среды. Организм человека поддерживает постоянную температуру тела, которая отличается от температуры внешней среды. Вследствие этого между телом человека и окружающей средой возникает теплообмен.

Задача организма состоит в обеспечении равенства между теплотой, выделяющейся в организме (Q _выд) и теплотой, отдаваемой в окружающую среду (Q _отд)- Если по каким либо причинам поддержка баланса между выделяемой и отдаваемой теплотами становится невозможной, организм погибает от переохлаждения или от перегрева. Выделение теплоты в организме происходит за счет энергии метаболических процессов и характеризуется удельной теплопродукцией – количеством теплоты, выделяемой единицей массы тела за 1 с. Передача теплоты в окружающую среду осуществляется за счет процессов теплообмена, указанных ниже.

Тепловое воздействие на организм человека могут оказывать внешняя среда и процессы, протекающие в самом организме.

Теплообмен за счет теплопроводности. Теплопроводность – процесс передачи теплоты от более нагретых частей системы к менее нагретым, происходящий без переноса массы вещества и без излучения электромагнитных волн. Теплопроводность обусловлена тем, что частицы вещества, обладающие большей кинетической энергией, передают ее менее быстрым частицам. Передача теплоты путем теплопроводности может происходить между любыми телами при непосредственном контакте или через промежуточную среду (кроме вакуума).

Передачу теплоты путем теплопроводности в однородной среде описывают законом Фурье:

Тепловой поток (Р), переносимый через поверхность S, перпендикулярно направлению оси X, вдоль которой убывает температура, пропорционален площади этой поверхности и градиенту температуры: P_K = .

При расчете по этой формуле теплообмена между телом и окружающей средой, осуществляемого посредством теплопроводности через одежду, величины, входящие в формулу имеют следующий смысл:

S – площадь поверхности одежды (м²);

a – коэффициент теплопроводности материала одежды.

Знак минус указывает на то, что энергия переносится в направлении убывания температуры.

Значения коэффициента теплопроводности для некоторых веществ приведены в таблице.

Вещество	Коэффициент теплопроводности a, Вт/м2К
Сухой воздух	0,024
Ткань шерстяная сухая	0,025
Вода	0,585
Жировая клетчатка	0,17-0,21
Эпидермис человека	0,25
Мышечная ткань	0,58
Кость черепа	0,38
Серое вещество мозга	0,56
Ангиома (сосудистая опухоль)	0,56
Кровь	0,70
Кожа при слабом кровотоке	0,314
Кожа при сильном кровотоке	1,456
Снег свежевыпавший уплотненный тающий	0,105 0,35 0,640
Глицерин	0,286
Парафин	0,127
Спирт метиловый этиловый	0,223 0,189
Бумага	0,006
Вата хлопковая	0,003
Лед(-5°С)	0,22

Отметим, что коэффициент теплопроводности воздуха сравнительно мал, поэтому потери тепла тела за счет теплопроводности воздуха невелики. Коэффициент теплопроводности воды превышает коэффициент теплопроводности воздуха более чем в 20 раз, поэтому в холодной воде человек начинает мерзнуть довольно быстро.

В живом организме ткани имеют различные теплопроводности, и это различие весьма существенно для поддержания теплового режима организма. Значительная теплопроводность мышечной ткани, в которой находится много кровеносных сосудов, позволяет быстро переносить тепло от внутренних органов к внешним, предохраняя внутренние органы от перегрева. Напротив, при низких температурах внешней среды слой жировой ткани препятствует быстрой утечке тепла. Аналогичную роль играет волосяной покров и слой воздуха между волосами.

Теплообмен за счет конвекции. В тех случаях, когда в теплообмене участвуют жидкости или газы, обычно возникают явления конвекции: одновременно с потоком тепла возникают потоки вещества – более нагретые слои всплывают кверху, а менее нагретые опускаются. Такое перемешивание в громадной степени ускоряет процесс теплообмена. В случае, когда твердое тело находится в обтекающем его потоке жидкости или газа, теплообмен также носит конвекционный характер и происходит значительно быстрее, чем в покоящейся среде. Поэтому даже небольшой ветер (сквозняк) приводит к увеличению потерь тепла с поверхности тела.

Теплообмен посредством конвекции описывается законом Ньютона , где S – площадь поверхности тела; Т _п и Т _в– соответственно, температуры поверхности тела (внешней стороны одежды) и воздуха; a_c – коэффициент теплопередачи конвекцией.

Для открытых участков конвекционные процессы значительно интенсивнее теплопередачи путем теплопроводности и в воздухе играют основную роль. Напротив, для участков тела, укрытых одеждой, конвекционные процессы могут быть сведены к нулю. Например, температура верхней поверхности зимней одежды обычно равна температуре окружающего воздуха и Р_с = 0.

Тепловой удар. Теплопередача путем теплопроводности и конвекции происходит в направлении уменьшения температуры. Если температура окружающей среды выше температуры тела, то теплопроводность и конвекция создают тепловой поток, направленный внутрь тела, что при определенной длительности приводит к перегреву (тепловой удар). Живой организм не в состоянии функционировать без отдачи тепла наружу.

Теплообмен за счет испарения. Еще один механизм, посредством которого организм отдает теплоту в окружающую среду, связан с испарением жидкости. Количество теплоты, расходуемой на парообразование, определяется формулой Q = rт,

где т – масса испарившейся жидкости, r – удельная теплота парообразования.

При комнатной температуре и нормальной влажности человек выводит из организма около 0,35 кг влаги в сутки вместе с выдыхаемым воздухом и примерно 0,5 кг влаги в виде пота. Удельная теплота парообразования воды велика и равна 2,52·10⁶ Дж/кг. Поэтому тепловые потери организма на испарение могут достигать 0,85·2,52·10⁶ »2·10⁶ Дж в сутки, что составляет 25-30% всей теплопродукции организма.

Потоотделение зависит как от температуры внешней среды, так и от ее относительной влажности, так как она в значительной мере обусловливает скорость испарения влаги с поверхности организма. Нормальная относительная влажность среды составляет 40-60%. При высокой влажности процесс испарения с поверхности тела замедляется, а при 100% прекращается полностью. При высокой температуре окружающей среды это ведет к перегреву организма. По этой причине человеку трудно выполнять физическую работу при повышенной влажности. Влажность менее 40% приводит к усилению потери влаги организмом, к его обезвоживанию. Это также затрудняет выполнение работы.

Для протекания некоторых процессов важна не относительная, а абсолютная влажность. Так, испарение воды с поверхности альвеол в легких зависит от абсолютной влажности воздуха, так как из легких выдыхается воздух почти полностью насыщенный паром при температуре примерно 30°С. Количество пара, которым воздух насыщается в легких, очевидно, зависит от абсолютной влажности вдыхаемого воздуха.

Особенности теплового излучения человека. Доля теплового излучения в теплообмене человека с окружающей средой достигает 45%. Инфракрасное излучение различных участков поверхности тела определяется тремя факторами:

1) особенностями васкуляризации (плотности снабжения органов и тканей ссудами) поверхностей тканей;

2) уровнем метаболических процессов (обмена веществ) в них;

3) различиями в теплопроводности (связанными с развитием жировой клетчатки).

При соблюдении стандартных условий регистрируемая топография излучения характерна для данного человека. Изменения топографии излучения могут наблюдаться в следующих случаях.

Нарушения	Механизм нарушения
Нарушение структурных соотношений сосудистой сети	Врожденные аномалии, сосудистые опухоли (например, различные гемангиомы)
Изменения тонуса сосудов	Нарушение вегетативной иннервации, рефлекторное изменение тонуса
Местные расстройства кровообращения	Травмы, тромбоз, склероз сосудов
Нарушение венозного кровотока	Застой, обратный ток крови при недостаточности клапанов вен
Локальные изменения теплопродукции	Воспалительные очаги, опухоли, ревматические артриты
Изменения теплопроводности тканей	Отек, уплотнение тканей, изменение содержания жира

Вследствие сильной температурной зависимости мощности излучения (четвертая степень термодинамической температуры) даже небольшое повышение температуры поверхности может вызвать сильное изменение излучаемой мощности. Так, если, температура поверхности тела человека изменится на 3 К, то есть приблизительно на 1 %, то мощность изменится на 4%. Такое изменение надежно фиксируется соответствующими приборами (тепловизорами, датчиками на жидких кристаллах и т. п.). У здоровых людей распределение температуры по различным точкам поверхности тела достаточно характерно. Различные процессы (воспаление; изменение кровообращения в венах, например, при охлаждении или нагревании; опухоль) могут изменять местную температуру. Таким образом, регистрация излучения разных участков поверхности тела человека и определение их температуры является надежным неинвазивным диагностическим методом.

Воздействие низких температур. Холод – лечебное средство. Под воздействием холода (лед, снег) происходит спазм мелких сосудов, понижается нервная возбудимость, замедляется кровоток, снижается проницаемость мелких сосудов, предотвращается возникновение отеков. Криокомпресс, (гр. kryos – холод, мороз, лед) уменьшает боль при ушибах мягких тканей, суставов, растяжениях связок и других травм. С лечебной целью на кожу воздействуют процедурой криомассажа, которая осуществляется с использованием жидкого азота. Воздействие на кожу осуществляется при этом с помощью заполненного жидким азотом криодеструктора, на котором имеется тефлоновая насадка с температурой (–50 – –60)°С. Для криогенных методов создают специальную криогенную аппаратуру.

Защита от тепловых воздействий. Важным вопросом, связанным с работой человека в экстремальных температурных условиях, является организация защиты организма от тепловых воздействий. Защита от воздействия высоких температур – сложная задача, требующая комплексного решения. Кроме теплоизоляционных материалов для такой защиты используются металлизированные пленки, хорошо отражающие тепловое излучение, а в ряде случаев и специальный обдув тела охлажденным воздухом. Эффективность использования металлизированных покрытий (например, мелинекса) демонстрирует следующий пример. Испытуемые выполняли работу в помещении с t = 50°С. При этом интенсивность облучения составляла 1487 Вт/м². У одетых в хлопчатобумажный комбинезон температура тела повышалась в среднем до 39°С, а при использовании одежды с покрытием из мелинекса – до 38°С. При этом применение одежды с покрытием увеличивало время переносимости данных условий на 50-70 %.

Для защиты от радиационного нагрева космонавтов, выходивших на поверхность Луны, применялся специальный комбинезон, надеваемый на скафандр. Он состоял из нескольких слоев ткани с блестящей металлической поверхностью (до 14 слоев). Внутри скафандра располагались трубки, по которым циркулировала охлаждающая жидкость. При разработки конструкции скафандра пришлось учитывать, что теплопродукция различных, частей организма неодинакова. Поэтому охлаждающие трубки в защитном костюме располагают так, чтобы 50% их приходилось на ноги, 23 % – на руки, 19 % – на туловище, 8 % – на голову и шею.

Одежда, предназначенная для защиты от низких температур окружающей среды, должна обеспечивать адекватную вентиляцию, чтобы под одеждой не конденсировалась влага, создавать изолирующую прослойку неподвижного воздуха вокруг тела. Теплоизоляционные свойства одежды снижаются при ветре и при движении. Для защиты от переохлаждения применяют, в частности, одежду с локальным подогревом (на спине, пояснице, стопах, предплечье, шее, лице) до 46-51°С и суммарной мощностью энергопитания 100 Вт. Электрообогреваемая одежда должна не нагревать поверхность тела человека, а лишь способствовать уменьшению теплопотерь и поддерживать нормальную температуру тела независимо от изменений температуры и скорости движения окружающего воздуха, а также интенсивности физической работы. Используют и комбинезоны с водяным подогревом, в которых по системе трубок движется нагретая жидкость, как в отдельных элементах защитного костюма космонавта.

Светолечение. Широкое лечебно-реабилитационное применение имеет светолечение – использование инфракрасного и видимого излучения в лечебных целях.

Источником инфракрасного излучения является любое нагретое тело. Интенсивность и спектральный состав такого излучения определяется температурой нагретого тела. Проникая в ткани, инфракрасные лучи (как и видимые) на месте своего поглощения вызывают образование тепла. Различные слои кожи неодинаково поглощают оптическое излучение разной длины волны (см. рис).

В реабилитационно-лечебной практике в качестве искусственных источников инфракрасного излучения используются различные облучатели, рис. 30.7.

Лампа Минина представляет собой обычную лампу накаливания (в которой также сочетаются видимое и инфракрасное излучение) с рефлектором, локализующим излучение в необходимом направлении (рис. а). Источником излучения служат лампа накаливания мощностью 20-60 Вт из бесцветного или синего стекла.

Светотепловые ванны представляет собой непроводящий полуцилиндрический каркас, состоящий из двух половин, соединенных подвижно между собой (рис. 6). На внутренней поверхности каркаса, обращенной к пациенту, укреплены лампы накаливания мощностью 40 Вт (количество их и включение различно). В таких ваннах на биологический объект действует инфракрасное и видимое излучение, а также нагретый воздух, температура которого может достигать 70°С.

Лампа Соллюкс представляет собой мощную лампу накаливания в которой сочетаются видимое и инфракрасное излучение), помещенную в специальный рефлектор на штативе (рис. в). Источником излучения служит лампа накаливания мощностью более 500 Вт (температура вольфрамовой нити 2800°С, максимум излучения приходится на 2 мкм).