Виды теплообмена в жизнедеятельности человека

Теплопроводность между поверхностью человеческого тела и предметами среды обитания осуществляется в результате непосредственного прямого контакта. При этом виде теплообмена перенос тепловой энергии имеет ярко выраженный атомномолекулярный характер и не связан с макродвижением окружающей человека воздушной или водной среды.

Количество энергии, передаваемой в результате теплообмена между человеком и объектами окружающей среды в том или другом направлении, зависит от коэффициента теплопроводности и градиента температур контактирующих поверхностей.

Тактильная чувствительность (от лат. tactilis — осязательный), присущая находящимся в человеческой коже чувствительным волокнам (так называемым рецепторам), позволяет человеку достаточно точно распознавать не только форму, но и температуру взаимодействующих с ним объектов. При этом температура самой кожи, соприкасающейся с внешней средой, обычно ниже нормальной температуры всего организма в целом. Проведенные исследования показывают, что по субъективным ощущениям человек оценивает температуру 34 °C как нормальную (комфортную) температуру поверхности своей кожи. Температура поверхности кожи 29 и 37 °C оценивается человеком соответственно как «очень холодно» и «очень жарко». Начиная с температуры кожи 40−45°С у человека уже могут присутствовать болевые ощущения. Последний факт играет большую роль в тех ограничениях, которые существуют в правилах техники безопасности и охраны труда по нормированию внешних тепловых излучений, действующих на человека.

Лучистый теплообмен между человеческим организмом и средой обитания обусловлен теплоизлучательной способностью более нагретого объекта по отношению к менее нагретому и происходит вследствие соответственно испускания и поглощения этими объектами электромагнитного излучения. При этом направление такого лучистого (радиационного) теплообмена предопределено действием второго закона термодинамики, а общее количество передаваемой энергии теплоизлучения зависит в основном от разности абсолютных температур Т1 (поверхности человека) и Т2 (поверхности объектов внешней среды), возведенных в четвёртую степень. В зависимости от соотношения указанных температур величина теплобаланса человека и окружающей среды в результате только лучистого теплообмена будет свидетельствовать либо о тепловых потерях человеческого организма (при Т1 > Т2), либо о его внешних тепловых нагрузках (при Т1 < Т2) .

В первом случае при нормальных условиях человек теряет путем радиационного теплоизлучения до 45% избыточного вырабатываемого организмом тепла, что является одним из важных факторов обеспечения его комфортного или допустимого состояния.

Во втором случае существуют достаточно жесткие ограничения, накладываемые на интенсивность внешнего теплоизлучения или теплооблучения (YT) и обеспечивающие безопасность жизнедеятельности человека. Под такого рода интенсивностью понимается мощность (UT) внешнего теплового потока энергии, приходящаяся на доступную (открытую) для действия этого теплового облучения единицу поверхности (Sо), Вт/м2:

YT = UT / So.

Для человеческого организма существующие нормативы ограничивают интенсивность внешнего теплового излучения (облучения) следующими безопасными предельными величинами:

• • при So? 50% всей поверхности тела человека — ?т? 35 Вт/м2;
• • при 25%? So < 50% всей поверхности тела человека — ?т? 70 Вт/м2;
• • при So < 25% всей поверхности тела человека — ?т? 100 Вт/м2.

Учитывая, что общая поверхность тела человека массой 70 кг и ростом 170 см составляет около 1,8 м², нетрудно рассчитать допустимые безопасные пределы площади открытой поверхности человеческого тела для приведенных выше различных интенсивностей внешнего теплового излучения (облучения).

О том, насколько критичным является человеческий организм по отношению к внешним тепловым воздействиям, можно судить хотя бы по такому факту, что на внешней границе атмосферы интенсивность солнечного радиационного излучения, направленного к Земле, усредненно составляет 1370 Вт/м2. Величина этого излучения в среднем остается неизменной и носит название солнечной постоянной. Однако даже с учетом примерно пятикратного ослабления земной атмосферой энергии солнечного излучения у поверхности нашей планеты в экваториальных областях в безоблачный полдень максимальная интенсивность теплового радиационного потока на перпендикулярную ему поверхность составляет около 270 Вт/м2, что вовсе не является безобидным для человека при облучении открытых участков его тела и, безусловно, требует их эффективной защиты.

Для рабочих мест считается допустимой интенсивность внешнего теплового облучения в пределах 350 Вт/м2 при использовании специальных теплозащитных средств (тепловых экранов, систем вентиляции).

Теплозащитные экраны по своему принципу действия различаются на теплоотражающие (алюминиевая фольга, стальной лист), теплопоглощающие (огнеупорное стекло, кирпич, бетон) и теплоотводящие (с проточным охлаждением водой или жидким азотом). Эффективность использования таких теплозащитных экранов оценивается в процентах как отношение задержанного экраном количества тепловой энергии к ее первоначально измеренному уровню без использования экрана:

где - интенсивность теплового облучения рабочего места или объекта соответственно без и при использовании теплозащитного экрана.

Нормируемая эффективность применения теплозащитных экранов, как правило, не бывает менее 50% и редко превышает 98%. Существующая реально величина измеряется приборами, а величина задается исходя из приведенных выше допустимых значений интенсивности внешнего радиационного теплового потока облучения для человека или его рабочего места.

Конвективный теплообмен между телом человека и окружающей средой обусловлен макродвижением соприкасающегося с человеческим организмом воздуха как при его наружном контакте с кожей, так и при его вдыхании человеком. На долю конвективного теплообмена приходится до 30% всего теплового баланса человека. При этом количество тепла, передаваемое конвекцией, существенно зависит от разности температур человеческого тела и окружающей среды.

Кроме того, на конвективный теплообмен сильно влияют относительная скорость движения человека и окружающей среды, а также влажность и давление последней. Например, при относительном покое человека и окружающей среды толщина прогретого человеческим телом воздушного слоя составляет около 8 мм, а уже при относительной скорости движения воздуха 2 м/с толщина этого слоя уменьшается до 1 мм, свидетельствуя о многократном увеличении конвективного теплообмена.

Конвекция окружающей среды достаточно тесно связана с уже рассмотренной выше теплопроводностью этой среды. Так, широко известными являются факты наступления быстрого переохлаждения человеческого организма при случайном или намеренном нахождении людей в холодной воде без специального снаряжения (гидрокостюмов). Как показывают обобщенные результаты статистических наблюдений (рис. 3.2.), из-за существенно более высокой теплопроводности воды по сравнению с воздухом более-менее безопасное для здоровья человека пребывание в воде при ее температуре 10 °C достигает 1 ч, а при температуре воды 5 °C не превышает 25 мин.

Обеспечение комфортных и безопасных условий груда в значительной степени зависит от правильного подбора одежды человека. На графиках, представленных на рис. 3.3 и отображающих результаты экспериментальных исследований Национального американского космического агентства (NASA), показана переносимость человеческим организмом различных температур в зависимости от вида одежды. Относительная скорость движения воздуха при этом составляла около 1 м/с, давление — 1 атм, а относительная влажность — не более 50%. Выход графиков на горизонтальные участки свидетельствует о комфортности состояния человека при данной температуре воздуха во времени.

Рис. 3.2. Переносимость человеком пребывания в воде без специального снаряжения:

I — допустимые (переносимые) температурные условия; II — экстремальные (едва переносимые) температурные условия с 50% смертельным исходом; III — сверхэкстремальные (смертельные) температурные условия.

Рис. 3.3. Переносимость человеком пребывания на воздухе в различных видах одежды:

I — легкая спецодежда; II — спецодежда с шерстяным бельем; III — летный комплект спецодежды.

Теплоотдача испарением происходит путем испарения плати с поверхности человеческого тела и является для человека весьма эффективным способом сброса излишков метаболического тепла. На долю испарения приходится до 25% расходуемой человеческим организмом тепловой энергии. При этом в состоянии покоя и температуре воздуха около 15 °C потоотделение весьма незначительно, если составляет в течение 1 ч не свыше 30 мл. Однако при высокой температуре и выполнении тяжелой работы, например в «горячих» цехах, потоотделение человека может увеличиваться до 1−1,5 л/ч, т. е. более чем в 30 раз.

Несмотря на то, что испарение даже 1 г влаги сопровождается потерей организмом 2,43 кДж (0,58 ккал) тепловой энергии, большое количество выделяемого человеком пота, как правило, не испаряется, а задерживается тканью одежды или просто смахивается человеком в виде капель. В связи с этим более постоянным является расход тепловой энергии через органы дыхания человека, который составляет около 13% его общих тепловых потерь.