2. 2.1. Теплообмін людини з навколишнім середовищем

Людина постійно перебуває в процесі теплової взаємодії з навколишнім середовищем. Для того, щоб фізіологічні процеси в організмі людини відбувалися нормально, тепло, що виділяється організмом людини, повинне повністю відводитися у навколишнє середовище. Порушення теплового балансу може призвести до перегрівання або до переохолодження організму людини і, зрештою, до втрати працездатності, втрати свідомості та до теплової смерті., Величина тепловиділення організмом людини залежить від ступеня фізичного напруження за певних кліматичних умов і складає від 85 (у стані спокою) до 500 Дж/с (важка робота).

Нормальне теплове самопочуття має місце, коли тепловиділення (Qm) організму людини повністю сприймаються навколишнім середовищем (Qm), тобтс^ коли має місце тепловий баланс (0^) = (Qm) ■ У цьому випадку температура внутрішніх органів залишається постійною на рівні 36,6 °С

Організм людини здатний підтримувати квазістійку температуру тіла при достатньо широких коливаннях параметрів навколишнього середовища. Так, тіло людини зберігає температуру близько 36,6 °С при коливаннях навколишньої температури від —40 °С до +40 °С. При цьому температура окремих ділянок шкіри та внутрішніх органів може бути від 24 °С до 37,1 °С.

Найбільш інтенсивні обмінні процеси відбуваються в печінці — її температура — 38,0... 38,5 °С. Існує добовий біоритм температури шкіри: максимальна (37,0...37,1 °С) о 16.00... 19.00, мінімальна (36,0...36,2 °С) о 2.00...4.00 за місцевим часом.

Рівняння теплового балансу "людина-навколишнє середовище" вперше було проаналізоване в 1884 році професором Флавіцьким І І Теплообмін між людиною та навколишнім середовищем здійснюється конвекцією внаслідок обтікання тіла повітрям (дк), теплопровідністю через одяг (дт), випромінюванням на оточуючі поверхні (дв) та в процесі тепломасообміну (QTM) при випаровуванні вологи, котра виводиться на поверхню потовими залозами (дп) і при диханні (дд) ■

Конвективний теплообмін визначається за законом Ньютона

Де   іпов — температураповерхні тіла людини (взимку —27 ,5 °С влітку — 31 °С);

tHC— температура навколишнього середовища, ре — ефективна поверхня тіла людини (50...80% геометричної зовнішньої поверхні тіла людини) Для практичних розрахунків вона приймається рівною 1,8 м2;

ак—  коефіцієнт  тепловіддачі  конвекцією,   ак=4,06 Вт/(м2хград).

Величина і напрямок конвективного теплообміну людини з навколишнім середовищем визначається, переважно, температурою навколишнього середовища, барометричним тиском, рухомістю та вологовмістом повітря.

Рівняння Фур'є, котре описує теплопровідність в одномірному теплопровідному полі, можна записати у вигляді

де ао — коефіцієнт теплопровідності тканин одягу людини, Вт/град,

Л о — товщина тканин одягу людини, м

Теплообмін випромінюванням відбувається за допомогою електромагнітних хвиль між тілами, розділеними променепрозорим середовищем. Теплова енергія, перетворюючись на поверхні гарячогі тіла у променисту, передається на холодну поверхню, де знов перетворюється у теплову. Променистий потік тим більший, чим нижч температура поверхонь, котрі оточують людину і може бути визначенії за допомогою узагальненого закону Стефана-Больцмана:

де Т3 — середня температура поверхні тіла та одягу людини, К; і Т„ — середня температура оточуючих поверхонь, К; ІІ-2 — коефіцієнт опромінюваності, що залежить від розташування та розмірів поверхонь F1та F2 і котрий вказує на частку променистого тепла, що припадає на поверхню F2 від всього потоку, який випромінюється поверхнею FJ-,

Спр = СІх Сг/Со — приведений коефіцієнт випромінювання, Вт/(м2К4);

С0 — коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла. Кількість тепла, котра віддається людиною в навколишнє середовище при випаровуванні вологи, що виводиться на поверхню шкіри потовими залозами, визначається за формулою:

де Gn— кількість вологи,що виділяється і випаровується, кг/с;

г — прихована теплота випаровування вологи, котра виділяється, Дж/кг.

Кількість тепла, що віддається в оточуюче середовище з поверхні тіла при випаровуванні поту, залежить не лише від температури повітря та інтенсивності роботи, що виконується людиною, але й від швидкості руху оточуючого повітря та його відносної вологості.

Кількість тепла, котре витрачається на нагрівання повітря, що вдихається, можна визначити за рівнянням:

де Vm— легенева вентиляція, м3/с;

Рвд — густина вологого повітря, що вдихається, кг/м3;                       

Ср— питома теплоємність повітря, що вдихається, Дж/(кг/град); tRm — температура повітря, що видихається, °С; tm— температура повітря, що вдихається, °С. Легенева вентиляція — це об'єм повітря, що вдихається людиною за одиницю часу. Вона визначається як добуток об'єму повітря, що вдихається за один вдих, на число циклів дихання за секунду.

Кількість теплоти, що виділяється людиною з повітрям, котре видихається, залежить від її фізичного навантаження, вологості повітря, температури оточуючого повітря.

Загалом теплове самопочуття людини залежить від інтенсивності фізичного навантаження організму, температуртГоточуючих предметів та параметрів мікроклімату (температури, рухомості та відносної вологості повітря, барометричного тиску).