Теплообразование, или теплопродукция, определяется интенсивностью обмена веществ. Регуляция теплообразования путем увеличения или уменьшения обмена веществ обозначается как химическая терморегуляция.
Выработанное организмом тепло постоянно отдается в окружающую его внешнюю среду. Если бы не существовала отдача тепла, организм погиб бы от перегревания. Теплоотдача может увеличиваться и уменьшаться. Регуляция теплоотдачи путем изменения осуществляющих ее физиологических функций обозначается как физическая терморегуляция.
Количество образующегося в организме тепла зависит от уровня обмена веществ в органах, который определяется трофической функцией нервной системы. Наибольшее количество тепла образуется в органах с интенсивным обменом веществ - в скелетной мускулатуре и в железах, главным образом в печени и в почках. Наименьшее количество тепла освобождается в костях, хрящах и соединительной .
При повышении температуры окружающей среды теплообразование уменьшается, а при ее понижении - увеличивается. Следовательно, между температурой внешней среды и теплообразованием существуют обратно пропорциональные отношения. Летом теплообразование понижается, а зимой увеличивается.
Соотношение между теплообразованием и теплоотдачей зависит от температуры окружающей среды. При среды 15-25°С теплообразование в покое в одежде находится на одном уровне и уравновешивается теплоотдачей (зона безразличия). Когда температура среды ниже 15°С, то при тех же условиях теплопродукция повышается при 0°С и постепенно снижается к 15°С (нижняя зона повышения обмена). Если температура среды 25-35°С, обмен веществ несколько снижается (зона пониженного обмена) и сохраняется терморегуляция. При повышении температуры среды больше 35°С происходит нарушение терморегуляции, обмен веществ и температура тела повышаются (верхняя зона повышения обмена, зона перегревания). Следовательно, повышение температуры внешней среды или согревание организма уменьшает теплопроизводство только до известного уровня при определенной температуре внешней среды. Эта температура называется критической, так как дальнейшее её повышение ведет уже не к уменьшению, а к увеличению теплообразования и повышению температуры тела. Точно так же при охлаждении существуют критическая температура внешней среды, ниже которой теплопроизводство начинает понижаться.
При мышечном покое увеличение теплообразования при охлаждении тела незначительно.
Особенно значительное увеличение теплообразования при низкой температуре внешней среды наблюдается при дрожи и работе мышц. Неправильные, небольшие сокращения мышц – дрожание и усиленные движения, которые человек делает на холоде с целью согреться и избавиться от озноба или дрожи, повышают трофические функции, значительно увеличивают обмен веществ и производство тепла. Несколько повышается выработка тепла и при «гусиной коже» -сокращение мышц волосяных мешочков.
Необходимо учесть, что ходьба увеличивает теплопроизводство почти в 2 раза, а быстрый бег - в 4-5 раз, температура тела может повыситься на несколько десятых градуса, причем повышение температуры во время работы ускоряет окислительные процессы и тем самым способствует окислению продуктов распада белков. Однако при продолжительной интенсивной работе при температуре внешней среды выше 25°С температура тела может возрасти на 1-1,5°С, что уже вызывает изменения и нарушения жизнедеятельности. Когда во время мышечной работы при высокой температуре внешней среды температура тела повышается более чем до 39°С, может наступить тепловой удар. На долю мышц приходится 65-75% теплообразования, а при интенсивной работе даже 90%.
Остальная доля тепла образуется в железистых органах, главным образом в печени.
Организм в покое непрерывно теряет тепло: 1) теплоизлучением, или отдачей тепла кожей окружающему воздуху; 2) теплопроведением, или непосредственной отдачей тепла тем предметам, которые соприкасаются с кожей; 3) испарением с поверхности кожи и легких.
В условиях покоя 70-80% тепла отдается в окружающую среду кожей теплоизлучением и теплопроведением, а испарением воды в коже (потоотделением) и в легких - около 20%. Отдача тепла нагреванием выдыхаемого воздуха, мочой и калом ничтожна, она составляет 1,5-3% общей теплоотдачи.
При мышечной работе резко возрастает отдача тепла испарением (у человека главным образом потоотделением), доходя до 90% всего суточного теплообразования.
Теплоотдача теплоизлучением и теплопроведением зависит от разности температур кожи и окружающей среды. Чем выше температура кожи, тем больше теплоотдача указанными путями. Л температура кожи зависит от притока к ней крови. При повышении температуры окружающей среды артериолы и капилляры кожи. Но так как разница температуры кожи уменьшается, то абсолютная величина теплоотдачи при высоких температурах окружающей среды меньше, чем при низких.
Когда температура кожи сравнивается с температурой окружающей среды, теплоотдача прекращается. При дальнейшем повышении температуры окружающей среды кожа не только не теряет тепло, но сама нагревается. В этом случае теплоотдача теплоизлучением и теплопровидением отсутствует и сохраняется только теплоотдача испарением.
Наоборот, на холоде артериолы и капилляры кожи суживаются, кожа становится бледной, количество протекающей через пес крови уменьшается, температура кожи понижается, разница температур кожи и окружающей среды сглаживается, и теплоотдача уменьшается.
Человек уменьшает теплоотдачу искусственными покровами (бельем, одеждой и т. д.). Чем больше воздуха в этих покровах, тем легче сохраняется тепло.
Регуляция теплоотдачи испарением воды играет большую роль, особенно при мышечной работе и значительном повышении температуры окружающей среды. При испарении 1 дм 3 воды с поверхности кожи или слизистых оболочек теряется телом 2428,4 кДж.
Потеря воды кожей происходит за счет проникновения воды из глубоких тканей на поверхность кожи и главным образом за счет функционирования потовых желез. При средней температуре окружающей среды взрослый человек ежесуточно теряет испарением с кожи 1674,8-2093,5 кДж.
В связи с резким увеличением потоотделения при повышении температуры окружающей среды и при мышечной работе значительно возрастает и теплоотдача, хотя и не весь пот испаряется.
Большие потери пота сопровождаются потерями больших количеств минеральных солей, так как содержание одной только поваренной соли в поту равно 0,3-0,6%. При потере 5-10дм 3 пота теряется 25-30 грамм поваренной соли. Поэтому если возникшая при обильном потоотделении жажда удовлетворяется водой, то наступают тяжелые расстройства вследствие потери значительных количеств солей (судороги и т. д.). Уже при потере 2 дм 3 пота получается дефицит солей в организме. Эти потери восполняются питьем воды, содержащей 0,5-0,6% поваренной соли, которую рекомендуется пить при обильном длительном потоотделении.
Испарение воды постоянно происходит и с поверхности легких. Выдыхаемый воздух насыщен водяными парами на 95-98% и поэтому чем суше вдыхаемый воздух, тем больше тепла отдается испарением с легких. В обычных условиях легкими ежесуточно испаряется 300-400 см 3 воды, что соответствует 732,7-962,9 кДж. При высокой температуре дыхание учащается, а на холоде становится редким. Испарение воды с поверхности кожи и легких становится единственным путем теплоотдачи, когда температура воздуха достигает температуры тела. В этих условиях в покое испаряется более 100 см 3 пота в час, что позволяет отдавать около 251,2 кДж в час.
Испарение воды с поверхности кожи и легких зависит от относительной влажности воздуха. Оно прекращается в воздухе, насыщенном водяными парами. Поэтому пребывание во влажном горячем воздухе, как, например, бане, тяжело переносится. В сыром воздухе человек плохо чувствует себя, даже при сравнительно невысокой температуре окружающей среды - при 30°С. Плохо переносится кожаная и резиновая одежда, так как она непроницаема для и делает невозможным испарение пота, поэтому под такой одеждой пот накапливается. При высокой температуре воздуха и мышечной работе в кожаной и резиновой одежде у человека повышается температура тела.
Перегревание человека в , насыщенной водяными парами, особенно опасно, так как лишает возможности освобождаться от избытка тепла наиболее действенным способом - испарением.
Наоборот, в сухом воздухе человек сравнительно легко переносит значительно более высокую температуру, чем во влажном.
Большое значение для увеличения теплоотдачи теплоизлучением, теплопроведением и испарением имеет движение воздуха. Увеличение скорости движения воздуха увеличивает теплоотдачу. На сквозняке и на ветру резко увеличивается потеря тепла. Но если окружающий воздух имеет высокую температуру и насыщен водяными парами, то движение воздуха не охлаждает. Следовательно, физическая терморегуляция обеспечивается: 1) сердечнососудистой системой, которая определяет приток и отток крови в кровеносных сосудах кожи, а следовательно, количество тепла, отдаваемого кожей в окружающую среду; 2) системой органов дыхания, т. е. изменениями вентиляции легких; 3) изменением функции потовых желез.
Регуляция теплоотдачи производится нервной системой и посредством гормонов. Существенное значение имеют условные рефлексы на обстановку, в которой неоднократно нагревалось или охлаждалось тело.
Изменение функций сердечнососудистой системы, дыхания и потовых желез рефлекторно регулируется раздражением внешних органов чувств и особенно раздражением рецепторов кожи при изменениях температуры внешней среды, а также раздражением нервных окончаний внутренних органов при колебаниях температуры внутри организма. Физиологические механизмы физической терморегуляции осуществляются большими полушариями, промежуточным, продолговатым и спинным мозгом.
Теплоотдача изменяется при поступлении в гормонов, изменяющих функции органов, участвующих в физической терморегуляции.
теплообразования
Процессы жизнедеятельности человека сопровождаются непрерывным теплообразованием в его организме и отдачей тепла в окружающую среду.
Организм человека - это саморегулирующая система, физиологический механизм которой с целью поддержания постоянной температуры тела направлен на обеспечение соответствия количества образованного тепла (теплопродукция ) количеству тепла, отданного во внешнюю среду (теплоотдача ) . В нормальных условиях теплопродукция равна теплоотдаче .
Теплообразование в организме человека происходит вследствие непрерывно совершающихся экзотермических реакций. Эти реакции протекают во всех органах и тканях, но неодинаково интенсивно. В тканях и органах, производящих активную работу (в мышечной ткани, печени, почках), выделяется большее количество тепла, чем в менее активных (соединительной ткани, костях, хрящах) .
Потеря тепла органами зависит в большой степени от их месторасположения: поверхностно расположенные органы, например, кожа, скелетные мышцы, отдают больше тепла и охлаждаются сильнее, чем внутренние органы, более защищенные от охлаждения.
Теплопродукция и теплоотдача обусловлены деятельностью центральной нервной системы, регулирующей обмен веществ, кровообращение, потоотделение и деятельность скелетных мышц.
Теплота в организме человека вырабатывается в результате энергетических превращений в живых клетках. Теплообразование связано:
С непрерывно совершающимся биохимическим синтезом белков и других органических соединений;
С осмотической работой (переносом ионов);
С механической работой мышц (сердечной мышцы, гладких мышц различных органов, скелетной мускулатуры).
В организме человека, находящегося в состоянии относительного физического покоя, 50% теплоты образуется в органах брюшной полости (главным образом в печени); 20% - в скелетных мышцах и центральной нервной системе; 10% - при работе органов дыхания и кровообращения. Часть энергии, образующейся в организме при выполнении физической работы, расходуется на внешнюю работу. Основная же часть переходит в тепловую Q Т.П . .
Внутренняя температура тела (ядра) постоянна благодаря регулированию интенсивности теплопродукции и теплоотдачи в зависимости от температуры внешней среды. О температуре тела человека обычно судят на основании ее измерения в подмышечной впадине. Здесь температура у здорового человека равна 36,5–36,9 о С. Часто измеряют температуру в прямой кишке, где она выше, чем в подмышечной впадине, и равна у здорового человека в среднем 37,2–37,5 о С.
Температура тела не остается постоянной, а колеблется в течение суток в пределах 0,5–0,7 о С. Покой и сон понижают температуру, мышечная деятельность повышает ее. Максимальная температура тела наблюдается в 16–18 часов, минимальная – в 3–4 часа утра. У рабочих, длительно работающих в ночных сменах, колебания температуры могут быть обратным указанным выше .
Температура кожи человека при воздействии внешних условий изменяется в относительно широких пределах.
Условием комфорта является тепловое равновесие организма человека и окружающей среды. Факторами, влияющими на состояние теплового равновесия организма, являются:
Температура окружающей среды (стен и поверхностей, окружающих предметов);
Температура, скорость движения, влажность воздуха;
Характер одежды;
Величина теплопродукции человека.
Величина теплопродукции зависит от возраста, пола человека, его питания, мышечной деятельности др.
Основным (стандартным) обменом (ОО) организма человека называют количество энергии, расходуемое организмом человека при полном мышечном покое, до приема пищи при температуре внешней среды, соответствующей минимальной активности механизма терморегуляции. Основной обмен зависит от функционального состояния человека, пола, возраста, веса и вычисляется в калориях на единицу веса или единицу поверхности тела.
Для взрослого человека среднее значение величины ОО равно 1 ккал/кг/час. Отсюда для взрослого мужчины массой 70 кг величина энергозатрат ОО составляет около 1700 ккал/сутки, для женщин – около 1500 ккал/сутки .
Процесс отдачи тепла организмом человека (теплоотдача) осуществляется :
Радиацией (излучением) – 43 - 50 %;
Конвекцией (перемещением) – 25 - 30 %;
Испарением с поверхности кожи и легких – 23 - 29 %;
Нагрев пищи – 1 - 2 %;
Нагрев воздуха в легких – 1 – 1,5 %;
Потеря тепла с выделениями - менее 1 %.;
Кондукцией (проведением) – очень незначительная величина, т.к. коэффициент теплопроводности неподвижного воздуха очень мал.
Проведение тепла кондукцией осуществляется от поверхности тела человека к соприкасающимся с ним твердым предметам или материалам внешней среды.
Перенос тепла в этом случае происходит по закону Фурье:
где Q КОНД – отдача тепла, прошедшего через стенку с площадью S в течение времениτ, Вт;
S – площадь поверхности соприкосновения человека с предметом, м 2 ;
t 1 – температура внутренней стенки (пакета одежды), о С;
t 2 - температура наружной (холодной) стороны, о С;
λ – коэффициент теплопроводности пакета одежды, Вт/м∙ о С;
δ – толщина пакета одежды, м.
Из представленного уравнения видно, что отдача тепла кондукцией возрастает со снижением температуры предмета, с которым человек соприкасается, с увеличением площади соприкосновения и уменьшением толщины пакета одежды.
Передача тепла конвекцией осуществляется с поверхности тела или одежды человека движущемуся около него воздуху. Для расчетов теплоотдачи конвекцией можно использовать закон Ньютона:
Q КОНВ = α КОНВ. S (t ОД – t В),
где α КОНВ – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м∙ о С), зависит от формы тела и скорости движения воздуха;
S – площадь поверхности тела, м 2 ;
t ОД – температура поверхности тела (одежды);
t В – температура воздуха, о С.
Потери тепла конвекцией с поверхности одежды, покрывающей тело, выражается формулой
,
где S –
– отношение площади поверхности тела, закрытой одеждой, к площади поверхности открытых частей тела;
α КОНВ – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м∙ о С);
t ОД –
t В – температура воздуха, о С.
Теплоотдача радиацией – это передача тепла в форме лучистой энергии с поверхности тела человека на окружающие поверхности, имеющие более низкую температуру, или в окружающее пространство. Количество тепла, отдаваемого излучением, зависит от температуры поверхности тела (одежды), температуры окружающих тело стен и поверхностей.
Излучение человеческого тела характеризуется длиной волны от 5 до 40 мк, а кожа человека поглощает инфракрасные лучи как абсолютно черное тело.
В условиях эксплуатации одежды наблюдается практически небольшая разность температур тела и одежды. В этом случае уравнение для определения количества тепла, передаваемого радиацией, представляют в виде
Q РАД = α РАД · S РАД (t 1 – t 2),
где α РАД – коэффициент излучения (теплоотдачи радиацией), Вт/(м 2 ∙ о С);
S РАД – площадь поверхности тела человека, участвующая в радиационном теплообмене, м 2 ;
t 1 - температура поверхности тела человека (одежды);
t 2 – температура поверхности окружающих тел, о С.
Коэффициент излучения α РАД зависит от температуры поверхности тела человека (одежды) и температуры окружающих предметов. В радиационном теплообмене участвует не вся поверхность тела человека, т.к. некоторые части тела взаимно облучаются и не принимают участия в теплообмене. В радиационном теплообмене участвует 74-75 % площади тела человека в положении сидя и 77-85 % в положении стоя.
Площадь поверхности тела человека зависит от его роста и массы и может быть определена по графику, представленному на рисунке 1.1.
Рис.1.1. Зависимость площади поверхности тела от роста и массы тела
человека
На рисунке 1.2. показана зависимость площади поверхности тела человека, участвующей в радиационном теплообмене, от роста и массы.
Рис.1.2. Зависимость площади поверхности тела человека, участвующей
в радиационном теплообмене, от роста и массы
Потери тепла с поверхности тела одетого человека определяются по уравнению
где S – площадь поверхности тела раздетого человека, м 2 ;
S ОД - площадь поверхности тела, покрытой одеждой, м 2 ;
S О - площадь открытой поверхности тела, м 2 ;
t ОД - температура поверхности одежды, оС;
t СР – средняя радиационная температура, о С.
Теплоотдача испарением осуществляется путем испарения диффузионной влаги и пота. Диффузионная влага (неощутимая перспирация) теряется с поверхности кожи человека и верхних дыхательных путей в условиях теплового комфорта и охлаждения в состоянии относительного физического покоя. В комфортных условиях (сухое охлаждение) количество пара, выделившегося с 1 м 2 поверхности тела человека, составляет 23 г/час, а со всей поверхности – 40-42 г/час. При этом 1/3 приходится на долю потерь тепла испарением с верхних дыхательных путей и 2/3 – с поверхности кожи.
Потери тепла испарением с верхних дыхательных путей определяют по уравнению
Q ИСП.ДЫХ = 14,9 · 10 -6 · Q Т.П. · (1880 – Р А),
где Q Т.П. – теплопродукция человека Вт,
Р А – парциальное давление пара в окружающем воздухе, Па.
Скорость испарения влаги с поверхности тела зависит от:
Разности парциальных давлений пара в пограничном слое около кожи и в окружающем воздухе,
Скорости движения воздуха;
Воздухо- и паропроницаемости одежды;
Площади поверхности, увлажненной потом.
Площадь увлажненной поверхности тела может быть рассчитана по формуле
,
где Р НАС.К – давление насыщенного пара при температуре кожи над влажными участками кожи.
Потери тепла путем испарения диффузионной влаги с поверхности кожи могут быть определены по уравнению
Q ИСП.Д = 3,06 · 10 -3 · S(256t К – 3360 – Р А),
где Р А - парциальное давление пара в окружающем воздухе;
t К – температура кожи, о С.
Величина потоотделения человека определяется:
Уровнем физической активности человека;
Метеорологическими условиями;
Степенью соответствия одежды условиям эксплуатации.
Максимально возможные потери тепла испарением пота Qисп.п. могут быть определены по уравнению
Q ИСП.П = 17,3 . (Е Ф – е) . (0,5 + √v),
где Е Ф – максимально возможное давление водяного пара при температуре кожи человека, мм рт.ст;
е – давление водяного пара в воздухе (абсолютная влажность ), мм рт.ст., определяют по табличным данным в зависимости от температуры и относительной влажности воздуха.
Разницу (Еф – е) называют физиологическим дефицитом насыщения и определяют в зависимости от скорости движения воздуха и возможной величины испарения пота Р с поверхности тела человека .
Комфортные теплоощущения могут наблюдаться лишь при определенных соотношениях теплоотдачи испарением и теплоотдачи путем теплового потока (Q КОНВ + Q РАД + Q КОНД). Комфортный уровень теплоотдачи испарением Q ИСП.П.К , Вт, определяется из уравнения
.
Теплоотдача при дыхании составляет небольшую долю общих теплопотерь и возрастает с увеличением энергозатрат и уменьшением температуры воздуха.
Потери тепла на нагрев вдыхаемого воздуха Q ДЫХ.Н , Вт, могут быть определены из уравнения
Q ДЫХ.Н = 0,0012 . Q Э.Т. (34 – t В),
где t В – температура окружающего воздуха, о С;
34 – средняя температура выдыхаемого воздуха, о С.
По А.И.Бекетову температуру выдыхаемого воздуха рекомендуется принимать в зависимости от температуры вдыхаемого воздуха (табл.1.1.).
Совокупность физиологических механизмов, осуществляющих регулирование температуры тела, называется физиологической системой терморегуляции.
Образование тепла в организме. Тепло в организме образуется в результате окисления пищевых веществ в процессе распада белков, жиров и углеводов. Энергия, которая до этого находилась в них в скрытом состоянии, освобождается, расходуется и в конечном счете отдается организмом в виде тепла.
Местом, где главным образом происходит образование тепла, являются мышцы. Этот процесс идет даже тогда, когда человек находится в полном покое. Незначительные мышечные движения уже способствуют большему образованию тепла, а при ходьбе количество его повышается на 60-80 %. При мышечной работе образование тепла увеличивается в 4-5 раз. Кроме скелетных мышц, теплообразование происходит в желудке, кишках, печени, почках и других органах.
Образование тепла в организме сопровождается его отдачей. Организм теряет столько тепла, сколько в нем образуется, в противном случае человек погиб бы в течение нескольких часов.
Эти сложные процессы регуляции образования и отдачи тепла организмом называются терморегуляцией и совершаются рядом приспособительных механизмов, к рассмотрению которых мы и перейдем.
Регуляция теплообразования и теплоотдачи. Температура тела остается постоянной благодаря тому, что в организме регулируется как образование, так и отдача тепла.
Тепло расходуется организмом разными путями. Основным путем теплоотдачи является потеря тепла проведением, т. е. нагреванием окружающего воздуха и излучением; кроме того, тепло расходуется с выдыхаемым воздухом, на испарение пота и т. д.
Следовательно, температура тела человека сохраняется постоянной благодаря тому, что регулируется, с одной стороны, интенсивность окислительных процессов, т. е. образования тепла, а с другой, - интенсивность и объем теплоотдачи. Эти два способа регуляции получили название химической и физической терморегуляции.
Под химической терморегуляцией понимают изменение интенсивности обмена веществ под воздействием окружающей среды. Существует определенная зависимость между температурой воздуха и обменом веществ в организме. Так, при понижении температуры воздуха образование тепла в организме усиливается.
Наибольшая часть тепла образуется в мышцах. На холоде происходит дрожание мышц. При понижении температуры окружающей среды раздражаются кожные рецепторы, воспринимающие температурные раздражения: в них возникает возбуждение, которое идет в ЦНС и оттуда к мышцам, вызывая их сокращения. Таким образом, дрожь и озноб, которые мы испытываем в холодное время года или в холодном помещении, являются рефлекторными актами, способствующими усилению обмена веществ, а следовательно, увеличению образования тепла. Усиление обмена веществ происходит под влиянием холода, даже когда отсутствуют мышечные движения.
Значительное количество тепла образуется и в органах брюшной полости - в печени и почках. Это можно проследить, если измерять температуру крови, притекающей к печени и оттекающей от нее. Оказывается, что температура оттекающей крови выше температуры притекающей. Следовательно, кровь нагрелась при протекании через печень.
При повышении температуры воздуха теплообразование в организме уменьшается.
Физическая терморегуляция. При повышении или понижении температуры окружающей среды происходит не только изменение окислительных процессов, т. е. теплообразования, но и отдачи тепла, причем при понижении температуры отдача тепла уменьшается, а при повышении - увеличивается.
Тепло отдается организмом в основном путем проведения и излучения, и только некоторая часть - другими путями. Так, отдача тепла путем проведения составляет 31% всего образовавшегося в организме тепла, путем излучения - 44 %, при испарении воды кожей теряется 10 %, при испарении воды легкими - 12 %, на нагревание вдыхаемого воздуха и выделенных мочи и кала расходуется 3 % тепла.
Путем проведения тело теряет тепло на нагревание окружающего воздуха и предметов, с которыми соприкасается. Другой путь теплоотдачи - излучение тепла. При этом происходит
нагревание предметов, находящихся на некотором расстоянии от тела.
Как же происходит изменение теплоотдачи? Большую роль в теплоотдаче играет расширение и сужение сосудов кожи. Все знают, что на холодном, морозном воздухе кожа человека бледнеет, а когда воздух разогрет, раскален - краснеет.
Изменение цвета кожи обусловлено тем, что под влиянием холода кровеносные сосуды, в первую очередь артериолы, сужаются. В результате приток крови к поверхности тела уменьшается, а следовательно, снижается и теплоотдача путем проведения и излучения.
Под влиянием же тепла сосуды кожи расширяются, кровь обильно притекает к поверхности тела, что способствует усилению проведения и излучения тепла. Таким путем тепло отдается в окружающую среду только тогда, когда температура воздуха ниже температуры тела. Чем меньше разница между температурой кожи и температурой воздуха, тем меньше тепла отдается в окружающую среду. В этом случае значительную роль играет потоотделение. При испарении 1 г пота теряется 0,58 ккал. Так как потоотделение и испарение происходит непрерывно при любой температуре, то количество калорий, которое при этом теряет человек, зависит от интенсивности потоотделения. При средней температуре за день человек теряет около 800 мл пота. При потере такого количества пота расходуется 450- 500 ккал. При повышении температуры выделение пота увеличивается и иногда доходит до нескольких литров.
Наибольшее количество пота выделяется в тех случаях, когда температура воздуха равна или выше температуры тела. В этих условиях передача тепла путем проведения излучения невозможна, и поэтому оно расходуется в основном при помощи потоотделения.
В жарких странах или жарких помещениях, где температура воздуха равна 37°С или несколько выше, тепло отдается только испарением. При этом у человека выделяются в течение дня до 4,5 л пота, что обеспечивает отдачу 2400-2800 ккал.
Большое количество пота теряется при физической работе, причем происходит это при любой температуре. Подсчитано, что при особо тяжелых работах человек теряет в день до 9 л пота и, таким образом, путем испарения отдает до 5000 ккал.
Потоотделение в значительной степени зависит от насыщения воздуха водяными парами. При равных температурных условиях большее испарение пота, а следовательно, и большая потеря тепла обеспечиваются в условиях низкого содержания водяных паров в воздухе. Поэтому жара легко переносится в тех местах, где воздух более сухой.
Испарению пота препятствует непроницаемая одежда (резиновая, противоипритный костюм и т. п.). Человек в такой одежде потеет даже на морозе, так как вокруг него создается постоянный слой воздуха, который не обновляется ввиду отсутствия вентиляции. Этот слой воздуха насыщается парами, что препятствует дальнейшему испарению пота. Поэтому длительное пребывание в этих костюмах невозможно, так как вызывает повышение температуры тела.
В жарких странах, горячих цехах, при длительных походах человек теряет большое количество пота. Появляется жажда, но вода не утоляет ее; наоборот, чем больше воды пьет человек, тем он больше потеет и тем сильнее становится жажда.
Одновременно с потом теряются соли, поэтому возникает необходимость пополнить не только потерю воды, но и потерю солей. С этой целью к питьевой воде добавляют 0,5 % поваренной соли. Такую немного подсоленную воду дают в горячих цехах, при длительных походах и т. п. Она утоляет жажду и улучшает самочувствие.
Некоторую роль в теплоотдаче играет дыхание. Тепло расходуется на испарение воды легкими и отчасти на согревание вдыхаемого воздуха. На холоде происходит рефлекторное замедление дыхания, а при высокой температуре дыхание учащается, наступает так называемая тепловая одышка.
Для лучшей отдачи тепла большое значение имеет циркуляция воздуха. Когда воздух находится в движении, то около тела не создается постоянного слоя нагретого и насыщенного парами воздуха. В этом заключается значение вентиляторов, обмахивания и т. д. Одежда же создает неподвижный слой воздуха и тем самым затрудняет теплоотдачу.
Отдаче тепла препятствует подкожный жир. Чем толще слой жира, тем хуже она осуществляется. Поэтому люди с толстым жировым слоем в подкожной клетчатке легче переносят холод, чем худые.
Температура тела человека постоянна. Она измеряется в подмышечной впадине или в прямой кишке (у грудных детей). Средняя температура в подмышечной впадине колеблется в пределах 36,5-36,9°С, в прямой кишке - несколько выше (37,2-37,5 С). Температура внутренних органов выше, чем средняя температура тела, например температура печени равна 38-38,5°С. Температура тела человека колеблется в течение суток. Наиболее низкой она бывает в 3-4 ч
ночи, затем постепенно возрастает, доходя до наивысшей точки в 16 ч, и вновь начинает снижаться. Колебания температуры происходят в пределах 0,5°С от средней величины.
Температура тела может резко повыситься при мышечной работе и дойти до 38-39°С или даже до 40°С. По прекращении же работы она быстро падает и доходит до нормальной величины.
Постоянство температуры тела поддерживается уже описанными двумя механизмами: химической и физической терморегуляцией. Однако возможности человеческого организма ограничены, и при некоторых условиях эти механизмы оказываются недостаточными. Тогда нарушается постоянство температуры и наблюдается либо ее повышение, либо понижение. Повышение температуры выше нормы называется лихорадкой. Лихорадка может наступить потому, что увеличивается образование тепла при отсутствии изменений в теплоотдаче, или, наоборот, теплообразование остается неизменным, а теплоотдача уменьшается.
Понижение температуры до 32-33°С, как и увеличение ее свыше 42-43°С, приводит к смерти.
Центры терморегуляции. Центр терморегуляции, получивший название теплового центра, находится в промежуточном мозге. Деятельность его определяется двумя факторами: температурой крови и рефлекторными воздействиями. Если температура крови, омывающей промежуточный мозг, повышена, то центр терморегуляции возбуждается, и в деятельности организма наступают изменения, способствующие ее понижению. При понижении температуры крови центр теплообразования реагирует так, что усиливается интенсивность процессов, способствующих повышению температуры.
Другой способ возбуждения - рефлекторные воздействия. При воздействии температурных колебаний на кожу человека в рецепторах возникает возбуждение, которое поступает в тепловой центр. Оттуда импульсы идут уже к органам, связанным с теплообразованием (мышцы, печень и т. п.) и с теплоотдачей, и вызывают изменение их деятельности. Возбуждение из центров терморегуляции к органам теплообразования и теплоотдачи передается по симпатической нервной системе.
Исключительно большую роль в терморегуляции играет кора больших полушарий головного мозга. В нормальных условиях процесс теплообразования и теплоотдачи находится под ее влиянием.
Термокомфортной температурой для человека на воздухе обычно является +19°С, в воде - +34°С. При таких температурах система терморегуляции не включается.
Для поддержания постоянной температуры тела 36,6°С человеку нужно затратить 200 ккал в сутки.
Снижение температуры тела даже на 0,1° ведет к снижению иммунитета.
Похолодания в природе, как правило, бывают очень резкими. Чтобы безболезненно переносить климатические "сюрпризы", человек должен закаливаться.
Как известно, существуют три уровня реакции организма на разные по силе раздражители: тренировка, активация и стресс. Большой холод - это стресс, в том числе и психический. Если вы заранее боитесь переохлаждения, мерзнете и кутаетесь задолго до выхода на мороз, то вам надо срочно закалять не только тело, но и нервы. Эксперимент на выживание показал, что люди гибнут, как правило, не от холода, а от страха перед ним.
Настрой на закаливание ставит перед человеком стратегическую задачу: подружиться с холодом на всю жизнь. "Граница удовольствия" позволяет решать тактическую задачу: дозировать холод или жару. Если стратегия побуждает к закаливанию, то тактика контролирует нагрузку при закаливании. Причем делает это в соответствии с индивидуальными физиологическими особенностями организма и, разумеется, с учетом конкретных климатических условий.
Необходимость психологического настроя на закаливание, заинтересованность в нем - это самый важный принцип. На него нельзя жалеть времени.
Сущность закаливания - это тренировка процессов терморегуляции, которые включают теплопродукцию и теплоотдачу. Охлаждение стимулирует, с одной стороны, увеличение производства тепла в организме, а с другой - стремление сохранить его, не отдать наружу. Тренировка обучает организм четко реагировать на холод, быстро и активно отвечать на низкую температуру среды повышенной теплопродукцией и сниженной теплоотдачей. Таким образом, несмотря на холод, сохраняется обычная температура тела. У незакаленного человека механизмы терморегуляции срабатывают слабее, температура тела снижается, что ведет к ослаблению иммунной защиты и усилению активности патогенных микроорганизмов. В результате этого - простуды, грипп и др., которые не только выводят из рабочего состояния, но и аккумулируют вредные воздействия, что неизбежно подрывает общий потенциал организма и снижает его жизнестойкость.
Тепловой гомеостаз является основным условием жизнедеятельности. Образование тепла неразрывно связано с энергетическим обменом. Фактором, обеспечивающим непрерывное течение метаболизма в органах и тканях, является определенная температура крови, которая поддерживается специализированными механизмами саморегуляции.
Человек относится к гомойотермным организмам, которые вырабатывают много тепла и отличаются относительным постоянством температуры тела, незначительно изменяющейся в течение суток. Человек может переносить температурные колебания внутренней среды в диапазоне от 25 до 43 0 С.
Температурный фактор определяет скорость протекания ферментативных процессов, всасывания, проведения возбуждения и мышечного сокращения.
Температура тела человека различна в поверхностных и глубоких участках. Внутренние части тела, составляющие примерно 50% его массы, называются «ядром ». Сюда относят мозг, внутренние органы и кровь. Температура «ядра» относительно стабильна. Например, температура крови правого предсердия и температура нижней трети пищевода вблизи сердца варьирует незначительно и составляет величину порядка 36,7-37 0 С. В разных участках «ядра» температурные колебания составляют от 0,2 до 1,2 0 С. Оценка температуры «ядра» проводится в определенных легко доступных участках тела, температура которых практически не отличается от температуры «ядра». Такими участками являются прямая кишка, полость рта и подмышечная впадина. При этом оральная (подъязычная) температура обычно ниже ректальной на 0,2-0,5 0 С, а аксиллярная (в области подмышечной ямки) – ниже ректальной на 0,5-0,8 0 С. При плотном прижатии руки к грудной клетке граница внутреннего слоя «ядра» почти доходит до подмышечной впадины, однако для достижения этого должно пройти не менее 10 минут. Для определения температуры ткани используют различные виды термометров, а также оптический метод – термовизиография.
«Оболочкой » называют поверхностный слой тела толщиной 2,5 см, который характеризуется весьма большими различиями температуры в разных участках. Кроме этого эта температура зависит от температуры внешней среды. В правой и левой половине «оболочки» иногда наблюдается ассиметрия температур. Средняя температура кожи обнаженного человека составляет (при комфортной внешней температуре) 33-34 0 С. При этом температура кожи стопы значительно ниже температуры проксимальных участков нижних конечностей и в еще большей степени – туловища и головы. Температура кожи в области стопы в комфортных условиях равна 24-28 0 С, а при изменении внешних условий – 13-53 0 С. Температура различных частей тела человека в условиях холода и тепла представлена на рисунке 1.
У большинства млекопитающих температура тела соответствует диапазону 36-39 0 С. Интенсивность метаболизма (теплопродукции) определяется как массой тела, так и величиной отдачи тепла с поверхности тела. В соответствии с этим у животных с небольшими размерами тела и с большим, чем у крупных животных, отношением площади поверхности к величине массы тела теплопродукция на 1 кг массы выше.
Температура тела человека колеблется в течение суток в диапазоне 0,3-1,5 0 С, чаще 1,0 0 С. Эти колебания основаны на эндогенном ритме, который определяется «биологическими часами» организма, синхронизированными в режиме «день-ночь». Отчетливо выражен ритм температурных колебаний синхронизированный с менструальным циклом. На ритм суточных температурных изменений накладываются и другие ритмы.
Температура тела определяется соотношением теплопродукции и теплоотдачи. Когда они не соответствуют друг другу, физиологическая система терморегуляции адаптивно меняет теплопродукцию или теплоотдачу. Тем самым обеспечивается относительная стабильность температуры внутренней среды организма. При изменениях температуры окружающей среды в пределах 21-53 0 С температура тела обнаженного человека может оставаться стабильной в течение нескольких минут.
Теплопродукция (химическая терморегуляция) – это способ поддержания температуры тела на оптимальном для метаболизма уровне, осуществляемый за счет изменения интенсивности метаболических экзотермических реакций, в ходе которых образуется тепло. Наибольшее количество тепла образуется в органах с интенсивным обменом веществ: печени, почках, эндокринных и пищеварительных железах, скелетных мышцах. Меньше тепла образуется в костях, хрящах и соединительной ткани. Прием пищи повышает интенсивность обменных процессов на 30%. Наиболее выраженное специфическое динамическое действие оказывают белки, затем углеводы и жиры. Химическая терморегуляция зависит от ряда факторов: индивидуальных особенностей организма, температуры окружающей среды, интенсивности мышечной работы, характера питания, эмоционального состояния, кислородного обеспечения организма, степени ультрафиолетового облучения, интенсивности видимого света. Различают сократительную и несократительную теплопродукцию.
Сократительная теплопродукция связана с произвольными и непроизвольными сокращениями мышц. Произвольные сокращения приводят к многократному увеличению теплообразования, при этом повышаются и теплопотери за счет усиления отдачи тепла конвекцией. То есть произвольные сокращения представляют собой слишком расточительный способ повышения теплопродукции. Непроизвольные сокращения мышц встречаются в двух вариантах: дрожи и терморегуляторного тонуса. Дрожь является экономным способом теплопродукции, так как этот тип сократительной двигательной активности обеспечивает переход всей энергии мышечного сокращения в тепловую энергию. Терморегуляторный тонус развивается в основном в области мышц спины и шеи. Теплопродукция при этом возрастает на 40-50%. Терморегуляторные тонические сокращения возникают при снижении температуры внешней среды на 2 0 С относительно уровня комфорта. Такие сокращения имеют характер зубчатого тетануса, близкого к режиму одиночных сокращений и являются более адаптивными, так как в этом случае при многократном периодическом действии холода формируются изменения тканевых структур – структурный след адаптации. Одним из проявлений таких структурно-адаптационных изменений является увеличение в скелетных мышцах количества красных (медленных) волокон, выполняющих в основном тоническую функцию.
Несократительная теплопродукция значительно выражена в адаптированном к холоду организме. Доля такого механизма в обеспечении прироста теплопродукции на холоде может составлять 50-70%. Развивается это явление в различных тканях, но специфическим субстратом является бурая жировая ткань. Эта ткань локализована у человека в области шеи, между лопаток, в средостении около аорты, крупных вен и симпатической цепочки. Количество бурой жировой ткани составляет 1-2% массы тела, но при адаптации может увеличиться до 5% массы тела. Скорость окисления жирных кислот в бурой жировой ткани в 20 раз превышает эту скорость в белой жировой ткани. При действии холода в этой ткани растут кровоток и уровень обмена веществ, увеличивается температура. Бурая жировая ткань обогревает близлежащие крупные кровеносные сосуды.
Теплоотдача (физическая терморегуляция) – это способ поддержания температуры тела путем отдачи тепла в окружающую среду. Теплоотдача осуществляется за счет физических процессов: теплопроведения, теплоизлучения, конвекции и испарения. Эффективным органом теплоотдачи является кожа благодаря наличию в ней большого количества потовых желез и артериоло-венулярных анастомозов. К поверхности тела потоки тепла переносятся в основном кровью. Кровоток значительно варьирует при изменении просвета сосудов, в частности, состояния артериоло-венулярных анастомозов. Механизмы теплоотдачи в условиях пониженной и повышенной температуры окружающей среды представлены на рисунке 2.
Конвекция – перемещение нагреваемого кожей слоя воздуха вверх и его замещение более холодным воздухом. Конвекция происходит в том случае, когда кожа теплее окружающего воздуха.
Проведение происходит в основном тогда, когда человек погружается в воду, температура которой ниже нейтральной (31-36 0 С). Ввиду того, что теплопроводность воды в 25 раз выше теплопроводности воздуха, кожа человека охлаждается в воде в 50-100 раз быстрее. Если температура воды близка к нулю, то через 1-3 часа может наступить смерть, так как тело человека охлаждается со скоростью 6 0 С в час. В воде теплоотдача происходит в несколько раз быстрее еще и потому, что кроме проведения в воде имеет место и конвекция. Увеличение содержания в организме жира ограничивает эффект теплоотдачи в воде путем конвекции.
Теплоизлучение обеспечивается инфракрасными лучами с длиной волны 5-20 мкм. Эти лучи испускаются кожей при наличии рядом находящихся предметов с более низкой температурой. Обнаженный человек может терять таким путем до 60% тепла.
Теплоиспарение составляет около 20% теплоотдачи тела человека в условиях комфортной температуры среды. Это единственный способ отдачи тепла в окружающую среду, если ее температура оказывается равной температуре тела. Путем испарения 1 л воды человек может отдать одну треть всего тепла, вырабатываемого в условиях покоя в течение суток. Существует два варианта испарения воды с поверхности тела: испарение пота в результате его выделения и испарение воды , оказавшейся на поверхности путем диффузии. Потоотделение – составная часть целостной реакции организма на тепловое воздействие. Испарение выделяющегося пота способствует потере тепла. Испарение воды путем диффузии происходит через слизистые оболочки дыхательных путей. Потери тепла, обусловленные дыханием, составляют 10-13% от общей теплоотдачи организма. Выделение тепла происходит также с мочой и калом.
Механизмы регуляции теплопродукции и теплоотдачиТерморецепция осуществляется свободными окончаниями тонких сенсорных волокон типа А и С. Существуют терморецепторы центральные и периферические.
Кожные терморецепторы передают в центры терморегуляции сигналы об изменениях температуры среды, а также обеспечивают формирование температурных ощущений. Число Холодовых рецепторов кожи во много раз больше числа тепловых рецепторов. Холодовые рецепторы во внутренних органах и тканях также преобладают.
В центральной нервной системе – спинном и среднем мозге, а также в гипоталамусе – имеются центральные терморецепторы , которые называются термосенсорами . Центральные аппараты физиологической системы терморегуляции имеют большое число входных каналов. Так, термосенсоры могут возбуждаться при их непосредственном охлаждении или нагревании на 0,011 0 С и в результате изменять интенсивность как теплопродукции, так и теплоотдачи организма в целом.
Центр терморегуляции локализуется в гипоталамусе, в котором имеется три вида терморегуляторных нейронов:
1) афферентыне нейроны, принимающие сигналы от периферических и центральных терморецепторов;
2) вставочные;
3) эфферентные нейроны, контролирующие активность эффекторов системы терморегуляции.
От периферических терморецепторов информация поступает в медиальную преоптическую область переднего гипоталамуса . В его ядрах происходит сравнение полученных с периферии сигналов с активностью центральных терморецепторов, которые отражают температурное состояние мозга. Эти две информации интегрируются в заднем гипоталамусе . Полученные, в результате интеграции сигналы начинают управлять процессами теплопродукции и теплоотдачи. В заднем гипоталамусе также располагается моторный центр дрожи, связанный с моторными центрами спинного и продолговатого мозга. Терморецепторы кожи информируют ЦНС о повышении или понижении температуры окружающей среды еще до изменения температуры внутренней среды, при этом включаются терморегуляторные механизмы, которые предотвращают это отклонение. Такая регуляция носит название «регуляции по опережению». Моторный центр дрожи работает как «регулятор по отклонению» так как он возбуждается при снижении температуры тела даже на доли градусов. Кроме гипоталамуса в терморегуляции участвует кора больших полушарий. Она работает как «регулятор по опережению».
Регуляция теплопродукции осуществляется: во-первых, соматической нервной системой , которая запускает сократительные терморегуляторные реакции (дрожательные), во-вторых, симпатической нервной системой , которая активирует выделение из бурой жировой ткани норадреналина, включение в метаболические процессы свободных жирных кислот. Кроме этого симпатическая нервная система запускает выделение из коры надпочечников катехоламинов. В результате повышается выделение первичного тепла за счет рассогласования процессов окисления и фосфорилирования.
Регуляция теплоотдачи связана с активностью симпатической нервной системы. Её возбуждение приводит к сужению кровеносных сосудов кожи, а холинергические симпатические нейроны возбуждают потовые железы.
При снижении температуры «ядра» происходит активация холодовых гипоталамических, органных и сосудистых терморецепторов. В результате активизируется гипоталамический центр теплопродукции и снижается теплоотдача.
При повышении температуры внутренней среды организма активируются гипоталамические, сосудистые, кожные и органные теплорецепторы. Гипоталамический центр теплоотдачи активизируется, и процесс выработки тепла уменьшается, а теплоотдача увеличивается.
Адаптация к периодическим изменениям температуры, закаливание и здоровьеТемпературная акклиматизация – это приспособление к многократным повышениям и снижениям температуры внешней среды. Она является целостной реакцией организма, которая развивается при участии практически всех систем организма.
При действии на организм холода повышение теплопродукции сочетается с постепенно развивающимся снижением КПД мышечных сокращений, в результате большая часть энергозатрат направлена на согревание тела. В результате повышается потребление кислорода, увеличивается легочная вентиляция и сократительная активность сердца, повышается АД. В крови увеличивается концентрация гемоглобина, в мышцах увеличивается количество миоглобина. Происходит перераспределение кровотока: он уменьшается на периферии и увеличивается в центре. Что может приводить к холодовому диурезу, вследствие снижения секреции альдостерона и АДГ.
Пластическая адаптация (толерантность) возникает при длительном действии холода (ныряльщики за жемчугом). Она связана с тем что, порог развития дрожи и повышение теплопродукции смещается в сторону более низких температур. При этом на уровне молекул, клеток и тканей появляются изменения, которые способствуют повышению устойчивости к изменениям температуры внутренней среды организма. Тогда функции организма меняются незначительно, хотя температура тела может быть ниже 36 0 .
У постоянных жителей тропических районов земного шара развивается, напротив, привыкание к теплу: температура тела этих людей повышена даже в покое, и увеличение теплоотдачи начинается у них при температуре тела на 0,50 более высокой, чем у жителей районов с умеренным климатом.
У людей, неоднократно по несколько месяцев работающих в условиях антарктических экспедиций, постепенно развиваются энергетически более экономные реакции, в частности, повышается регулирующая активность парасимпатической нервной системы.
На ранних этапах адаптации используются преимущественно генотипические механизмы, которые в экстремальных условиях избыточны и расточительны. В более поздние сроки резервы организма не только своевременно восстанавливаются, но и увеличиваются – развиваются фенотипические механизмы, которые являются более гибкими и экономными.
Рисунок 1. Механизмы теплоотдачи в условиях пониженной и повышенной температуры окружающей среды.
В основе жизнедеятельности организма лежит обмен веществ и энергии, который сопровождается образованием тепла при биологическом окислении молекул белков, жиров и углеводов. То есть, в организме человека постоянно генерируется тепло. Интенсивность обмена веществ и количество образующегося тепла в организме напрямую связаны между собой. При увеличении скорости обменных процессов увеличивается теплообразование, а при повышении температуры тела ускоряется биологическое окисление. Чтобы не произошло затухания или лавинообразного роста этих процессов, организм имеет средства для отведения и сохранения тепла.
Человек относится к группе т.н. гомойотермных (теплокровных) организмов, способных сохранять температуру тела на постоянном уровне. Средняя температура «ядра» тела равна 37°С, и это значение колеблется незначительно в течение дня. Значительные изменения температуры тела человека могут наблюдаться во время болезни, при длительных изнурительных физических нагрузках или в экстремальных ситуациях. При этом организм человека может перенести понижение внутренней температуры тела на 10 °С, а её повышение – лишь на 5 °С. Способность организма поддерживать постоянную внутреннюю температуру зависит от возможности уравновешивать количество тепла, образующегося при метаболизме и поступающего из окружающей среды, с тем его количеством, которое отдает тело.
Температура тела отражает динамическое равновесие между образованием тепла и его отдачей. Она повышается, если образование тепла превышает его отведение, например, при интенсивных физических нагрузках в теплых и влажных условиях окружающей среды, и понижается, если теплопотери превосходят теплообразование.
Суммарная теплопродукция (теплообразование) в организме состоит из первичной и вторичной теплоты. Первичная теплота выделяется в ходе постоянно протекающих во всех органах и тканях реакций обмена веществ. Вторичная теплота образуется при расходовании энергии макроэргических соединений на выполнение человеком определенной мышечной работы. Уровень теплообразования в организме зависит от величины основного обмена, «специфически динамического действия» принимаемой пищи, мышечной активности и интенсивности метаболизма в тканях.
Метаболические процессы осуществляются с неодинаковой интенсивностью в различных органах и тканях, поэтому вклад в общую теплопродукцию организма отдельных органов и тканей неравнозначен. Наибольшее количество тепла образуется в скелетных мышцах при их тоническом напряжении или сокращении. Образование тепла, наблюдающееся в мышцах при этих условиях, получило название сократительного термогенеза (сократительной теплопродукции), который является наиболее значимым механизмом теплообразования у взрослого человека. У новорожденных, а также у мелких млекопитающих животных имеется механизм ускоренного теплообразования за счет возрастания метаболической активности в других тканях и, прежде всего, в буром жире. Бурую окраску этой ткани придает большое количество окончаний симпатических нейронов, содержащих медиатор норадреналин. В условиях холодового воздействия на организм под влиянием выделяющегося из симпатических нервных окончаний норадреналина происходит интенсивное окисление жирных кислот. Бурый жир характеризуется избытком митохондрий, которые окружают мелкие капельки жира в цитоплазме. Окисление жирных кислот в митохондриях бурой жировой ткани осуществляется без значимого синтеза макроэргов и, таким образом, с максимально возможным образованием теплоты. Этот механизм получил название несократительного термогенеза (несократительной теплопродукции). Посредством механизмов несократительного термогенеза уровень теплопродукции у человека может быть увеличен примерно в три раза по сравнению с уровнем основного обмена.
Определив среднюю температуру тела и зная его массу (Мт), можно приблизительно определить содержание тепла (СТ) в теле. Содержание тепла представляет собой общее количество калорий тепла в тканях организма. Чтобы определить СТ, надо установить удельную теплоемкость тканей организма.
Удельная теплоемкость субстанции представляет собой количество тепла, необходимого для изменения температуры этой субстанции на ГС. Килокалория - это единица измерения тепловой энергии, представляющая количество тепла, необходимого для того, чтобы повысить температуру 1 кг воды на один градус Цельсия. Следовательно, удельная теплоемкость воды равна 1,0 ккал*кг -1 *°С -1 . Другие компоненты тела имеют разную удельную теплоемкость. Средняя удельная теплоемкость тканей составляет 0,83 ккал*кг -1 *°С -1 . Таким образом, при повышении температуры тела человека массой 50 кг на один градус Цельсия увеличение количества теплоты составит 0,83 ккал на каждый килограмм массы тела, а общая величина составит 41,5 ккал (0,83 ккал*кг -1 *50 кг).
Зная среднюю удельную теплоемкость (0,83 ккал*кг -1 *°С -1), можно определить содержание тепла в организме СТ = 0,83 (Мт х Ттела).
Предположим, что средняя температура человека массой 50 кг равна 35,3 °С.
СТ = 0,83 (50 кг х 35,3°С);
СТ= 1,465 ккал.
Таким образом, тело человека массой 50 кг содержит 1,465 ккал тепла.
Перенос тепла
В состоянии покоя в теле среднего человека образуется тепла 1,25–1,50 ккал в минуту. Полное блокирование способности организма рассеивать тепло приведет к увеличению образования тепла до 75–90 ккал в час. Таким образом, способность избавляться от чрезмерного метаболического тепла играет очень важную роль даже в состоянии покоя.
а. Проведение
Проведение или кондукция представляет собой прямой перенос тепла между молекулами вещества в твердой, жидкой или газообразной среде. Проведение играет роль при переносе тепла от глубоких тканей к поверхности тела. Однако по причине низкой теплопроводности тканей организма количество переносимого тепла сравнительно невелико. Охлаждение поверхности тела через проведение осуществляется путем нагрева молекул воздуха, жидкости и твердых поверхностей, которые контактируют с кожей.
Интенсивность переноса тепла через проведение зависит от нескольких факторов:
Разницы температур кожи и контактирующей среды (воздух, жидкость, твердая поверхность);
Тепловых качеств этой среды (теплопроводность и теплоемкость);
Площади контакта.
При комнатной температуре предметы с высокой теплопроводностью и теплоемкостью кажутся на ощупь более холодными, так как они способны отводить и абсорбировать тепло в разы эффективнее, чем окружающий воздух. Находясь на природе, в жару, для эффективного охлаждения тела можно прилечь на большой камень, укрытый от солнца. Обладающий высокой теплопроводностью камень быстро заберет часть лишнего тепла от перегретого тела.
б. Конвекция
Эффективность переноса тепла через проведение зависит, в том числе, от того, насколько быстро контактирующий с кожей слой воздуха (или воды) покидает её после нагрева. Теплообмен путем перемещения слоев воздуха или воды называется конвекцией . Если конвекция протекает медленно, то на поверхности кожи образуется изолирующий слой нагретого воздуха, который снижает эффективность переноса тепла через проведение. Максимальная толщина изолирующего слоя может достигать 4–8 мм. Если же, напротив, прохладный воздух постоянно заменяет подогретые слои воздуха, отведение тепла увеличивается, так как изолирующий слой не успевает сформироваться.
Различают естественную и форсированную (принудительную) конвекцию. При естественной конвекции тепло уносится ламинарным потоком воздуха. Движущей силой при этом является разность температур тела и его окружения.
При форсированной конвекции осуществляется дополнительный обдув поверхности тела воздухом. Наиболее очевидные примеры - ветер, «сквозняк», поток воздуха от вентилятора; менее очевидные - интенсивное перемещение всего тела или отдельных его частей относительно окружающего воздуха. Поэтому с увеличением скорости бега или езды на велосипеде увеличивается интенсивность теплоотдачи.
Кроме того, явление конвекции играет большую роль в субъективном восприятии низкой температуры окружающего воздуха, в формировании т.н. ветро-холодового индекса . Известно, что в ветреную погоду холод переносится тяжелее, чем в штиль. Это следует учитывать при планировании различных видов активности вне помещений в холодное время года. С практической целью разработаны таблицы значений ветро-холодового индекса.
Следует отметить, что именно за счет конвекции большая часть вырабатываемого организмом тепла переносится в кровоток. Кровь, обладая большой теплоемкостью, является особенно хорошим накопителем и переносчиком тепла. Это способствует поддержанию теплового баланса всего организма.
в. Излучение
Все объекты, включая людей, постоянно излучают тепло в виде инфракрасных волн (т.н. лучистую энергию). Подобная форма переноса тепла не требует непосредственного контакта между объектами. При этом тепло передается от более нагретого объекта к менее нагретому. Так как температура тела человека обычно выше нормальной комнатной температуры, часть тепла отводится путем излучения. Только за счет излучения в состоянии покоя от тела к его окружению переносится до 60 % тепла.
С другой стороны, объекты с высокой температурой способны отдавать тепло телу человека. Например, бытовые электрообогреватели, печи, электроплиты. Самый крупный источник излучения – Солнце. Даже при относительно низкой температуре воздуха (вплоть до 0°С), тело человека может «подогреваться», получая тепловую энергию прямых и отраженных от снега, песка или воды солнечных лучей. Это явление хорошо знакомо альпинистам и горнолыжникам.
г. Испарение
Испарение – процесс перехода вещества из жидкого состояния в паро- или газообразное состояние. Испарение – эндотермический процесс, который он протекает с поглощением теплоты. Благодаря этому вода, испаряющаяся с дыхательных путей и с поверхности кожи, постоянно переносит тепло от тела в окружающую среду. Один литр испаренной воды уносит 580 ккал. Конвекция усиливает эффективность испарения. Процесс обратный испарению называется конденсацией.
В покое и при нейтральных температурных условиях вклад испарения в наружный перенос тепла относительно невелик и составляет около 20 % (для сравнения, вклад излучения – 60 %). Однако, в условиях высокой температуры воздуха механизмы «сухого теплообмена» начинают работать в обратном направлении, тело начинает нагреваться, получая тепло через излучение, проведение и конвекцию. В этом случае испарение остается единственным эффективным путем отведения тепла.
При выполнении физических упражнений испарение также выступает в роли основного процесса рассеяния тепла, его вклад может достигать 80 %. Необходимость развития этого механизма возникла вследствие того, что мощности процессов «сухого теплообмена» недостаточно для отведения всего избытка тепла, образующегося в результате интенсивной мышечной деятельности. Следует помнить, что испарение – основная защита организма от перегрева.
Около 300 мл воды ежедневно испаряется со слизистых оболочек дыхательных путей. Это так называемые неощущаемые потери жидкости. Они относительно постоянны и не способны помочь, когда телу необходимо отдать больше тепла. В неощущаемых потерях также участвует небольшое количество воды, диффундирующей через кожу.
Железистая или ощутимая потеря жидкости является результатом работы потовых желез. По поверхности кожи распределено от двух до четырех миллионов потовых желез. В условиях теплового стресса эти эккринные железы, контролируемые холинэргическими симпатическими нервными волокнами, секретируют большое количество гипотонического солевого раствора (0,2–0,4 % NaCl). Испарение пота с кожи оказывает охлаждающее действие. Охлажденная кожа, в свою очередь, отводит часть тепла от крови, циркулирующей между глубокими и поверхностными тканями.
Интенсивность испарения очень зависит от относительной влажности воздуха и находится от нее в обратной зависимости. В условиях повышенной влажности парциальное давление водяного пара в воздухе становится близким к его значению у влажной кожи, около 40 мм рт. ст., и дальнейшее насыщение воздуха испаренной влагой становится затрудненным. Скорость испарения значительно снижается, а капли выделившегося пота стекают по коже, пропитывают одежду или даже падают на землю. Так как эта вода не принимает участия в отведении тепла, то ее выделение становится неэффективным. Подобное обильное потоотделение может привести к быстрой дегидратации и перегреву организма. Выполнение физической работы в плотной, «недышащей» одежде так же осложняет испарение пота, так как между кожей и одеждой образуется насыщенная влагой прослойка воздуха. С другой стороны, постоянное удаление пота с кожи, например, сухим полотенцем, также препятствует охлаждению тела через испарение.
Именно испарение, а не выделение пота, охлаждает тело человека.
