Терморегуляция организма человека позволяет сохранять температуру тела постоянной. Теплообмен в организме
Между человеком и окружающей его средой постоянно происходит теплообмен. Факторы окружающей среды воздействуют на организм комплексно, и в зависимости от их конкретных значений вегетативные центры (полосатое тело, серый бугор промежуточного мозга) и ретикулярная формация, взаимодействуя с корой головного мозга и посылая по симпатическим волокнам импульсы к мышцам, обеспечивают оптимальное соотношение процессов теплообразования и теплоотдачи.
Терморегуляцией организма называется совокупность физиологических и химических процессов, направленных на поддержание температуры тела в определенных пределах (36,1...37,2 °С). Перегрев тела или его переохлаждение приводит к опасным нарушениям жизненных функций, а в некоторых случаях — к заболеваниям. Терморегуляция обеспечивается изменением двух составляющих теплообмен процессов — теплопродукции и теплоотдачи. На тепловой баланс организма существенно влияет теплоотдача, как наиболее управляемая и изменчивая.
Теплота вырабатывается всем организмом, но более всего поперечнополосатыми мышцами и печенью. Теплообразование организма человека, одетого в домашнюю одежду и находящегося в состоянии относительного покоя при температуре воздуха 15...25°С, сохраняется приблизительно на одном и том же уровне. С понижением температуры оно увеличивается, а при ее повышении с 25 до 35 °С несколько уменьшается. При температуре более 40 °С выработка теплоты начинает увеличиваться. Эти данные свидетельствуют о том, что регуляция производства теплоты в организме главным образом происходит при пониженных температурах окружающей среды.
Теплопродукция возрастает при выполнении физической работы, причем тем больше, чем тяжелее работа. Количество вырабатываемой теплоты зависит также от возраста и состояния здоровья человека. Усредненные значения теплопродукции взрослого человека в зависимости от температуры окружающего воздуха и тяжести выполняемой работы приведены в таблице 14.3.
14.3. Теплопродукция человека в зависимости от температуры воздуха и тяжести выполняемой работы
|
Температура воздуха, "С |
Теплопродукция, Дж/с |
Температура воздуха, °С |
Теплопродукция, Дж/с |
|
Состояние покоя |
Работа средней тяжести |
||
|
Легкая работа |
Тяжелая и очень тяжелая работа |
||
Различают три вида теплоотдачи организма человека:
излучение (в виде инфракрасных лучей, испускаемых поверхностью тела в направлении предметов с меньшей температурой);
конвекция (нагревание омывающего поверхность тела воздуха);
испарение влаги с поверхности кожи, слизистых оболочек верхних дыхательных путей и легких.
Процентное соотношение между этими видами теплоотдачи человека, находящегося в нормальных условиях в состоянии покоя, выражается следующими цифрами: 45/30/25. Однако указанное соотношение может изменяться в зависимости от конкретных значений параметров микроклимата и тяжести выполняемой работы.
Теплоотдача излучением происходит только в том случае, когда температура окружающих предметов ниже температуры открытых участков кожи (32. ..34, 5 °С) или наружных слоев одежды (27. ..28 °С для легко одетого человека и приблизительно 24 °С для человека в зимней одежде). Основная часть излучения относится к инфракрасному диапазону с длиной волны (4. ..50) * 10-6м. При этом теряемое организмом в единицу времени количество теплоты, Дж/с (1 Дж/с = 1 Вт),
Pp = Sδ(Tч4 - То4),
где
S— площадь поверхности тела человека,
определяемая по графику (рис. 14.1), м2. Если масса и рост человека
неизвестны, то принимают S= 1,5м2; δ — приведенный
коэффициент излучения, Вт/(м2*К4): для хлопчатобумажной
ткани 5 = 4,2*10-8, для шерсти и шелка δ = 4,3*10 , для
кожных
покровов человека δ = 5,1*10-8; Тч — температура
поверхности тела человека: для раздетого человека 306 К (это
соответствует 33
°С); Тo — температура окружающей среды, К.
Рис. 14.1. График для определения площади поверхности тела человека в зависимости от его массы и роста
Теплоотдача конвекцией также происходит в случае, если температура поверхности кожи или верхних слоев одежды выше температуры омывающего их воздуха. При отсутствии ветра прилегающий к поверхности кожи раздетого человека слой воздуха толщиной 4...8 мм нагревается за счет его теплопроводности. Более отдаленные слои нагреваются вследствие естественного движения воздуха или принудительного побуждения. С увеличением скорости движения воздуха толщина окружающего человека пограничного слоя уменьшается до 1 мм, а теплоотдача поверхности тела возрастает в несколько раз. Потери теплоты конвекцией через дыхательные пути меньше, чем от кожного покрова, и происходят в тех случаях, когда температура вдыхаемого воздуха ниже температуры тела. Теплоотдача конвекцией повышается с ростом барометрического давления.
Приближенно потери теплоты в единицу времени конвекцией, Дж/с, можно определить по формуле
Pк1 = 7(0,5 + √v)S(Tч - То)
Рк2 = 8,4(0,273 + √v)S(Tч - То)
где v — скорость движения воздуха, м/с.
Первую формулу используют при скорости движения воздуха v ≤ 0,6 м/с, вторую — при v > 0,6 м/с.
Испарение — это теплоотдача при повышенной температуре воздуха, когда указанные ранее способы теплоотдачи затруднены или невозможны. В обычных условиях на большей части поверхности тела человека происходит неощутимое потоотделение, возникающее в результате диффузии воды без активного участия потовых желез. Исключение составляют поверхности ладоней, подошв и подмышечных впадин (составляющие примерно 10 % поверхности тела), на которых пот выделяется непрерывно.
В результате испарения организм в сутки теряет в среднем около 0,6 л воды. Так как на испарение 1 г воды затрачивается приблизительно 2,5 кДж теплоты, то потери ее за сутки составят приблизительно 1500кДж. С увеличением температуры воздуха и степени тяжести работы за счет более активного проникновения жидкости через стенки оплетающих потовые железы артериальных сосудов и нервной регуляции потоотделение усиливается, достигая за смену 5 л, а в некоторых случаях 10... 12 л. Отдача теплоты также возрастает.
При слишком интенсивном выделении пот не всегда успевает испариться и может выделяться в виде капель. В этом случае влажный слой на коже препятствует теплоотдаче, приводя в дальнейшем к перегреванию организма. Кроме влаги с потом человек теряет большое количество солей (в 1 л пота содержится 2,5...2,6 г хлорида натрия) и водорастворимых витаминов (С, BI, 62), что приводит к сгущению крови и ухудшению работы сердца. Следует отметить, что при потере количества воды, равного 1 % общей массы тела, у человека возникает чувство сильной жажды; утрата 5 % воды приводит к потере сознания, 10% — к смерти.
Количество выделяемого пота зависит и от индивидуальных особенностей организма, а также от степени его приспособляемости к данным климатическим условиям. На интенсивность испарения влаги влияют температура и скорость движения воздуха.
Через дыхательные пути испаряется около 300...350 г влаги в сутки, что приводит к потере 750...875 кДж теплоты.
Общие потери теплоты испарением в единицу времени, Дж/с, можно приближенно определить по формуле
Ри = 0,6547q(1 + kл), где q — интенсивность выделения пота, г/ч, определяемая взвешиванием человека; kл — коэффициент пересчета теплоотдачи через легкие, зависящий от температуры окружающего воздуха: при О "С kл = 0,43, при 18 °С — 0,3, при 28 °С — 0,23, при 35 °С - 0,035 и при 45°С kл = 0,015.
Жизнедеятельность человека сопровождается непрерывным выделением теплоты в окружающую среду. Ее количество зависит от степени физического напряжения и составляет от 85 Вт (в состоянии покоя) до 500 Вт (при выполнении тяжелой работы) . Чтобы физиологические процессы в организме протекали нормально, выделяемая организмом теплота должна полностью отводиться в окружающую среду. Нарушение теплового баланса может привести к перегреву либо к переохлаждению организма и, как следствие, к потере трудоспособности, быстрому утомлению, потере сознания и тепловой смерти.
Температурный режим кожи играет основную роль в теплоотдаче. Ее температура изменяется в довольно значительных пределах и под одеждой составляет 30...34 °С. При неблагоприятных метеорологических условиях на отдельных участках тела температура может понижаться до 20 °С, а иногда и ниже.
Нормальное тепловое самочувствие имеет место, когда тепловыделения человека полностью воспринимаются окружающей средой, т.е. когда имеется тепловой баланс и температура внутренних органов остается постоянной. Если теплопродукция организма не может быть полностью передана окружающей среде, происходит рост температуры внутренних органов и такое тепловое самочувствие характеризуется понятием «жарко». Наивысшая температура внутренних органов, которую выдерживает человек, составляет 43 °С. В случае, когда окружающая среда воспринимает больше теплоты, чем ее воспроизводит человек, происходит охлаждение организма. Такое тепловое самочувствие характеризуется понятием «холодно». Минимальная температура внутренних органов, которую выдерживает человек, составляет 25 °С. Комфортной средой является такая, охлаждающая способность которой соответствует теплопродукции человека. В условиях комфорта у человека не возникает беспокоящих его тепловых ощущений - холода или перегрева.
Тепловой баланс организма человека при различных метеоусловиях различен. Наибольшее влияние на самочувствие человека оказывает температура
воздуха. Она ощущается, в первую очередь, открытыми поверхностными частями тела человека. От температуры тела зависят интенсивность обмена веществ и окислительных процессов в тканях, регулирование кровоснабжения кожи, потоотделения и дыхания. При обычной температуре от кожного покрова человека в воздух помещения отводится до 45 % теплоты путем излучения, до 30 % за счет конвективного теплообмена и до 25 % при испарении пота.
Высокая температура воздуха оказывает неблагоприятное воздействие на сердечно-сосудистую и центральную нервную систему человека. Низкая температура может вызвать местное и общее переохлаждение организма, стать причиной простудных заболеваний.
Теплообмен между человеком и окружающей средой осуществляется посредством конвекции (процесс обмывания тела воздухом).
Температура, скорость, относительная влажность и атмосферное давление окружающего воздуха получили название показателей микроклимата , а их числовые значения -параметров микроклимата .
Параметры микроклимата и интенсивность физической нагрузки организма характеризуют степень комфортности производственного микроклимата, теплоощущения человека, его работоспособность.
Установлено, что при температуре воздуха более 30 °С работоспособность человека начинает падать. Предельная температура вдыхаемого воздуха, при
которой человек еще в состоянии дышать в течение нескольких минут без специальных средств защиты, составляет около 116 °С.
Переносимость человеком температуры также зависит от влажности и скорости передвижения окружающего воздуха. Чем больше относительная влажность воздуха, тем меньше испаряется пота в единицу времени и тем быстрее наступает перегрев организма. Особенно неблагоприятное воздействие на тепловое самочувствие человека оказывает высокая влажность при температуре воздуха выше 30 °С. При такой температуре вся выделяемая теплота идет на испарение пота. Но при высокой влажности пот не испаряется, а стекает каплями с поверхности кожного покрова, изнуряя организм и не обеспечивая необходимую теплоотдачу. Вместе с потом организм человека теряет значительное количество минеральных солей. При неблагоприятных условиях производственного микроклимата потеря жидкости человеком может достигать 8...10 л за смену и с ней до 40 г поваренной соли (всего в организме человека около 140 г). При высокой температуре воздуха более интенсивно расходуются углеводы, жиры, разрушаются белки.
Длительное воздействие высокой температуры, особенно в сочетании с повышенной влажностью, может привести к значительному накоплению теплоты в организме и развитию перегревания организма выше допустимого уровня - гипертермии - состояния, при котором температура тела поднимается до
38...39 °С (тепловой удар). При этом состоянии возникает головная боль, головокружение, общая слабость, искажение цветового восприятия, сухость во рту, тошнота, рвота, обильное потовыделение, пульс и дыхание учащены. Наблюдается бледность, синюшность, зрачки расширены, временами могут появляться судороги, потеря сознания.
В горячих цехах по ремонту железнодорожного подвижного состава имеются технологические процессы, которые протекают при температурах, значительно превышающих температуру воздуха окружающей среды. Нагретые поверхности излучают в пространство потоки лучистой энергии, которые могут привести к отрицательным последствиям. Инфракрасные лучи оказывают на организм человека в основном тепловое воздействие, при этом наступает нарушение нормальной деятельности сердечно-сосудистой и центральной нервной системы. Эти лучи могут вызвать ожог кожи и глаз. Наиболее частым и тяжелым поражением глаз вследствие воздействия инфракрасных лучей является катаракта глаза.
Производственные процессы, выполняемые при пониженной температуре, большой подвижности и влажности воздуха, могут явиться причиной охлаждения и даже переохлаждения организма - гипотермии. В начальный период воздействия умеренного холода наблюдается уменьшение частоты дыхания, увеличение объема вдыхаемого воздуха. При продолжительном действии холо-
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.
Почему человеку бывает холодно, а лягушке даже на Монблане не нужен пуховик? Согреет ли нас гусиная кожа, и за что производители одежды должны благодарить гомеостаз?
Кто из нас, взбираясь на гору с тяжеленным рюкзаком, не ворчал по поводу излишне теплой одежды? А потом, вечером, не пытался в ней же согреться у костра? Почему в одной и той же куртке может быть и холодно, и жарко, и как на ощущение климатического комфорта влияет температура окружающего воздуха или интенсивность физической активности? О том, почему греет одежда, мы рассказывали в статье . В этой статье мы поговорим о том, почему человек вообще нуждается в одежде, и зачем она должна его греть.
Голландец Вим Хоф (Wim Hof) по прозвищу «Ледяной человек» (The Iceman) прославился своей слабой чувствительностью к холоду. Он установил несколько рекордов, связанных с продолжительностью пребывания человека в экстремально холодных условиях. Айсмен провел 72 минуты в емкости с холодной водой и льдом, взошел на французский Монблан босиком и совершил еще множество «хладнокровных» поступков, недоступных большинству простых людей.
В отличие от Вима Хофа, другое живое существо — обычная лягушка — на Монблан не забирается, но прочие низкотемпературные подвиги совершает постоянно, что, однако, не делает ее знаменитой. Можно, конечно, предположить, что Iceman, в отличие от лягушки, преуспел в вопросах PR, однако истина в другом. Лягушка, как и многие другие представители животного мира и рыб, является существом холоднокровным. Человек, наоборот, принадлежит к довольно большой теплокровной группе. Холодно- и теплокровные организмы приспосабливаются к среде и реагируют на изменение температурных условий по-разному.
В XIX веке французский медик Клод Бернар (Claude Bernard) вывел принципы, которые затем легли в основу теории гомеостаза . Согласно этой теории живой организм образует единую энергетическую систему с окружающей средой и стремится сохранить постоянство своей внутренней среды.
Эволюция предложила разные варианты обеспечения гармонии между организмом и окружающей средой. Например, уже знакомая нам лягушка хладнокровно решила, что температура ее тела будет практически такой же, как у воды и воздуха вокруг нее. В результате лягушка нормально живет при температуре ее собственного лягушачьего тела от 0 до 25 градусов по Цельсию. Животные подобные лягушке при сильном понижении температуры способны впадать в анабиоз — состояние, когда жизнедеятельность организма замедляется почти до полной остановки. Некоторые из таких животных, например сибирский углозуб, даже зимуют в глыбе льда, замерзая до весны вместе с водой, в которой они плавали. Такой способ приспособления к условиям окружающей среды называется конформационным .
Сибирский углозуб может зимовать в глыбе льда, замерзая вместе с водой, в которой плавал
Человек, в отличие от лягушки, нормально функционирует только если температура его собственного тела постоянна и не изменяется вслед за температурой окружающей среды. Этот способ адаптации называется регуляторным и достигается с помощью развитой физиологической системы терморегуляции, управляющей теплообменом. Эта система следит за внутренней температурой организма человека, и если она отклоняется от нормальных 37 ºС в ту или другую сторону, то запускаются механизмы коррекции. Дрожание на холоде или потение в жару — внешние проявления работы таких механизмов.
У обоих вариантов гомеостаза есть свои преимущества и недостатки. Холоднокровные животные меняют «стиль жизни» в зависимости от внешних условий и могут переносить низкие температуры в течение длительного времени, снижая свою активность практически до нуля. Теплокровные, наоборот, тратят значительные силы на поддержание стабильной внутренней температуры тела, но это дает им возможность сохранять обычную активность при довольно широком диапазоне внешних температур.
Теплообмен
Что же такое теплообмен? К чему все эти мучения с потением или, наоборот, что приятного в мурашках на коже?
Теплообмен — это перенос тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Такой процесс всегда имеет одно направление и необратим. То есть перенос тепла от нагретого утюга к брюкам возможен, а вот брюки нагретому утюгу передать тепло не смогут. Процесс теплообмена по своему принципу похож на поведение жидкости в сообщающихся сосудах: жидкость будет перетекать из одного сосуда в другой до тех пор, пока уровень жидкостей в двух сообщающихся сосудах не станет одинаковым. Так и тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому до тех пор, пока их температура не станет одинаковой.
Три вида теплообмена
Теплообмен принято делить на три вида: теплопроводность, лучистый теплообмен и конвекция.
1. Теплопроводность — это непосредственный перенос тепла от более нагретого к менее нагретому. Горячий кофе передает тепло чашке, а чашка — рукам. Это будет происходить до тех пор, пока температура напитка, чашки и рук не сравняется. И наоборот, если емкость с напитком холодна (например, фужер с коньяком), то тепло передается в обратном направлении — от рук к напитку. Именно благодаря теплопроводности хороший коньяк, нагреваясь, становится очень хорошим.
Холодные уши — вовсе не признак дурака. Так устроен любой человек
Человеческое тело отдает свое тепло не только коньяку, но и окружающей среде — воздуху или другим холодным предметам, с которыми человек соприкасается. Различные зоны человеческого тела делают это по-разному. Например, верхняя часть, особенно голова и шея, отдают много тепла, а ноги и участки тела с большим количеством подкожного жира — мало. Кстати, именно поэтому упитанные люди мерзнут меньше худых.
2. Лучистый теплообмен — это вариант теплообмена без непосредственного контакта тел. Так нас греет солнце или любой другой нагретый предмет, даже не прикасаясь к которому, мы можем сказать, что от него исходит жар.
Солнце греет нас на расстоянии благодаря лучистому теплообмену
3. Конвекция — вид теплообмена, осуществляемого движущимися потоками одного и того же вещества. Благодаря конвекции перемешивается вода в стоящем на огне чайнике. То же самое происходит с теплым воздухом под одеждой. Поднимаясь вдоль тела и выходя наружу, он уступает место воздуху с улицы, и мы начинаем мерзнуть.
Виды конвекции в чайнике и туристе
Роль механизмов регуляции теплообмена
Внутренняя температура тела человека поддерживается за счет теплопродукции — производства тепла в ходе обмена веществ и мышечной деятельности. Здоровый организм не замечает эту температуру, но даже небольшое — в половину градуса — ее изменение является поводом для того, чтобы забраться в постель, потребовать тишины, глинтвейна и оплаченного больничного листа.
Но не менее важна для человека и температура среды его обитания.
Голый человек способен продолжительно и эффективно функционировать лишь в довольно узком диапазоне температур окружающей среды — в районе 27 ºС. Если температура окружающей среды поднимается выше 27 градусов, возникает риск гипертермии (перегрева). В таких случаях система терморегуляции человека увеличивает теплоотдачу за счет испарения влаги, вырабатываемой потовыми железами. Кроме этого осуществляется перераспределение кровотока от внутренних органов к внешней поверхности тела.
И наоборот, когда температура окружающей среды заметно и продолжительно опускается ниже 27 градусов, организм включает механизмы терморегуляции, которые уменьшают потери тепла и увеличивают теплопродукцию.
К таким механизмам относятся:
Дрожание — быстрое непроизвольное сокращение мышц, в процессе которого выделяется тепло для согрева внутренних органов.
Отток крови от внешней, охлажденной поверхности тела. Такой отток не позволяет крови отдавать тепло, необходимое для работы внутренних органов. Этот эффект проявляется, в частности, как замерзание пальцев рук и ног.
Гусиная кожа — мурашки, которые вызываются напряжением микромыщц, отвечающих за положение волосков на коже. У человека это наследие предков является классическим атавизмом, но у наших прародителей эти мышцы поднимали шерсть, увеличивая высоту волосяного покрова. Это удерживало воздух у кожи, который как теплоизолятор уменьшал тепловые потери.
Однако возможности терморегуляции не безграничны, и при дальнейшем устойчивом понижении температуры среды возникает риск различных нарушений в функционировании организма, развиваются симптомы гипотермии (переохлаждения), появляется дискомфорт, чувство «замерзания». Поэтому когда температурные условия выходят за определенные границы, собственных возможностей организма становится недостаточно, и человеку требуется посторонняя помощь. Одним из главных помощников человека в обеспечении температурного комфорта является одежда. Как именно она помогает, читайте в материале «Кто согревает теплую одежду».
Резюме:
- Одежда является одним из основных способов обеспечения температурного комфорта в условиях широкого диапазона температур окружающей среды.
Способность человека поддерживать стабильное состояние организма при изменениях окружающей среды называется гомеостазом.
Человек — существо теплокровное и нормально функционирует лишь при внутренней температуре 37 ºС и внешней 27 ºС.
При изменении этих температур в ту или иную сторону включаются механизмы естественной терморегуляции человеческого организма, усиливающие или, наоборот, ослабляющие теплообмен.
Возможности естественной терморегуляции ограниченны, и при значительном изменении температуры окружающей среды человек может столкнуться с проблемами переохлаждения или перегрева.
