12.3. тепловые воздействия

12.3. тепловые воздействия

Организм человека поддерживает постоянную температуру тела, которая отличается от температуры внешней среды. Вследствие этого между телом человека и окружающей средой возникает теплообмен. Задача организма состоит в обеспечении равенства между теплотой, выделяющейся в организме (Qвыд) и теплотой, отдаваемой в окружающую среду (Qотд). Если по каким-либо причинам поддержание баланса между выделяемой и отдаваемой теплотами становится невозможным, организм погибает от переохлаждения или от перегрева. Выделение теплоты в организме происходит за счет энергии метаболических процессов и характеризуется удельной теплопродукцией — количеством теплоты, выделяемой единицей массы, тела за 1 с. Передача теплоты в окружающую среду осуществляется за счет процессов теплообмена, указанных ниже.

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

Теплообмен за счет теплопроводности

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

Передачу теплоты путем теплопроводности в однородной среде описывают законом Фурье.

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

При расчете теплообмена между телом и окружающей средой, осуществляемого путем теплопроводности через одежду, величины, входящие в это уравнение, имеют следующий смысл:

S, м2 — площадь поверхности одежды;

ΔT, К — разность температур между внутренней и внешней сторонами одежды;

ΔХ, м — толщина одежды;

 — коэффициент теплопроводности материала одежды.

Значения коэффициента теплопроводности для некоторых веществ приведены в табл. 12.4.

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

Таблица 12.4

Коэффициент теплопроводности

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

Теплообмен за счет конвекции

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

Теплообмен посредством конвекции описывается законом Ньютона

Здесь:

• Рс — тепловой поток от организма к среде, Вт;

• S — площадь поверхности тела, м2;

• Тn, Тв — соответственно температуры поверхности тела (внешней стороны одежды) и воздуха;

• αс — коэффициент теплопередачи конвекцией,

Для открытых участков конвекционные процессы значительно интенсивнее теплопередачи путем теплопроводности и в воздухе играют основную роль. Напротив, для участков тела, укрытых одеждой, конвекционные процессы могут быть сведены к нулю. Например, температура поверхности зимней одежды обычно равна температуре окружающего воздуха: Тn = Тв и в соответствие с(12.13)Рс=0.

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

Теплообмен за счет испарения

Еще один механизм, посредством которого организм отдает теплоту в окружающую среду, связан с испарением жидкости. Количество теплоты, расходуемой на парообразование, определяется формулой:

где т — масса испарившейся жидкости, г — удельная теплота парообразования.

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

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

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

Теплообмен за счет теплового излучения

Еще один способ теплообмена между телом и окружающей средой состоит в испускании и поглощении электромагнитных волн.

Тепловое излучение — электромагнитное излучение, испускаемое веществом и возникающее за счет его внутренней энергии.

Тепловое излучение обусловливается возбуждением частиц вещества при соударениях в процессе теплового движения или ускоренным движением зарядов (колебания ионов кристаллической решетки, тепловое движение свободных электронов и т. д.). Оно возникает при любых температурах и потому присуще всем телам.

Характеристики теплового излучения

Процессы испускания и поглощения теплового излучения количественно характеризуются следующими величинами.

Поток излучения (Ф) — энергия, которую излучает вся поверхность тела за единицу времени.

По своей сути поток — это мощность излучения. Размерность этой характеристики — [Дж/с = Вт].

Энергетическая светимость (Re) — энергия теплового излучения, испускаемая с единичной поверхности нагретого тела за единицу времени.

И поток излучения, и энергетическая светимость зависят от строения вещества и его температуры: Ф = Ф(Т), Re = Re(T).

Энергетическая светимость Re, определенная выше, охватывает весь диапазон длин испускаемых волн (теоретически — от нуля до бесконечности). Для того, чтобы показать, как излучаемая энергия распределена по этому диапазону, используют специальную величину, называемую спектральной плотностью энергетической светимости. Обозначим энергию теплового излучения, испускаемую единичной поверхностью тела за 1 с в узком интервале длин волн от λ, до λ+dλ через dRe.

Спектральной плотностью энергетической светимости (т) (испускательной способностью) называется отношение энергетической светимости в узком участке спектра (dRe) к ширине этого участка (dλ):

Поясним физический смысл этой величины. Пусть dλ = 1 м. Тогда выполняется численное равенство τ(λ) = dRe, поэтому спектральная плотность показывает величину энергии, излучаемой за единицу времени с единичной поверхности в интервале длин волн шириной 1 м (от λ до λ + 1м). Размерность τ — [ Вт/м3].

Зная спектральную плотность энергетической светимости тела, можно рассчитать энергетическую светимость тела в любом диапазоне. Например, энергетическая светимость, приходящаяся на диапазон длин волн (λ1 λ2), определяется следующим интегралом:

В частности, полная энергетическая светимость тела равна:

Как уже указывалось, тела не только испускают, но и поглощают тепловое излучение. Способность тела поглощать энергию характеризуется коэффициентом поглощения α. Пусть на тело падает монохроматическое излучение с длиной волны λ. Обозначим поток этого излучения Фпад . Тело поглощает только часть этого потока — Фпогл, величина которой зависит от длины волны λ и температуры тела.

Монохроматическим коэффициентом поглощения (α) называется отношение потока излучения, поглощенного данным телом, к потоку излучения, упавшего на него:

Для всех реальных тел коэффициент поглощения зависит от длины волны падающего излучения. Из определения следует, что 0 < α < 1. В общем случае вид функцииможет быть весьма сложным.

Ниже приводятся некоторые простейшие типы поглощения.

Абсолютно черное тело — такое тело, коэффициент поглощения которого равен единице для всех длин волн: α = 1. Оно поглощает все падающее на него излучение.

Хотя тел, которые являются абсолютно черными, в природе нет, нетрудно построить достаточно хорошую модель абсолютно черного тела — маленькое отверстие в замкнутой непрозрачной полости со стенками, покрытыми сажей. Луч, попавший в это отверстие, после многократных отражений от стенок, будет поглощен практически полностью. Кроме того, к абсолютно черному телу близки поглощательные свойства сажи, черного бархата, платиновой черни и т. п.

Спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела обозначается символом е. Ее зависимость от длины волны определяет спектр излучения черного тела, который играет особую роль. С ним связаны спектры других тел.

Абсолютно белое тело — такое тело, коэффициент поглощения которого равен нулю для всех длин волн: α = 0.

Истинно белых тел в природе нет, однако существуют тела, близкие к ним по свойствам в достаточно широком диапазоне. Например, зеркало в оптической части спектра отражает почти весь падающий свет.

Серое тело — такое тело, для которого коэффициент поглощения меньше единицы и не зависит от длины волны: α = const < 1.

Некоторые реальные тела обладают этим свойством в определенном интервале длин волн. Например, «серой» (α = 0,9) можно считать кожу человека в инфракрасной области.

Законы теплового излучения

Между испускательной способностью тела и его поглощательной способностью существует связь, выражаемая законом Кирхгофа.

Отношение спектральной плотности энергетической светимости к величине монохроматического коэффициента поглощения не зависит от природы тела и является универсальной функцией длины волны и абсолютной температуры (ε):

Если применить этой закон к абсолютно черному телу, для которого, то получим Таким образом, получается, что универсальная функция в правой части (12.18) представляет собой спектральную плотность энергетической светимости абсолютно черного тела.

Как было уже сказано, атомы и молекулы любого тела излучают электромагнитные волны, уносящие с собой часть внутренней энергии тела. Энергетическая светимость повышается при увеличении температуры тела. Для абсолютно черного тела, справедлив закон Стефана — Больцмана:

Энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры.

где σ — постоянная Стефана — Больцмана, σ = 5,669 10-8 Вт/(м2 К4). Полный поток теплового излучения со всей поверхности абсолютно черного тела определяется формулой

Как следует из закона Кирхгофа, энергетическая светимость реальных тел (α <1) меньше чем у абсолютно черного тела. В частности, для серого тела можно записать

где— приведенный коэффициент поглощения.

Поскольку каждое тело излучает само и в то же время получает энергию излучения от окружающих тел, то суммарная интенсивность тепловых потерь равна разности потоков, излучаемых и поглощаемых данным телом:

Р = Физл— Фпогл.

Для серого тела можно записать:

где Тп, T0 — температуры поверхности тела и окружающей среды сответственно, S — площадь поверхности тела, а δ — приведенный коэффициент поглощения.

Ниже приведены параметры поглощения для некоторых материалов.

Для одетого человека под температурой Тп следует понимать температуру поверхности одежды. Рассмотрим следующий пример.

Пример

Для раздетого человека, температура поверхности кожи которого 33°С (306 К), а площадь поверхности 1,5 м2, мощность потерь за счет теплового излучения при температуре окружающей среды 18°С(291К)равна

Р =1,5 ∙5,1 ∙ 10-8∙(3064 — 2914)122Вт.

При той же температуре окружающей среды у человека в хлопчатобумажной одежде, температура поверхности которой 24°С (297 К), мощность потерь в несколько раз меньше:

Род= 1,5 • 4,2 • 10-8• (2974 — 2914) 37 Вт.

Особенности теплового излучения человека

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

• особенностями васкуляризации (плотности снабжения органов и тканей сосудами) поверхностей тканей;

• уровнем метаболических процессов (обмена веществ)в них;

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

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

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

Воздействие низких температур

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

Защита от тепловых воздействий

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

Для защиты от радиационного нагрева космонавтов, выходивших на поверхность Луны, применялся специальный комбинезон, надеваемый на скафандр. Он состоял из нескольких слоев ткани с блестящей металлической поверхностью (до 14 слоев). Внутри скафандра располагались трубки, по которым циркулировала охлаждающая жидкость. При разработке конструкции скафандра пришлось учитывать, что теплопродукция различных частей организма неодинакова. Поэтому охлаждающие трубки в защитном костюме располагались так, чтобы 50\% их приходилось на ноги, 23\% — на руки, 19\% — на туловище, 8\% — на голову и шею. На рис. 12.6 показан защитный костюм космонавта.

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

Рис. 12.6. Скафандр космонавта:

1 — костюм с водяным охлаждением; 2 — внутренняя оболочка скафандра;

3 — вентилируемый костюм; 4 — герметизирующая дополнительная оболочка;

5 — герметизирующая основная оболочка; 6 — силовая оболочка; 7 — экранно-вакуумная тепловая изоляция