Теплообмен

Жизнь может протекать в узком диапазоне температур.

Ядро и внешняя оболочка тела

Терморегуляция

Виды терморегуляции

Физическую терморегуляцию – удаление из организма тепла (теплоотдача).

Химическая терморегуляция (теплопродукция)

Источником тепла в организме являются ткани , в которых происходят химические реакции, в результате которых высвобождается энергия.

Теплопродукция является химической терморегуляцией, т.к. тепло (энергия) образуется в результате химических реакций, т.е. теплопродукция – это химический процесс.

Повышение t окружающей среды вызывает рефлекторное понижение обмена веществ, и в организме понижается теплообразование.

Повышение теплообразования идет за счет повышения мышечной активности и ускорения процессов обмена веществ.

Физическая терморегуляция (теплоотдача)

Отдача тепла является физическим процессом, который идет по законам физики, поэтому теплоотдачу называют физической терморегуляцией.

Пути теплоотдачи

1) Теплопроведение (конвекция) - отдача тепла воздуху и прилегающим к коже предметам или частицам среды при соприкосновении. Чем холоднее воздух, тем сильнее отдача тепла данным путем и сильнее охлаждается кожа, и наоборот.

2) Теплоизлучение (радиация, кондукция) – это отдача тепла окружающим предметам путем излучения телом инфракрасных (тепловых лучей) лучей.

Теплоизлучение больше, когда больше t тела и ниже температура окружающих предметов. В состоянии покоя за счет теплоизлучения из организма выходит 60 % тела.

Рефлекторное изменение просвета кожных сосудов регулирует теплоотдачу.

При повышении t окружающей среды расширяются артериолы (кожа краснеет), что приводит к усилению кондукции и конвекции. При снижении t окружающей среды - наоборот – сосуды кожи суживаются, что приводит к снижению теплопроведения и теплоизлучения.

3) Испарение – это выделение тепла путем испарения воды с поверхности тела (2/3) и в процессе дыхания (1/3).

Испарение с потом в состоянии покоя составляет 500 мл за сутки, при повышении t окружающей среды и при физической нагрузке 10 – 15 л жидкости в сутки.

При дыхании выделяется около 200­-500 мл Н2О.

При понижении t окружающей среды 90 % суточной теплоотдачи идет за счет кондукции и конвекции, видимого испарения нет.

При t 18 – 22 °С теплоотдача снижается за счет теплопроведения и теплоизлучения, но повышается за счет испарения.

Если t окружающей среды равна t тела или больше ее, то главный способ отдачи тепла - испарение.

Таким образом, постоянство температуры тела человека обеспечивается химической и физической терморегуляцией

Регуляция теплообмена

1. Нервно-рефлекторный механизм терморегуляции

Терморегуляция осуществляется рефлекторно. Колебания t воспринимаются терморецепторами кожи, слизистой рта, верхних дыхательных путей.

Много их на коже лица, а мало на коже нижних конечностей. Одни терморецепторы возбуждаются под действием холода-колбочки Краузе. Их около 250 тыс. и они расположены более поверхностно. Другие терморецепторы возбуждаются под действиемтепла- тельца Руффини. Их около39 тыс. и они расположены глубже холодовых.

Проводящий путь температурной чувствительности (латеральный спиноталамический путь)

Терморецепторы кожи и слизистых оболочек - чувствительные нейроны спинномозговых ганглиев

(1 -е нейроны) – афферентные (чувствительные) волокна – чувствительные ядра задних рогов спинного мозга (2 - е нейроны)– афферентные волокна боковых канатиков спинного мозга – ядра таламуса (3 - е нейроны) – нейроны четвертого слоя коры постцентральной извилины

(4 -е нейроны). В коре головного мозга происходит высший анализ температурных ощущений

и возникают ощущения тепла и холода.

Гипоталамус – это главный рефлекторный центр терморегуляции:

А) Передние отделы гипоталамуса контролируют физическую терморегуляцию- центр теплоотдачи.

Б) Задние отделы гипоталамуса отвечают за теплообразование –центр теплопродукции.

2. Гормональный (эндокринный) механизм терморегуляции

Осуществляется гормонами щитовидной железы и надпочечников.

Гормоны щитовидной железы – тироксин , трийодтиронин повышают обмен веществ и теплообразование.

Гормон надпочечников – адреналин повышает окислительные процессы и теплообразование. Он сужает сосуды, что приводит к снижению теплоотдачи.

Нарушения терморегуляции – гипертермия, гипотермия, тепловой удар, лихорадка.

Биология и генетика

Различают несколько механизмов отдачи тепла в окружающую среду. Излучение отдача тепла в виде электромагнитных волн инфракрасного диапазона. Количество тепла рассеиваемого организмом в окружающую среду излучением пропорционально площади поверхности излучения площади поверхности тела не покрытой одеждой и градиенту температуры. При температуре окружающей среды 20с и относительной влажности воздуха 4060 организм взрослого человека рассеивает путём излучения около 4050 всего отдаваемого тепла.

Терморегуляция, виды терморегуляции.

Терморегуляция – это совокупность физиологических процессов, деятельность которых направлена на поддержание относительного постоянства температуры ядра в условиях изменения температуры среды с помощью регуляции теплопродукции и теплоотдачи. Терморегуляция направлена на предупреждение нарушений теплового баланса организма или на его восстановление, если подобные нарушения уже произошли, и осуществляется нервно-гуморальным путём.

Терморегуляцию можно разделить на два основных вида: химическую и физическую терморегуляцию.

Они, в свою очередь, также подразделяются на несколько видов:

1. Химическая терморегуляция

Сократительный термогенез

Несократительный термогенез.

1. Физическая терморегуляция

Излучение.

Теплопроведение (кондукция)

Конвекция

Испарение

Рассмотрим эти виды терморегуляции подробнее.

Химическая терморегуляция

Сократительный термогенез

Этот вид терморегуляции работает если нам холодно и необходимо поднять температуру тела. Заключается этот метод в сокращении мышц.

При сокращении мышц возрастает гидролиз АТФ, поэтому возрастает поток вторичной теплоты, идущей на согревание тела.

Произвольная активность мышечного аппарата, в основном, возникает под влиянием коры больших полушарий. При этом повышение теплопродукции возможно в 3–5 раз по сравнению с величиной основного обмена.

Обычно при снижении температуры среды и температуры крови первой реакцией является увеличение терморегуляционного тонуса (волосы на теле "встают дыбом", появляются "мурашки") . С точки зрения механики сокращения, данный тонус представляет собой микровибрацию и позволяет увеличить теплопродукцию на 25–40% от исходного уровня. Обычно в создании тонуса принимают участие мышцы головы и шеи.

При более значительном переохлаждении терморегуляционный тонус переходит в мышечную холодовую дрожь . Холодовая дрожь представляет собой непроизвольную ритмическую активность поверхностно расположенных мышц, в результате которой теплопродукция повышается. Считается, что теплопродукция при холодовой дрожи в 2,5 раз выше, чем при произвольной мышечной деятельности.

Описанный механизм работает на рефлекторном уровне, без участия нашего сознания. Но поднять температуру тела можно и при помощи сознательной двигательной активности.

При выполнении физической нагрузки разной мощности теплопродукция возрастает в 5–15 раз по сравнению с уровнем покоя. Температура ядра на протяжении первых 15–30 минут длительной работы довольно быстро повышается до относительно стационарного уровня, а затем сохраняется на этом уровне или продолжает медленно повышаться.

Несократительный термогенез

Этот вид терморегуляции может приводить, как повышению, так и к понижению температуры тела.

Он осуществляется путём ускорения или замедления катаболических процессов обмена веществ. А это, в свою очередь, будет приводить к снижению или увеличению теплопродукции. За счёт этого вида термогенеза теплопродукция может вырасти в 3 раза.

Регуляция процессов несократительного термогенеза осуществляется путём активации симпатической нервной системы, продукции гормонов щитовидной и мозгового слоя надпочечников.

Физическая терморегуляция

Под физической терморегуляцией понимают совокупность физиологических процессов, ведущих к изменению уровня теплоотдачи. Различают несколько механизмов отдачи тепла в окружающую среду.

1. Излучение – отдача тепла в виде электромагнитных волн инфракрасного диапазона. За счёт излучения отдают энергию все предметы, температура которых выше абсолютного нуля. Электромагнитная радиация свободно проходит сквозь вакуум, атмосферный воздух для неё тоже можно считать «прозрачным». Количество тепла, рассеиваемого организмом в окружающую среду излучением, пропорционально площади поверхности излучения (площади поверхности тела, не покрытой одеждой) и градиенту температуры. При температуре окружающей среды 20°с и относительной влажности воздуха 40–60% организм взрослого человека рассеивает путём излучения около 40–50% всего отдаваемого тепла.
2. Теплопроведение (кондукция) – способ отдачи тепла при непосредственном соприкосновении тела с другими физическими объектами. Количество тепла, отдаваемого в окружающую среду этим способом, пропорционально разнице средних температур контактирующих тел, площади соприкасающихся поверхностей, времени теплового контакта и теплопроводности.
3. Конвекция – теплоотдача, осуществляемая путём переноса тепла движущимися частицами воздуха (воды). Воздух, соприкасающийся с кожей, нагревается и поднимается, его место занимает «холодная» порция воздуха и т. д. В условиях температурного комфорта этим способом тело теряет до 15% всего отдаваемого тепла.
4. Испарение – отдача тепловой энергии в окружающую среду за счёт испарения пота или влаги с поверхности кожи и слизистых дыхательных путей. За счёт испарения организм в условиях комфортной температуры отдаёт около 20% всего рассеиваемого тепла. Испарение делится на 2 вида.

Неощущаемая перспирация – испарение воды со слизистых дыхательных путей (через дыхание) и воды, просачивающейся через эпителий кожного покрова (Испарение с поверхности кожи. Оно идёт даже в случае, если кожа сухая.).

За сутки через дыхательные пути испаряется до 400 мл воды, т.е. организм теряет до 232 ккал в сутки. При необходимости эта величина может быть увеличена за счёт тепловой одышки.

Через эпидермис в среднем за сутки просачивается около 240 мл воды. Следовательно, этим путём организм теряет до 139 ккал в сутки. Эта величина, как правило, не зависит от процессов регуляции и различных факторов среды.

Ощущаемая перспирация – отдача тепла путём испарения пота . В среднем за сутки при комфортной температуре среды выделяется 400–500 мл пота, следовательно, отдаётся до 300 ккал энергии. Однако при необходимости объём потоотделения может увеличиться до 12 　 л в сутки, т.е. путём потоотделения можно потерять до 7000 ккал в сутки.

Эффективность испарения во многом зависит от среды: чем выше температура и ниже влажность, тем выше эффективность потоотделения как механизма отдачи тепла. При 100% влажности испарение невозможно.

При изменении параметров среды, окружающей человека, в данном случае микроклимата, изменяется и тепловое его самочувствие. Если какие-либо условия нарушают тепловой баланс организма, то незамедлительно происходят реакции, его восстанавливающие.

Терморегуляция организма человека - это процессы регулирования выделений тепла, способствующие поддержанию постоянной которая близка к 36,5 градусам. Условия, которые нарушают нормальный человека, называются дискомфортными. Условия, при которых нормален, не возникает напряженной обстановки с теплообменом, называются комфортными. Они, также, являются оптимальными. Зона, полностью отводящая тепло, выделяемое организмом, в которой не происходит напряжение системы терморегуляции, является зоной комфорта.

Существует три способа, с помощью которых осуществляется терморегуляция организма:

1. Биохимический способ.
2. Изменение интенсивности кровообращения.
3. Интенсивность потовыделения.

При первом способе, биохимическом, изменяется интенсивность происходящих в организме процессов. Например, при понижении температуры окружающей среды возникает мышечная дрожь, которая повышает выделение теплоты. Подобная терморегуляция организма человека называется химической.

При втором способе, организм самостоятельно регулирует подачу крови, которая, в данном случае, рассматривается как носитель тепла. Она транспортирует тепло от внутренних органов к поверхности организма. При этом происходит необходимое сужение, либо расширение сосудов. При высокой температуре вокруг - сосуды расширяются, приток крови от внутренних органов усиливается, при низкой температуре происходит обратный процесс. уменьшается приток крови, наружу поступает меньше тепла.

При уменьшении температуры воздуха происходит снижение теплоотдачи, потоотделения, влажности поверхности кожи, следовательно, за счет уменьшения испарения снижается теплоотдача организма. Большие потери влаги могут быть опасны для человека.

Во втором и третьем случае происходит физическая терморегуляция организма человека.

Микроклимат существенно влияет на состояние человека, его работоспособность. На комфортность условий жизни и деятельности оказывает влияние газовый оптимальные метеоусловия. Параметры микроклимата обеспечивают теплообмен организма с окружающей средой. Это и есть терморегуляция человека.

В условиях естественных эти параметры колеблются в значительных пределах. При их изменении становится не таким, как раньше и самочувствие человека. К примеру, переносимость окружающего воздуха зависит не только от температуры, но и от влажности, скорости воздуха. Доказано, что при температуре окружающей среды, превышающей 25 градусов, работоспособность снижается. А чем больше тем быстрее наступает перегрев организма, потому что меньше пота испаряется. Выделение его изнуряет организм. При этом он теряет много витаминов, микроэлементов, минералов.

При длительном воздействии на организм высокой температуры в сочетании с повышенной влажностью температура тела может подниматься до 39 градусов. Это состояние называется гипертермией. Оно может быть опасным для жизни.

Пониженные температуры воздуха являются также быть опасными. Они не менее опасны, чем высокие. Возникает охлаждение и переохлаждение, называемое гипотермией. И, как результат - холодовые травмы.

Терморегуляция организма человека происходит всеми способами сразу. Но периодически какой-то из них бывает задействован меньше, а какой-то гораздо больше.

Основными параметрами, обеспечивающими процесс теплообмена человека с окружающей средой, как было показано выше, являются показатели микроклимата. В естественных условиях на поверхности Земли (уровень моря) они изменяются в существенных пределах. Так, температура окружающей среды изменяется от --88 до + 60 °С; подвижность воздуха -- от 0 до 60 м/с; относительная влажность -- от 10 до 100 % и атмосферное давление -- от 680 до 810 мм рт. ст.

Вместе с изменением параметров микроклимата меняется и тепловое самочувствие человека. Условия, нарушающие тепловой баланс, вызывают в организме реакции, способствующие его восстановлению. Процессы регулирования тепловыделений для поддержания постоянной температуры тела человека называются терморегуляцией. Она позволяет сохранять температуру тела постоянной. Терморегуляция осуществляется в основном тремя способами: биохимическим путем; путем изменения интенсивности кровообращения и интенсивности потовыделения.

Терморегуляция биохимическим путем, называемая химической терморегуляцией, заключается в изменении теплопродукции в организме за счет регулирования скорости окислительных реакций. Изменение интенсивности кровообращения и потовыделения изменяет отдачу теплоты в окружающую среду и поэтому называется физической терморегуляцией.

Терморегуляция организма осуществляется одновременна всеми способами. Так, при понижении температуры воздуха увеличению теплоотдачи за счет увеличения разности температур препятствуют такие процессы, как уменьшение влажности кожи, и следовательно, уменьшение теплоотдачи путем испарения, снижение температуры кожных покровов за счет уменьшения интенсивности транспортирования крови от внутренних органов, и вместе с этим уменьшение разности температур. Экспериментально установлено, что оптимальный обмен веществ в организме и соответственно максимальная производительность деятельности имеют место, если составляющие процесса теплоотдачи находятся в следующих пределах:

Q к? 30 %; Q п? 50 %; Q тм? 20 %.

Такой баланс характеризует отсутствие напряженности системы терморегуляции.

Параметры микроклимата оказывают непосредственное влияние на тепловое самочувствие человека и его работоспособность. Установлено, что при температуре воздуха более 25 °С работоспособность человека начинает падать. Предельная температура вдыхаемого воздуха, при которой человек в состоянии дышать в течение нескольких минут без специальных средств защиты, около 11б°С.

Переносимость человеком температуры, как и его теплоощущение, в значительной мере зависит от влажности и скорости окружающего воздуха. Чем больше относительная влажность, тем меньше испаряется пота в единицу времени и тем быстрее наступает перегрев тела. Особенно неблагоприятное воздействие на тепловое самочувствие человека оказывает высокая влажность при t* gt; 30 °С, так как при этом почти вся выделяемая теплота отдается в окружающую среду при испарении пота. При повышении влажности пот не испаряется, а стекает каплями с поверхности кожного покрова. Возникает так называемое проливное течение пота, изнуряющее организм и не обеспечивающее необходимую теплоотдачу. Вместе с потом организм теряет значительное количество минеральных солей, микроэлементов и водорастворимых витаминов (С, В 1 , В 2). При неблагоприятных условиях потеря жидкости может достигать 8... 10 л за смену и с ней до 40 г поваренной соли (всего в организме около 140 г NaCl). Потери более 30 г NaCl крайне опасны для организма человека, так как приводят к нарушению желудочной секреции, мышечным спазмам, судорогам. Компенсация потерь воды в организме человека при высоких температурах происходит за счет распада углеводов, жиров и белков.

Для восстановления водносолевого баланса работающих в горячих цехах устанавливают пункты подпитки подсоленной (около 0,5 % NaCl) газированной питьевой водой из расчета 4...5 л на человека в смену. На ряде заводов для этих целей применяют белково-витаминный напиток. В жарких климатических условиях рекомендуется пить охлажденную питьевую воду или чай.

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 -- состоянию, при котором температура тела поднимается до 38...39 °С. При гипертермии и как следствие тепловом ударе наблюдаются головная боль, головокружение, общая слабость, искажение цветового восприятия, сухость во рту, тошнота, рвота, обильное потовыделение, пульс и дыхание учащены. При этом наблюдается бледность, синюшность, зрачки расширены, временами возникают судороги, потеря сознания.

В горячих цехах промышленных предприятий большинство технологических процессов протекает 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 действие, при этом наступает нарушение деятельности сердечно - сосудистой и нервной систем. 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 быть причиной охлаждения и даже переохлаждения организма -- гипотермии. В начальный период воздействия умеренного холода наблюдается уменьшение частоты дыхания, увеличение объема вдоха. При продолжительном действии холода дыхание становится неритмичным, частота и объем вдоха, увеличиваются. Появление мышечной дрожи, при которой внешняя работа не совершается, а вся энергия Превращается в теплоту, может в течение некоторого времени задерживать снижение температуры внутренних органов. Результатом действия низких температур являются холодовые травмы.