Термодинамика процессов жизнедеятельности и условия обеспечения теплового комфорта человека

Для правильного понимания процессов, имеющих место в системе "человек-среда", обратимся к теории вопроса и рассмотрим термодинамику процессов жизнедеятельности и условия обеспечения теплового комфорта человека.

Поскольку тепловой комфорт человека в помещении определяется как работой его собственной системы терморегуляции, так и эффективностью работы систем кондиционирования микроклимата, то, очевидно, подход в данном случае должен быть комплексным: с одной стороны, необходимо рассмотрение биофизического, а с другой стороны - инженерно-гигиенического аспекта этой проблемы.

Изучение термодинамики неживых систем базируется на некоторых общих принципах, важнейшим среди которых является первый закон термодинамики. Он представляет собой закон сохранения энергии и гласит о том, что в изолированной системе, в которой протекают любые (механические, электрические, тепловые или химические) процессы, нельзя изменить общий уровень энергии без подвода энергии извне. Увеличение энергии такой системы равно суммарной энергии, подведенной извне в виде тепла и работы.

Закон сохранения энергии справедлив также и для живых организмов. С помощью дыхательного калориметра системы Этуотера-Роза-Бенедикта установлено равенство между воспринимаемой и отдаваемой организмом энергией. При окислении пищевых веществ в организме практически образуется то же количество тепла, что и при сжигании их в калориметрической бомбе. Разница заключается в том, что в живых системах непрерывно протекают необратимые реакции, тогда как термодинамика неживых систем имеет дело только с обратимыми реакциями (Байер).

Выделение тепла в живых системах связано с теми реакциями, которые протекают на промежуточных этапах общей цепи биохимических процессов. Важнейшей реакцией, в результате которой в живой системе выделяется тепло, является реакция окисления, протекающая в такой системе необратимо.

Общий закон, которому подчиняются химические процессы, связанные с выделением тепла, был сформулирован Гессом. Закон Гесса гласит, что количество теплоты, поглощенное или выделенное при данной реакции, постоянно и не зависит от пути реакции. Закон Гесса позволяет вычислить количество теплоты, выделяемое в организме человека при усвоении пищи, на основе определения количества теплоты, выделяемого при окислении такого же количества пищи. По существу этот закон представляет собой одно из следствий первого закона термодинамики.

Химические реакции, протекающие в процессе обмена веществ, служат источниками энергии, обеспечивающей протекание физических процессов в живом организме. Эта свободная энергия идет на покрытие энергетических расходов клетки. Важнейшими источниками свободной энергии служат реакции брожения и окисления. При протекании этих реакций происходит постепенное расщепление содержащихся в клетке питательных веществ, которые служат, так сказать, "горючим" клетки. Этот процесс, проходящий через ряд промежуточных стадий, можно назвать процессом непрямого горения.

Для нас важно отметить, что температурная характеристика внешней среды далеко не безразлична для интенсивности энергетических процессов, происходящих в живом организме.

Важнейшим моментом в развитии исследований по влиянию температуры на скорость биологических процессов явилось суждение Сванте Аррениуса о том, что основные законы физической химии приложимы к биохимическим реакциям, протекающим в живых системах. Вант-Гофф установил, что с возрастанием температуры на 10° скорость реакции обычно повышается в 2-3 раза. Аррениусом и Вант-Гоффом показано, что установленная ими зависимость применима для количественной оценки изменения скоростей биологических процессов, однако действие ее ограничивается областью определенных (биокинетических) температур, за пределами которой ускоряющее влияние температуры снижается.

Человеческий организм может рассматриваться как термостатированная система с внутренним источником тепла, а одежда - как тепловой барьер между поверхностью кожи и внешней средой. Энергетический баланс человека отсюда должен рассматриваться с учетом как процессов, происходящих внутри организма, так и теплообмена между телом и внешней средой. Тепло, выделяющееся при экзотермических химических реакциях, протекающих главным образом в скелетных мышцах и внутренних органах, представляет собой ту переменную величину, которая используется гомойотермным (теплокровным) организмом для регулирования внутренней температуры тела. В теле гомойотермных животных существует крайне сложное пространственное температурное поле, несколько изменяющееся также и во времени.

Весьма сложное распределение температуры в теле обусловлено неодинаковым теплообразованием в отдельных органах, их сложной геометрической формой, а также различной теплоизоляцией: различными условиями испарения, конвективного теплообмена и переноса тепла кровью. Поэтому представляется целесообразным при изучении терморегуляции различать внутреннюю - гомойотермную - часть тела ("сердцевину") и поверхностную часть ("оболочку"), температура которой в той или иной степени зависит от колебаний температуры внешней среды. Резко разграничить обе эти части не представляется возможным. У гомойотермных животных к "сердцевине" тела относятся внутренности грудной и брюшной полостей, мозг и часть скелетных мышц. Вес "оболочки" тела у человека при умеренных колебаниях температуры окружающей среды составляет по одним данным 20%, по другим 35% всего тела. При сильном переохлаждении вес "оболочки" может доходить до 50% веса тела, что соответствует средней толщине поверхностного слоя 2,5 см и хорошо согласуется с прямыми измерениями температуры.

При стационарном состоянии теплового потока (когда температурные градиенты внутри тела постоянны во времени) количество тепла, образуемое в единицу времени в организме, равно количеству тепла, отдаваемому в единицу времени в окружающую среду с поверхности тела. Это положение применительно к гомойотермному организму справедливо лишь по отношению к интегральным величинам теплообразования и теплоотдачи, взятым за достаточно большой промежуток времени. Мгновенные же значения теплообразования и теплоотдачи в чрезвычайно редких случаях оказываются равными между собой. Обычно теплосодержание тела заметно колеблется вследствие неравенства теплообразования и теплоотдачи и изменений температурного поля. При средней удельной теплоемкости человеческого тела 3,47 кДж изменения теплосодержания могут достигать нескольких сот килокалорий.

Образующееся в организме тепло проводится к наружным кожным покровам частично за счет теплопроводности тканей, частично за счет конвекции с потоком крови. В лишенном кровеносных сосудов эпидермисе тепло передается только путем проведения.

Вследствие относительно плохой теплопроводности тканей роль первого пути передачи тепла в организме очень невелика по сравнению с конвективной теплопередачей, осуществляемой потоком крови и отдачей (получением) тепла излучением.

Система кровообращения действует в организме как универсальный теплообменник. Кровь, выталкиваемая из левого желудочка сердца, отдает большую часть своего тепла поверхностной части тела ("оболочке") и, охлажденная, течет обратно к сердцу. Подогрев крови происходит преимущественно в скелетных мышцах при совершении ими работы и во внутренних органах (печень и др.) за счет химического превращения пищи. Теплообмен между артериями и венами осуществляется по принципу действия теплообменника с противотоком, причем артерии отдают тепло, а вены получают его.

При нормальных условиях устанавливается стационарное состояние системы, при котором поток тепла из "сердцевины" в "оболочку" равен потоку тепла из "оболочки" во внешнюю среду.