Способы теплоотдачи

Человек отдает в окружающую среду тепло пятью основными способами: молекулярной теплопроводностью; турбулентной теплопроводностью; длинноволновым (инфракрасным) излучением; потерей тепла, связанной с дыханием, и испарением пота.

Передача тепла путем молекулярной теплопроводности происходит при непосредственном соприкосновении двух тел. Величина отдачи тепла путем молекулярной теплопроводности пропорциональна разности температур и площади соприкасающихся поверхностей. У человека этот вид теплообмена ограничивается небольшими участками соприкосновения обуви с поверхностью земли или полом, ягодиц со стулом. Если изучается теплообмен для человека в положении лежа, то молекулярная теплопроводность, естественно, играет важную роль.

В условиях, когда поверхность тела человека теплее окружающего воздуха, турбулентный теплообмен является одним из основных путей передачи тепла от организма во внешнюю среду. Он связан с непрерывным нагреванием организмом близлежащих слоев воздуха, причем нагретый воздух постоянно обменивается на более холодный. Потеря тепла конвекцией зависит от температуры воздуха, скорости движения, площади нагретого тела, теплопроводности внешних его слоев и некоторых других характеристик. При этом теплопотери возрастают пропорционально квадратному корню из скорости движения воздуха. Вследствие этого даже небольшая подвижность воздуха приводит к относительно большим потерям тепла организмом.

Тепловой поток, передаваемый через одежду и путем конвекции, может быть направлен извне к телу в тех случаях, когда температура воздуха выше 36° С. Передача же тепла к телу путем излучения часто происходит и при более низких температурах воздуха (например, вблизи сильно нагретых предметов). Таким образом, лучистая теплопередача коренным образом отличается от двух рассмотренных выше типов. Она не нуждается в вещественных посредниках и может осуществляться в пустоте, между телами, отделенными друг от друга любыми расстояниями. Излучение - это свойство, присущее всем без исключения телам, нагретым выше абсолютного нуля. Следовательно, менее нагретое тело тоже излучает тепло по направлению к более нагретому, но суммарный баланс теплообмена складывается в пользу нагретого тела.

Таким образом, инфракрасные лучи служат средством передачи тепловой энергии на расстоянии. При абсолютном нуле (0° по шкале Кельвина) движение атомов и молекул прекращается. Но при любой температуре выше абсолютного нуля, т. е. практически в наших земных условиях везде, наблюдается колебание атомов и молекул, их хаотическое движение (степень выраженности которого и характеризует, собственно, температуру тел), и, значит, имеет место инфракрасное (И-К) излучение.

Поскольку тело человека почти всегда теплее окружающей среды, оно также является источником инфракрасных лучей, причем в инфракрасной области кожа излучает практически как абсолютно черное тело. Согласно закону Вина, максимум излучения человека (если считать температуру кожи около 30° С) лежит в области длины волны 9,4 мкм, т. е. в области длинноволнового И-К излучения.

Теплоотдача путем излучения может составлять у человека до 60% общей теплоотдачи. Как излучатель тепла, человеческое тело обладает такими же свойствами, как абсолютно черное тело при температуре 300 К. Поглощающая способность человеческого тела по отношению к тепловым лучам составляет 97% поглощающей способности абсолютно черного тела.

В условиях стационарного режима, когда температура тела человека меняется во времени сравнительно мало, вытекающее из закона сохранения энергии уравнение теплового баланса тела человека имеет следующий вид (М. И. Будыко):

R+M = ZE + P + B,

где R - радиационный баланс поверхности тела;

М - теплопродукция;

ZE - затраты тепла на испарение (Z - скрытая теплота испарения, Е - величина испарения);

Р - турбулентный теплообмен поверхности тела с атмосферой;

В - затраты тепла на нагревание вдыхаемого воздуха и на насыщение его водяным паром при испарении с поверхности легких.

При этом считается, что теплопродукция М - всегда положительная величина; радиационный баланс R положителен, если он характеризует приток лучистого тепла; остальные члены формулы положительны, если они соответствуют затратам тепла.

В организме существует замкнутый контур регулирования тепла, включающий звено направленного действия, который с точки зрения теории регулирования представляет собой систему с отрицательной обратной связью. Основным регулируемым параметром служит температура внутренних частей тела, за которую при более строгом подходе, по-видимому, можно принять температуру гипоталамуса. Все остальные переменные величины - теплообразование, теплоотдача, тепловое сопротивление и теплосодержание - являются функциями возраста, размеров тела и внешних условий, и только температура внутренних частей тела совершенно не зависит от этих факторов. Повышение внутренней температуры вызывает через посредство центральной нервной системы (гипоталамус) ряд таких процессов в организме, которые приводят к понижению этой температуры. На внешнюю поверхность тела действуют внешние стимулы в виде тепла или холода. Терморецепторы кожи воспринимают эти возмущения и через нервные пути приводят в действие регуляторные механизмы, прежде чем возмущение достигнет "объекта регулирования".

Таким образом, организм человека является саморегулирующей системой, физиологический механизм которой направлен на обеспечение соответствия образованного тепла количеству тепла, отданного внешней среде.