Киевский Государственный Университет
Технологии и Дизайна
Р Е Ф Е Р А Т
по биомеханике на тему:
"Особенности жизнедеятельности организмов.
Приближенные тепловые расчёты одежды".
Киев – 2000
С о д е р ж а н и е
1. Особенности жизнедеятельности организмов:
1.1. Теплопродукция организма и органы теплообразования……………2
1.2. Виды теплоотдачи………………………………………………………4
1.3. Система теплорегуляции организма (физическая и химическая)…..9
2. Уравнения теплового баланса организма с окружающей средой. Приближенные тепловые расчеты одежды………………………………10
І. Особенности жизнедеятельности организмов.
1.1. Теплопродукция организма и органы теплообразования.
Процессы жизнедеятельности человека сопровождаются непрерывным теплообразованием в его организме и отдачей образованного тепла в окружающую среду.
Организм человека – это саморегулируемая система с внутренним источником тепла, в которой в нормальных условиях теплопродукция – количество образованного тепла – равна количеству тепла, отданного во внешнею среду – теплоотдаче. Внутренняя температура тела постоянна благодаря регулированию интенсивности теплопродукции и теплоотдачи в зависимости от температуры внешней среды. А температура кожи человека при воздействии внешних условий изменяется в относительно широких пределах.
Тепловое равновесие между организмом человека и окружающей его средой – это условие комфорта; оно зависит от температуры окружающей среды: стен и поверхностей, окружающих предметов, скорости движения воздуха, влажности воздуха, характера одежды и величины теплопродукции человека. А эта величина, в свою очередь, зависит от возраста, пола человека, его питания, мышечной деятельности и других факторов. Например, с понижением температуры внешней среды, с приемом пищи и следующими за ним процессами пищеварения, при мышечной работе теплопродукция увеличиваются для достижения теплового равновесия с окружающей средой в результате усиления химических реакций обмена.
Количество энергии, расходуемое организмом человека при полном мышечном покое, до приема пищи при полном мышечном покое, до приема пищи при температуре внешней среды, соответствующей минимальной активности механизма терморегуляции, – это основной (стандартный) обмен. Основной обмен, вычисляемый в калориях на единицу веса или единицу поверхности тела, зависит от функционального состояния организма, от пола, возраста, веса. Основной обмен у лиц одинакового пола, роста, веса и возраста приблизительно одинаков и колеблется в 10-15%.
Экспериментально теплопродукцию человека обычно определяют методом калориметрии.
Тепла в организме человека (в клетках) образуется в процессе сложных биохимических реакций (окисление) биологического обмена веществ. Органом теплообразования является весь организм в целом, работающий на основе безусловно рефлекторных механизмов – в состоянии покоя и рефлекторно – при мышечной деятельности.
Теплопродукция и теплоотдача обусловлены деятельностью центральной нервной системы, регулирующей обмен веществ, кровообращение, потоотделение и деятельность скелетных мышц.
1.2. Виды теплоотдачи.
Теплоотдача – процесс отдачи тепла организмом человека осуществляется:
– теплопроводностью (кондукцией);
– конвекцией (проведением);
– радиацией (излучением);
– дыханием и испарением пота и влаги в легких.
Некоторое количество тепла затрачивается на нагревание пищи и воды во время пищеварения, нагревание воздуха в легких.
Теплообмен человека при выполнении различных видов физической работы значительно меняется, например, значительно увеличиваются теплопотери испарением.
Теплопроводность
Теплопроводностью (кондукцией) осуществляется теплопередача от поверхности тела человека к соприкасающимся с ним твердых твердым предметам или материалам внешней среды.
Перенос тепла в этом случае происходит по Закону Фурье:
Qконд. = K • F (t1 - t2) • [ккал/ч], где
Qконд. – отдача тепла кондукцией;
F – поверхность соприкосновения человека с предметом, м2;
t1– температура поверхности тела, 0С;
t2– температура поверхности тела соприкосновения, 0С;
K – коэффициент теплопередачи, равный.
K = 1/(Σ[δ/α]ТК + Σ[δ/α]возд.) • [ккал/м2 • ч • град], где
α– коэффициент теплопроводности, ккал/м • ч • град;
δ – толщина пакета одежды, м.
Теплопередача кондукцией через воздух составляет очень незначительную величину, так как коэффициент теплопроводности неподвижно воздуха равен 0,00083 ккал/см • сек • ч • град.
Конвекция
Конвекцией осуществляется передача тепла с поверхности тела или одежды человека движущемуся около него воздуху. В общем балансе теплопотерь теплопередача конвекцией составляет значительную долю (свыше 25-30%).
Для расчетов теплоотдачи конвекцией можно использовать уравнение Н.К.Витте, основанное на учете охлаждение кататермометра и установленных при этом эмпирических постоянных величин:
C1 = 0,10 (0,5 + √v) • П • (ТВ - ТП) для v ≤ 0,6 м/сек;
C2 = 0,12 (0,273 + √v) • П • (ТВ - ТП) для v >0,6 м/сек, где
С1, С2 – теплоотдача конвекцией;
v– скорость движения воздуха, м/сек;
П – поверхность тела человека, участвующая в теплообмене, м2;
Тв – температура воздуха, 0С;
Тп– температура (средняя) поверхности кожи, 0С.
Радиация (излучение)
Теплоотдача радиацией – это передача тепла в форме лучистой энергии с поверхности тела человека на окружающие поверхности, имеющее более низкую температуру, или в окружающее пространство. Количество тепла, отдаваемого излучением, зависит от температуры поверхности тела (одежды), температуры окружающих тело стен и поверхностей, их способности излучать тепло, величины площади тела и окружающих поверхностей, расстояния и взаимного расположения тела и окружающих его поверхностей. Теплоотдача излучением в состоянии покоя человека составляет 43-50% всей потери тепла.
Излучение человеческого тела характеризуется длиной волны от 5 до 40 мк с максимальной длиной волны (от 5 до 40 мк) в 9 мк, а кожа человека поглощает инфракрасные лучи как абсолютно черное тело. Количество тепла, излученного единицей поверхности тела в единицу времени, определяется по закону Стефана-Больцмана, справедливого только для абсолютно черного и серого тел:
Qрад = C • Fизл • [(273-tn/100)4 - (273+tо/100)4] • [ккал/ч], где
с– коэффициент взаимной радиации, ккал/м2 • ч • град;
Fизл – излучающая поверхность тела человека, м2;
tп – температура поверхности тела и одежды, 0С;
to –температура окружающих поверхностей, 0С.
Этот закон показывает, что интенсивность излучения резко возрастает с повышением температуры поверхности тела.
В помещении теплоотдачу радиацией определяют по формуле Н.Витте:
QР = 0,093 • П • (ТСТ - ТТ) • [ккал/мин], где
Qр – теплоотдача радиацией, ккал/мин;
П – поверхность тела человека, м2;
Тст – температура стен;
Тт – средневзвешенная температура тела.
В теплообмене человека конвекцией и радиацией принимает участие в среднем 75% всей поверхности тела.
Испарение с поверхности тела человека
При испарении пота у организма человека отнимается тепло, являющееся скрытой теплотой парообразования. Процесс теплоотдачи испарением с поверхности кожи и легких человека в условиях комфорта составляет 23-29% всей теплоотдачи.
Количество тепла, отдаваемого с поверхности тела испарением, определяется уравнением:
Qn = αB • W • F (PK - PB) • [ккал/ч], где
WF – часть поверхности тела, покрытая потом, м2;
W – коэффициент увлажнения кожи ≈ 0,2-1;
PК – парциальное давление водяного пара в насыщенном воздухе, мм рт.ст. над кожей;
PB – парциальное давление водяного пара в окружающем воздухе, мм рт. ст.;
αB – коэффициент перехода тепла во внешнюю среду при испарении пота (ккал/м2 • ч • мм), для одетого человека αB = 1,25К, где К – коэффициент теплопередачи, для неодетого αB = 10,45 + 8,7v, где v – скорость воздуха.
Как видно из уравнения, количество испаряющегося пота зависит от скорости движения воздуха, величины поверхности тела, покрытой потом, и от разности парциальных давлений (Pk - PB); которая меняется в зависимости от температуры и относительной влажности воздуха. Интенсивность выделения водяных паров с поверхности кожи человека резко возрастает и при интенсивной мышечной деятельности человека.