Основные способы теплообмена организма.
В организме любого живого существа непрерывно выделяется тепло. Это тепло должно отводится в окружающую среду, иначе организм перегреется и погибнет. Однако, и слишком быстрая отдача тепла опасна для организма – она приводит к переохлаждению. Поэтому важно в любых условиях обеспечить наиболее выгодный темп теплоотдачи. При этом необходимо учитывать, что теплообмен осуществляется целым рядом механизмов, с которыми врач должен быть хорошо знаком.
Основная часть тепла выделяется в мышцах и внутренних органах, отдача же тепла идёт с поверхности тела (с кожи). Тканиорганизма плохо проводят тепло, поэтому почти всё тепло переносится изнутри к поверхности с током крови. В коже и подкожной клетчатке находится большое количество кровеносных сосудов. Проходя по ним, кровь отдаёт тепло наружу.
Через подкожную клетчатку и через одежду тепло переносится за счёт теплопроводности. Теплопроводность– это перенос тепла за счёт усиления молекулярного движения в веществе.
Нетрудно получить формулу для переноса тепла путём теплопроводности. Пусть поток тепла идёт через слой вещества (ткань, стену и т.д.). Толщину слоя обозначим х, а площадь S. Слева температура равна Т1, а справа (пусть Т1 > Т2). Очевидно, что количество тепла Q, прошедшее через слой за время t, прямо пропорционально разности температур, площади и времени и обратно пропорционально толщине слоя. Кроме того, надо учесть свойства вещества; для этого вводят коэффициент теплопроводности К. Отсюда следует, что количество тепла, переносимое путём теплопроводности, равно:
(13)
С различием в теплопроводности различных веществ мы постоянно сталкиваемся в повседневной жизни (сравните сковородки с металлической и с деревянной ручками). Теплопроводность одежды имеет свою специфику. Любая ткань содержит в своих порах большое количество воздуха. Теплопроводность воздуха много меньше, чем любого твёрдого тела, поэтому теплопроводность одежды в первую очередь зависит от содержания в ней воздуха. Чем больше воздуха в ткани, и чем лучше она его удерживает, не давая обмениваться на холодный, тем хуже она проводит тепло. Например, скользкие волокна естественного шёлка плохо задерживают воздух; такая одежда хорошо проводит тепло, и в ней хорошо находиться в тёплую погоду. Лучше всего удерживают воздух шерстяные ткани, у них самая малая теплопроводность.
Отдача тепла с поверхности тела и одежды в окружающую среду. Так как от человека наружу постоянно идёт поток тепла, наружная поверхность одежды всегда немного теплее окружающего воздуха (конечно, кроме тех случаев, когда температура воздуха много выше 37 о С). С поверхности одежды и с открытых частей тела тепло уходит двумя способами: а) путём конвекции и б) путём излучения.
Конвекцией называют перенос тепла, связанный с движением газа или жидкости. Например, от каждого человека кверху поднимается поток тёплого воздуха, на место которого притекает со стороны холодный. То же происходит вокруг любого нагретого тела, например – батареи отопления. Такой тип теплопередачи называется естественной конвекцией; для человека он не очень эффективен. Значительно больше тепла уносится при принудительной конвекции, когда движение воздуха создаётся внешней причиной (вентилятор, ветер). В этом случае конвекция может стать основной причиной потери тепла.
Количество тепла, теряемое телом за счёт конвекцииможно также вычислить по формуле (13), но коэффициент К в этом случае будет зависеть, в первую очередь, от скорости движения воздуха.
Излучение тоже играет существенную толь в теплоотдаче. В обычных комнатных условиях (в том числе, в учебной аудитории) люди путём излучения теряют до 60% тепла. Излучение человека лежит в области инфракрасных лучей (длины волн в диапазоне 3 – 20 микрометров).
Количество тепла, теряемое телом за счёт излучения, вычисляется по формуле: QИЗЛ = σ·( T1 4 – T2 4 ).S.t(14). Здесь σ = 5,6.10 –8 (в системе СИ; запоминать число не надо), Т1 –температура поверхности тела, Т2 – температура окружающих тел. Тут, однако, надо заметить следующее. Воздух почти прозрачен для инфракрасных лучей, поэтому за Т2 надо брать не температуру воздуха в помещении, а температуру стен, а она может быть заметно ниже температуры воздуха. Например, вполне реальна ситуация, когда лежащий на столе термометр показывает больше 20 0 С (то есть температуру воздуха), а люди в помещении мёрзнут, потому что стены холодные.
При высокой наружной температуре на первый план выступает отдача тепла за счёт испарения. Когда наружная температура приближается к температуре тела, все рассмотренные ранее способы теплоотдачи не работают, потому что разность температур, от которой зависит перенос тепла, делается малой или даже может стать отрицательной.
Количество тепла, уносимое из организма за счёт испарения, можно подсчитать по формуле: QИСП = L· m(15),
где m – масса испарившейся воды , L – удельная теплота испарения воды (2,25 . 10 6 Дж.кг –1 ; запоминать число не надо). У человека испарение, в основном, связано с потоотделением; кроме того, заметную роль играет испарение воды в лёгких. Надо подчеркнуть, что следует учитывать именно количество испарившейся воды, потому что далеко не весь пот фактически испаряется. Здесь очень большое значение имеет влажность воздуха и скорость его движения.
При умеренных и низких температурах испарение тоже уносит часть тепла (в основном, за счёт испарения в лёгких), но большее значение имеют конвекция и излучение.
Источник
Основные способы теплообмена организма
В организмелюбого живого существа непрерывно выделяется тепло.
Это тепло должно отводиться в окружающую среду, иначе организм перегреется и погибнет.
Однако, и слишком быстрая отдача тепла опасна для организма – она приводит к переохлаждению.
Существует 4 способа теплообмена организма с окружающей средой:
1. Теплопроводность– это перенос тепла за счёт усиления молекулярного движения в веществе.
2. Конвекция – перенос тепла, связанный с движением газа или жидкости.
3. Излучение:
4. Испарение:
ü где m– масса испарившейся воды,
ü L– удельная теплота испарения воды (2,25 . 10 6 Дж 
кг –1 ).
Температура тела человека поддерживается постоянной, благодаря терморегуляции.
Источник
Основные способы теплообмена организма.
В организме любого живого существа непрерывно выделяется тепло. Это тепло должно отводится в окружающую среду, иначе организм перегреется и погибнет. Однако, и слишком быстрая отдача тепла опасна для организма – она приводит к переохлаждению. Поэтому важно в любых условиях обеспечить наиболее выгодный темп теплоотдачи. При этом необходимо учитывать, что теплообмен осуществляется целым рядом механизмов, с которыми врач должен быть хорошо знаком.
Основная часть тепла выделяется в мышцах и внутренних органах, отдача же тепла идёт с поверхности тела (с кожи). Тканиорганизма плохо проводят тепло, поэтому почти всё тепло переносится изнутри к поверхности с током крови. В коже и подкожной клетчатке находится большое количество кровеносных сосудов. Проходя по ним, кровь отдаёт тепло наружу.
Через подкожную клетчатку и через одежду тепло переносится за счёт теплопроводности. Теплопроводность– это перенос тепла за счёт усиления молекулярного движения в веществе.
Нетрудно получить формулу для переноса тепла путём теплопроводности. Пусть поток тепла идёт через слой вещества (ткань, стену и т.д.). Толщину слоя обозначим х, а площадь S. Слева температура равна Т1, а справа (пусть Т1 > Т2). Очевидно, что количество тепла Q, прошедшее через слой за время t, прямо пропорционально разности температур, площади и времени и обратно пропорционально толщине слоя. Кроме того, надо учесть свойства вещества; для этого вводят коэффициент теплопроводности К. Отсюда следует, что количество тепла, переносимое путём теплопроводности, равно:
(13)
С различием в теплопроводности различных веществ мы постоянно сталкиваемся в повседневной жизни (сравните сковородки с металлической и с деревянной ручками). Теплопроводность одежды имеет свою специфику. Любая ткань содержит в своих порах большое количество воздуха. Теплопроводность воздуха много меньше, чем любого твёрдого тела, поэтому теплопроводность одежды в первую очередь зависит от содержания в ней воздуха. Чем больше воздуха в ткани, и чем лучше она его удерживает, не давая обмениваться на холодный, тем хуже она проводит тепло. Например, скользкие волокна естественного шёлка плохо задерживают воздух; такая одежда хорошо проводит тепло, и в ней хорошо находиться в тёплую погоду. Лучше всего удерживают воздух шерстяные ткани, у них самая малая теплопроводность.
Отдача тепла с поверхности тела и одежды в окружающую среду. Так как от человека наружу постоянно идёт поток тепла, наружная поверхность одежды всегда немного теплее окружающего воздуха (конечно, кроме тех случаев, когда температура воздуха много выше 37 о С). С поверхности одежды и с открытых частей тела тепло уходит двумя способами: а) путём конвекции и б) путём излучения.
Конвекцией называют перенос тепла, связанный с движением газа или жидкости. Например, от каждого человека кверху поднимается поток тёплого воздуха, на место которого притекает со стороны холодный. То же происходит вокруг любого нагретого тела, например – батареи отопления. Такой тип теплопередачи называется естественной конвекцией; для человека он не очень эффективен. Значительно больше тепла уносится при принудительной конвекции, когда движение воздуха создаётся внешней причиной (вентилятор, ветер). В этом случае конвекция может стать основной причиной потери тепла.
Количество тепла, теряемое телом за счёт конвекцииможно также вычислить по формуле (13), но коэффициент К в этом случае будет зависеть, в первую очередь, от скорости движения воздуха.
Излучение тоже играет существенную толь в теплоотдаче. В обычных комнатных условиях (в том числе, в учебной аудитории) люди путём излучения теряют до 60% тепла. Излучение человека лежит в области инфракрасных лучей (длины волн в диапазоне 3 – 20 микрометров).
Количество тепла, теряемое телом за счёт излучения, вычисляется по формуле: QИЗЛ = σ·( T1 4 – T2 4 ).S.t(14). Здесь σ = 5,6.10 –8 (в системе СИ; запоминать число не надо), Т1 –температура поверхности тела, Т2 – температура окружающих тел. Тут, однако, надо заметить следующее. Воздух почти прозрачен для инфракрасных лучей, поэтому за Т2 надо брать не температуру воздуха в помещении, а температуру стен, а она может быть заметно ниже температуры воздуха. Например, вполне реальна ситуация, когда лежащий на столе термометр показывает больше 20 0 С (то есть температуру воздуха), а люди в помещении мёрзнут, потому что стены холодные.
При высокой наружной температуре на первый план выступает отдача тепла за счёт испарения. Когда наружная температура приближается к температуре тела, все рассмотренные ранее способы теплоотдачи не работают, потому что разность температур, от которой зависит перенос тепла, делается малой или даже может стать отрицательной.
Количество тепла, уносимое из организма за счёт испарения, можно подсчитать по формуле: QИСП = L· m(15),
где m – масса испарившейся воды , L – удельная теплота испарения воды (2,25 . 10 6 Дж.кг –1 ; запоминать число не надо). У человека испарение, в основном, связано с потоотделением; кроме того, заметную роль играет испарение воды в лёгких. Надо подчеркнуть, что следует учитывать именно количество испарившейся воды, потому что далеко не весь пот фактически испаряется. Здесь очень большое значение имеет влажность воздуха и скорость его движения.
При умеренных и низких температурах испарение тоже уносит часть тепла (в основном, за счёт испарения в лёгких), но большее значение имеют конвекция и излучение.
Источник
То в жар, то в холод
Теплообмен как двигатель торговли
Почему человеку бывает холодно, а лягушке даже на Монблане не нужен пуховик? Согреет ли нас гусиная кожа, и за что производители одежды должны благодарить гомеостаз?
Кто из нас, взбираясь на гору с тяжеленным рюкзаком, не ворчал по поводу излишне теплой одежды? А потом, вечером, не пытался в ней же согреться у костра? Почему в одной и той же куртке может быть и холодно, и жарко, и как на ощущение климатического комфорта влияет температура окружающего воздуха или интенсивность физической активности? О том, почему греет одежда, мы рассказывали в статье «Кто согревает теплую одежду». В этой статье мы поговорим о том, почему человек вообще нуждается в одежде, и зачем она должна его греть.
Голландец Вим Хоф (Wim Hof) по прозвищу «Ледяной человек» (The Iceman) прославился своей слабой чувствительностью к холоду. Он установил несколько рекордов, связанных с продолжительностью пребывания человека в экстремально холодных условиях. Айсмен провел 72 минуты в емкости с холодной водой и льдом, взошел на французский Монблан босиком и совершил еще множество «хладнокровных» поступков, недоступных большинству простых людей.
В отличие от Вима Хофа, другое живое существо — обычная лягушка — на Монблан не забирается, но прочие низкотемпературные подвиги совершает постоянно, что, однако, не делает ее знаменитой. Можно, конечно, предположить, что Iceman, в отличие от лягушки, преуспел в вопросах PR, однако истина в другом. Лягушка, как и многие другие представители животного мира и рыб, является существом холоднокровным. Человек, наоборот, принадлежит к довольно большой теплокровной группе. Холодно- и теплокровные организмы приспосабливаются к среде и реагируют на изменение температурных условий по-разному.
Гомеостаз
В XIX веке французский медик Клод Бернар (Claude Bernard) вывел принципы, которые затем легли в основу теории гомеостаза. Согласно этой теории живой организм образует единую энергетическую систему с окружающей средой и стремится сохранить постоянство своей внутренней среды.
Эволюция предложила разные варианты обеспечения гармонии между организмом и окружающей средой. Например, уже знакомая нам лягушка хладнокровно решила, что температура ее тела будет практически такой же, как у воды и воздуха вокруг нее. В результате лягушка нормально живет при температуре ее собственного лягушачьего тела от 0 до 25 градусов по Цельсию. Животные подобные лягушке при сильном понижении температуры способны впадать в анабиоз — состояние, когда жизнедеятельность организма замедляется почти до полной остановки. Некоторые из таких животных, например сибирский углозуб, даже зимуют в глыбе льда, замерзая до весны вместе с водой, в которой они плавали. Такой способ приспособления к условиям окружающей среды называется конформационным.
Сибирский углозуб может зимовать в глыбе льда, замерзая вместе с водой, в которой плавал
Человек, в отличие от лягушки, нормально функционирует только если температура его собственного тела постоянна и не изменяется вслед за температурой окружающей среды. Этот способ адаптации называется регуляторным и достигается с помощью развитой физиологической системы терморегуляции, управляющей теплообменом. Эта система следит за внутренней температурой организма человека, и если она отклоняется от нормальных 37 ºС в ту или другую сторону, то запускаются механизмы коррекции. Дрожание на холоде или потение в жару — внешние проявления работы таких механизмов.
У обоих вариантов гомеостаза есть свои преимущества и недостатки. Холоднокровные животные меняют «стиль жизни» в зависимости от внешних условий и могут переносить низкие температуры в течение длительного времени, снижая свою активность практически до нуля. Теплокровные, наоборот, тратят значительные силы на поддержание стабильной внутренней температуры тела, но это дает им возможность сохранять обычную активность при довольно широком диапазоне внешних температур.
Теплообмен
Что же такое теплообмен? К чему все эти мучения с потением или, наоборот, что приятного в мурашках на коже?
Теплообмен — это перенос тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Такой процесс всегда имеет одно направление и необратим. То есть перенос тепла от нагретого утюга к брюкам возможен, а вот брюки нагретому утюгу передать тепло не смогут. Процесс теплообмена по своему принципу похож на поведение жидкости в сообщающихся сосудах: жидкость будет перетекать из одного сосуда в другой до тех пор, пока уровень жидкостей в двух сообщающихся сосудах не станет одинаковым. Так и тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому до тех пор, пока их температура не станет одинаковой.
Три вида теплообмена
Теплообмен принято делить на три вида: теплопроводность, лучистый теплообмен и конвекция.
1. Теплопроводность — это непосредственный перенос тепла от более нагретого к менее нагретому. Горячий кофе передает тепло чашке, а чашка — рукам. Это будет происходить до тех пор, пока температура напитка, чашки и рук не сравняется. И наоборот, если емкость с напитком холодна (например, фужер с коньяком), то тепло передается в обратном направлении — от рук к напитку. Именно благодаря теплопроводности хороший коньяк, нагреваясь, становится очень хорошим.
Холодные уши — вовсе не признак дурака. Так устроен любой человек
Человеческое тело отдает свое тепло не только коньяку, но и окружающей среде — воздуху или другим холодным предметам, с которыми человек соприкасается. Различные зоны человеческого тела делают это по-разному. Например, верхняя часть, особенно голова и шея, отдают много тепла, а ноги и участки тела с большим количеством подкожного жира — мало. Кстати, именно поэтому упитанные люди мерзнут меньше худых.
2. Лучистый теплообмен — это вариант теплообмена без непосредственного контакта тел. Так нас греет солнце или любой другой нагретый предмет, даже не прикасаясь к которому, мы можем сказать, что от него исходит жар.
Солнце греет нас на расстоянии благодаря лучистому теплообмену
3. Конвекция — вид теплообмена, осуществляемого движущимися потоками одного и того же вещества. Благодаря конвекции перемешивается вода в стоящем на огне чайнике. То же самое происходит с теплым воздухом под одеждой. Поднимаясь вдоль тела и выходя наружу, он уступает место воздуху с улицы, и мы начинаем мерзнуть.
Виды конвекции в чайнике и туристе
Роль механизмов регуляции теплообмена
Внутренняя температура тела человека поддерживается за счет теплопродукции — производства тепла в ходе обмена веществ и мышечной деятельности. Здоровый организм не замечает эту температуру, но даже небольшое — в половину градуса — ее изменение является поводом для того, чтобы забраться в постель, потребовать тишины, глинтвейна и оплаченного больничного листа.
Но не менее важна для человека и температура среды его обитания.
Голый человек способен продолжительно и эффективно функционировать лишь в довольно узком диапазоне температур окружающей среды — в районе 27 ºС. Если температура окружающей среды поднимается выше 27 градусов, возникает риск гипертермии (перегрева). В таких случаях система терморегуляции человека увеличивает теплоотдачу за счет испарения влаги, вырабатываемой потовыми железами. Кроме этого осуществляется перераспределение кровотока от внутренних органов к внешней поверхности тела.
И наоборот, когда температура окружающей среды заметно и продолжительно опускается ниже 27 градусов, организм включает механизмы терморегуляции, которые уменьшают потери тепла и увеличивают теплопродукцию.
К таким механизмам относятся:
Дрожание — быстрое непроизвольное сокращение мышц, в процессе которого выделяется тепло для согрева внутренних органов.
Отток крови от внешней, охлажденной поверхности тела. Такой отток не позволяет крови отдавать тепло, необходимое для работы внутренних органов. Этот эффект проявляется, в частности, как замерзание пальцев рук и ног.
Гусиная кожа — мурашки, которые вызываются напряжением микромыщц, отвечающих за положение волосков на коже. У человека это наследие предков является классическим атавизмом, но у наших прародителей эти мышцы поднимали шерсть, увеличивая высоту волосяного покрова. Это удерживало воздух у кожи, который как теплоизолятор уменьшал тепловые потери.
Однако возможности терморегуляции не безграничны, и при дальнейшем устойчивом понижении температуры среды возникает риск различных нарушений в функционировании организма, развиваются симптомы гипотермии (переохлаждения), появляется дискомфорт, чувство «замерзания». Поэтому когда температурные условия выходят за определенные границы, собственных возможностей организма становится недостаточно, и человеку требуется посторонняя помощь. Одним из главных помощников человека в обеспечении температурного комфорта является одежда. Как именно она помогает, читайте в материале «Кто согревает теплую одежду».
Резюме:
Способность человека поддерживать стабильное состояние организма при изменениях окружающей среды называется гомеостазом.
Человек — существо теплокровное и нормально функционирует лишь при внутренней температуре 37 ºС и внешней 27 ºС.
При изменении этих температур в ту или иную сторону включаются механизмы естественной терморегуляции человеческого организма, усиливающие или, наоборот, ослабляющие теплообмен.
Возможности естественной терморегуляции ограниченны, и при значительном изменении температуры окружающей среды человек может столкнуться с проблемами переохлаждения или перегрева.
Источник
