Темпер окружающей среды. Терморегуляция. Температура тела и изометрия. Температура окружающей среды

Факторы, влияющие на работоспособность ЭВМ и

Систем

Электронно-вычислительные машины и системы обычно эксплуатируются в различных условиях, имеющих различную физико-химическую среду и природу. Условия эксплуатации изменяются в очень широких пределах.

Рассмотрим факторы, которые влияют на работоспособность ЭВМ. Они подразделяются на следующие: климатические , механические и радиационные .

Кклиматическимфакторамотносят :

Изменение температуры и влажности окружающей среды;

Тепловой удар;

Увеличение или уменьшение атмосферного давления;

Наличие ветра или движущегося потока пыли, песка;

Присутствие активных веществ в окружающей атмосфере;

Наличие солнечного облучения;

Наличие грибковых образований (плесени), микроорганизмов;

Наличие насекомых и грызунов;

Наличие взрывоопасной и воспламеняющейся атмосферы;

Дождь, брызги;

Присутствие в окружающей среде озона.

Кмеханическимфакторамотносят :

Воздействие вибрации, ударов;

Воздействие линейного ускорения;

Акустический удар;

Наличие невесомости.

Крадиационнымфакторамотносят :

Космическую радиацию;

Ядерную радиацию от реакторов, атомных двигателей;

Облучение потоком гамма – фотонов;

Облучение быстрыми нейтронами, бета – частицами, альфа – частицами, протонами, дейтронами.

Некоторые из этих факторов проявляют себя независимо от остальных, а некоторые факторы – в совместном действии с другими факторами той или иной группы. Например, наличие движущихся потоков песка неизбежно приведет к возникновению вибрации в ЭВМ.

Климатические факторы

Температура окружающей среды

Повышение температуры среды, окружающей ЭВМ и ее узлы, связано с одной стороны – с повышением температуры атмосферы, с другой стороны – с выделением теплоты при работе микроэлектронных компонентов.

Как правило, температура внутри ЭВМ больше наружной и это необходимо учитывать при разработке ее конструкции, ведь понижение температуры связано только с изменением температуры атмосферы.

Для того чтобы ЭВМ была работоспособной, необходимо определить допустимый температурный диапазон. При этом ЭВМ должна сохранять работоспособность во включенном, то есть рабочем состоянии.

Для исключения варианта выхода ЭВМ из строя в процессе хранения и транспортировки (в нерабочем состоянии), её конструкцию выполняют такой, чтобы она выдерживала температуры, несколько больше их допустимого диапазона. Такие температуры называют предельными температурами, они характеризуют тепло и холодопрочность конструкции ЭВМ.

Верхние и нижние значения температуры атмосферы окружающей среды при эксплуатации ЭВМ, а также температуры воздуха или другого газа при ее хранении и транспортировании разделяют по степеням жесткости, таб.1:

Таблица 1

Тепловой удар

При любом пожаре выделяется тепловая энергия. Количество выделившегося тепла зависит от условий воздухообмена в очаге пожара, теплофизических свойств окружающих материалов (в том числе и строительных), пожароопасных свойств горючих веществ и материалов, входящих в состав пожарной нагрузки.

Само по себе понятие «повышенная температура окружающей среды», на мой взгляд, не совсем точное. На мой взгляд, под этим понятием все же нужно подразумевать «повышенная температура продуктов горения», поскольку окружающая среда при оценке пожарной опасности почти всегда рассматривается как окружающий (незадымленный) воздух с начальной температурой.

При рассмотрении повышенной температуры окружающей среды, как опасного фактора пожара, следует отметить, что опасное воздействие нагретых продуктов горения на организм человека определяется, прежде всего, влажностью воздуха. Чем больше влажность воздуха, тем вероятность получения ожогов выше. Предельно допустимое значение по повышенной температуре окружающей среды в нашей стране составляет 70°С.

Повышенная температура продуктов горения представляет опасность не только для человека, но может стать причиной распространения пожара.

Дым. Потеря видимости в дыму.

Дым представляет собой смесь продуктов горения, в которых взвешены небольшие частицы жидких и твердых веществ.

За счет наличия в составе дыма твердых и жидких частиц, при прохождении через него света, интенсивность последнего снижается, что в итоге приводит к снижению и потере видимости в дыму.

Напрямую, снижение видимости в дыму не представляет угрозы жизни и здоровью людей как опасный фактор пожара. Однако, хочу отметить следующее. Если человек, выбежит в задымленный коридор, то при некоторой критической видимости, из-за страха к пожару он может вернуться обратно. Причем процент вернувшихся обратно людей возрастает с понижением видимости. Это подтверждено исследованиями, проведенными в Англии и США.

Как показывает практика проведения расчетов опасных факторов пожара, блокирование путей эвакуации чаще всего наступает по потере видимости в дыму.

Предельное значение по потере видимости в дыму в нашей стране принято значение 20 м.

Пламя и искры. Тепловой поток.

Как говорится в известной поговорке: «Нет дыма без огня». Значительная часть пожаров протекает в режиме пламенного горения. Несмотря на то, что пожары могут начинаться с тления, в основном все они затем переходят в пламенное горение.

Пламя, или открытый огонь представляет значительную угрозу жизни и здоровья людей, а также способствует распространению пожара по объекту. Распространение пожара может осуществляться на десятки метров за счет теплового излучения пламени. Критерием оценки пламени, как опасного фактора пожара, является тепловой поток или плотность теплового излучения.

Как правило, в зданиях (жилых и общественных) пламя не представляет значительной опасности, т.к. до того момента, когда пожар значительно разовьется, люди успевают эвакуироваться. Но, к сожалению, так бывает не всегда.

Особую опасность пламя, тепловой поток, им создаваемый, представляет на производственных объектах, особенно где обращаются горючие газы, легковоспламеняющиеся и горючие жидкости. Аварии на таких объектах могут носить спонтанный характер, а тепловой поток, создаваемый при пожарах, представляет угрозу жизни и здоровья людей на значительных расстояниях от очага пожара.

Предельное значение теплового потока, принятое в нашей стране, составляет 1,4 кВт/м 2 , в зарубежной практике данное значение составляет 2,5 кВт/м 2 .

Токсичные продукты горения.

Токсичные продукты горения являются, на мой взгляд, наиболее опасным из опасных факторов пожара (извините за тавтологию), особенно в жилых и общественных зданиях. В нашей стране к токсичным продуктам горения относятся диоксид углерода (углекислый газ), монооксид углерода (угарный газ) и хлороводород.

В нашей стране предельно допустимые значения опасных факторов пожара для каждого из токсичных газообразных продуктов горения приняты следующие:

Диоксид углерода CO2 – 0,11 кг/м 3 ;

Монооксид углерода CO – 1,16·10 -3 кг/м 3 ;

Хлороводород HCl– 2,3·10 -5 кг/м 3 .

В зарубежной практике к токсичным продуктам горения относят угарный газ и циановодород (HCN), углекислый газ отнесен к разряду удушающих газов, хлороводород отнесен к раздражающим газам. Также, за рубежом, в частности в США, принята так называемая концепция «fractional effective dose» (FED), по которой учитывается усиление токсического воздействия при действии одновременно нескольких токсичных компонентов. Данное явление называется «синергизм».

Таблица 1 - Максимальная температура поверхности для электрооборудования группы II

Номинальные значения климатических факторов внешней среды по ГОСТ J5150 и ГОСТ 15543.1- в соответствии с установленным видом климатического исполнения.

В общем случае электрооборудование конструируется для применения при температуре окружающей среды от минус 20 до плюс 40 °С.

Если электрооборудование сконструировано для применения в другом диапазоне температур, тогда его рассматривают как специальное, и в технической документации и на табличке электрооборудования должен указываться этот диапазон температур t a или t amb , где t a ,t amb - температура окружающей среды (см. таблицу 2).

Таблица 2 - Температура окружающей среды в условиях эксплуатации и маркировка

5.3 Температура поверхности и температура самовоспламенения

Максимальная температура поверхности не должна быть выше значения наименьшей температуры самовоспламенения данной взрывоопасной среды (атмосферы).

Однако для деталей, общая площадь поверхности которых не превышает 10 см 2 , температура поверхности может превышать значения наименьшей температуры самовоспламенения для данного температурного класса, указанного на электрооборудовании группы II, или соответствующую максимальную температуру поверхности для группы 1, если отсутствует опасность воспламенения от этих деталей при превышении на:

50 o С для температурных классов Т1 – Т3,

25 o С для температурных классов Т4 - Т6 и группы I.

Это условие должно быть подтверждено испытанием аналогичных деталей или самого электрооборудования в представительных испытательных взрывоопасных смесях.

Примечание - При испытаниях может быть использован способ повышения температуры окружающей среды.

Более специфические рекомендации в части температуры поверхности миниатюрных деталей, подобных деталям, используемым в искробезопасных электрических цепях “i”, приведены в стандарте на взрывозащиту вида “искробезопасная электрическая цепь”.

6 Требования к электрооборудованию всех видов

6.1 Взрывозащищенное электрооборудование должно отвечать требованиям настоящего стандарта (кроме скорректированных в стандартах на взрывозащиту конкретных видов) и стандартов на взрывозащиту видов, перечисленных в разделе 1.

Примечание - Если электрооборудование должно выдерживать особо неблагоприятные условия эксплуатации (например, повышенное воздействие влажности, колебания окружающей температуры, воздействие химических агентов, коррозия), эти условия должны сообщаться потребителем изготовителю.

6.2 Оболочки, которые могут быть открыты быстрее, чем требуется время, необходимое:

a) для разряда встроенных конденсаторов напряжением 200 В и выше до значения остаточной энергии:

0,2 мДж для электрооборудования группы I и подгруппы IIА;

0,06 мДж для электрооборудования подгруппы IIB;

0,02 мДж для электрооборудования подгруппы IIC, включая электрооборудование, промаркированное только как группа II,

или в два раза превышающей приведенные уровни энергии, если конденсаторы заряжены до напряжения менее 200 В;

b) для охлаждения встроенных в оболочку нагретых элементов до температуры их поверхностей более низкой, чем температурный класс электрооборудования,

должны снабжаться предупредительной надписью: “Открывать через Y мин после отключения напряжения” (где Y значение требуемой выдержки времени), или в качестве альтернативы должны иметь предупредительную надпись:“Открывать во взрывоопасной среде запрещается”.

6.3 Оболочки изделий должны изготовляться из материалов:

- негорючих или трудногорючих, или стойких к действию пламени согласно ГОСТ 12.1.044. (Это требование не распространяется на стекла смотровых окон, светопропускающие элементы светильников, прокладки, заглушки и уплотнителъные кольца вводных устройств, телефонные аппараты и оболочки переносных приборов с индивидуальным искробезопасным источником питания, оболочки стационарных приборов группы II с питанием от искробезопасной цепи);

- устойчивых к механическому и тепловому воздействию, обусловленному работой электрооборудования в нормальном режиме и нормальных условиях эксплуатации.

6.4 Заливочные массы и уплотнения должны сохранять защитные свойства во всем диапазоне температур, возникающих при нормальных условиях эксплуатации электрооборудования.

6.5 Электроизоляционные материалы, пути утечки и электрические зазоры электрооборудования группы I должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к изоляции, путям утечки и электрическим зазорам рудничного электрооборудования.

10.4. Терморегуляция. Температура тела и изометрия

Температура тела человека и высших животных поддерживается на относительно постоянном уровне, несмотря на колебания температуры окружающей среды. Это постоянство температуры тела носит название изотермии. Изотермия в процессе онтогенеза развивается постепенно. У новорожденного способность поддерживать постоянство температуры тела не совершенна. В результате может наступить охлаждение или перегревание организма при таких температурах окружающей среды, которые не оказывают влияния на взрослого человека. Даже небольшая мышечная работа, связанная с длительным криком ребенка, может повысить температуру тела.

Температура органов и тканей, как и всего организма, зависит от интенсивности образования тепла и от теплопотерь. Теплообразование происходит в результате непрерывно совершающихся экзотермических реакциях. В тканях и органах, производящих активную работу (мышечная ткань, печень, почки), выделяется большее количество тепла, чем в менее активных (соединительные ткани, кости, хрящи).

Потеря тепла органами и тканями зависит от месторасположения: поверхностно расположенные органы (кожа, скелетные мышцы) отдают больше тепла и охлаждаются сильнее, чем внутренние органы, более защищенные от охлаждения. Печень, расположенная глубоко внутри тела и дающая большую теплопродукцию, имеет у человека более высокую и постоянную температуру (37,8 - 38 °С), температура кожи в большей мере зависит от окружающей среды.

О температуре тела человека судят на основании ее измерения в подмышечной впадине. Здесь температура у здорового человека рав­на 36,5 -36,9°С. Температура тела не остается постоянной, а колеб­лется в пределах 0,5 – 0,7°С. Покой и сон понижает температуру, мышечная деятельность повышает ее. Максимальная температура тела наблюдается в 4 - 6 часов вечера, минимальная - в 3 - 4 часа утра.

Постоянство температуры тела у человека может сохраняться при условии равенства теплообразования и потери тепла всего организма. Это достигается с помощью физиологических механизмов тер­морегуляции. Терморегуляцию принято разделять на химическую и физическую.

Химическая терморегуляция осуществляется путем изменения уровня теплообразования, т.е. усиления или ослабления интенсивности обмена веществ в клетках организма.

Химическая терморегуляция ведет к повышению или понижению образования тепла в организме. Суммарная теплопродукция в организме складывается из первичной теплоты, выделяющейся в ходе постоянно протекающих во всех тканях реакций обмена веществ; и вторичной теплоты, образующейся при расходовании энергии макроэргических соединений на выполнение определенной работы. Интенсивность метаболических процессов неодинакова в различных органах и тканях, поэтому их вклад в общую теплопродукцию неравнозначен. Образование тепла в мышцах при напряжении и сокращении получило название сократительного термогенеза. Сократительный термогенез является основным механизмом дополнительного теплообразования у взрослого человека. У новорожденного имеется механизм ускоренного теплообразования за счет возрастания скорости окисления жирных кислот бурого жира, кото­рый расположен в межлопаточной области, вдоль крупных сосудов грудной и брюшной полостей, в затылочной области шеи. Оттенок бурого цвета придают многочисленные окончания симпатических нервных волокон и митохондрии, содержащиеся в клетках этой ткани. Масса бурой жировой ткани достигает у взрослого 0,1% массы тела. У детей содержание бурого жира больше, чем у взрослых. В бурой жировой ткани образуется значительно большее количество тепла, чем в белой жировой ткани. Этот механизм термообразования получил название несократительного термогенеза.

Физическая терморегуля­ция осуществляется путем изменения интенсивности отдачи тепла.

Физическая терморегуляция - это совокупность физиологичес­ких процессов, ведущих к изменению уровня теплоотдачи.

Излучение - это отдача тепла в виде электромагнитных волн инф­ракрасного диапазона. Количество тепла, рассеиваемого организмом в окружающую среду излучением, пропорционально площади поверхности излучения (площади поверхности тех частей тела, которые соприкасаются с воздухом) и разности средних значений температур кожи и окружающей среды. При температуре окружающей среды 20°С и относительной влажности воздуха 40 - 60% организм взрослого человека рассеивает путем излучения около 40 - 50% всего отдаваемого тепла.

Излучение с поверхности тела возрастает при повышении температуры кожи и уменьшается при ее понижении. Если температура окружающей среды повышает температуру кожи, тело человека согре­вается, поглощая инфракрасные лучи, выделяемые средой.

Теплопроведение (кондукция) - отдача тепла при непосредственном соприкосновении тела с другим физическим объектом. Сухой воздух и жировая ткань являются теплоизоляторами. Влажный, насыщенный водяными порами воздух и вода имеют высокую теплопроводность. Поэтому пребывание при низкой температуре с высокой влажностью сопровождается усилением теплопотерь организма.

Конвекция - теплоотдача, осуществляемая путем переноса тепла движущимися частицами воздуха (воды). Для рассеивания тепла конвекцией требуется обтекание поверхности тела потоком воздуха с более низкой температурой. При температуре воздуха 20°С, относительной влажности - 40 - 60 % тело взрослого человека рассеивает в окружающую среду путем теплопроведения и конвекции около 25 - 30 % тепла.

Испарение - это отдача тепла за счет испарения пота или влаги с поверхности кожи и слизистых оболочек дыхательных путей. При температуре 20°С испарение составляет около 36 г/час. Путем испарения организм отдает около 20 % тепла. Испарение возможно до тех пор, пока влажность воздуха меньше 100 %. При интенсивном потоотделении, высокой влажности и малой скорости движения воздуха капельки пота, не успевая испариться, стекают с поверхности тела, теплоотдача путем испарения становится менее эффективной. Потоотделение использует затраты энергии. Некоторые животные не имеют механизма потоотделения - это не потеющие животные. Они заменяют потоотделение тепловой одышкой (полипноэ). Тепловая одышка протекает в виде сильно учащенного, но поверхностного дыхания. Такой тип дыхания увеличивает испарение воды с поверхности верхних дыхательных путей, полости рта и языка.

Терморегуляция направлена на предупреждение нарушений теплового баланса организма или на его восстановление. Информация о температуре приходит от периферических и центральных терморецепторов по афферентным нервам к центру терморегуляции в гипоталамусе. Этот центр обрабатывает информацию и посылает команды эффекторам, т.е. активирует различные механизмы, которые обеспечивают изменение теплопродукции и теплоотдачи.

Функции терморецепторов выполняют специализированные клетки, имеющие особо высокую чувствительность к температурным воздействиям. Они расположены в различных частях тела (кожа, ске­летные мышцы, кровеносные сосуды, желудок, кишечник, матка, мочевой пузырь), в дыхательных путях, в спинном мозге, ретикулярной формации, среднем мозге, гипоталамусе, коре больших полушарий.

Выделяют три группы терморецепторов:

1) экстерорецепторы располагаются в коже;

2) интерорецепторы, расположенные на внутренних органах и сосудах;

3) центральные терморецепторы располагаются в центральной нервной системе.

Наиболее изучены терморецепторы кожи. Больше всего их на коже лица и шеи. Кожные терморецепторы делятся на 1) холодовые и 2) тепловые. На поверхности тела количественно преобладают холодочувствитсльные терморецепторы. Холодовые рецепторы располагаются на глубине 0,17 мм от поверхности кожи, их около 250 тыс. Тепловые рецепторы находятся глубже и располагаются на глубине 0,3 мм от поверхности, их около 30 тыс.

Разряды тепловых рецепторов наблюдаются в диапазоне темпе­ратур от 20 до 50 °С, а холодовых - от 10 до 41 °С. При температуре ниже 10 °С холодовые рецепторы и нервные волокна блокируются. При температуре выше 45 °С холодовые рецепторы могут вновь ак­тивироваться, что объясняет феномен парадоксального ощущения холода, наблюдаемый при сильном нагревании. При температуре 47 - 48 °С начинают возбуждаться также болевые рецепторы. Это объясняет необычную остроту парадоксального ощущения холода.

Возбуждение рецепторов зависит от абсолютных значений температуры кожи в месте раздражения и от скорости и степени ее изменения.

Центры терморегуляции . Общепринято, что основной центральный механизм терморегуляции (центр терморегуляции) локализован в гипоталамусе. Гипоталамический терморегуляторный механизм заключается в следующем. Сигнализация от периферических терморецепторов, переключаясь в структурах задних рогов спинного мозга, адресуется к сегментарным соматическим и автономным механизмам спинального уровня, а также поступает по восходящим путям спинного мозга в головной мозг. Главными проводниками температурной чувствительности в головной мозг являются спиноталамический и спиноретикулярный тракты.

Сигналы от периферических терморецепторов адресуются в передний гипоталамус (медиальную преоптическую область), где происходит сравнение этих сигналов с уровнем активности центральных термосенсоров (они отражают температурное состояние мозга). Интеграция сигналов, характеризующих центральную и периферическую температуру тела обеспечивает выработку структурами заднего гипоталамуса импульсов, управляющих химической и физической терморегуляцией.

В комфортных условиях тепловой баланс, обеспечивающий поддержание температуры тела на нормальном уровне, не нуждается в коррекции специальными механизмами терморегуляции.

Кора больших полушарий, участвуя в переработке температурной информации, обеспечивает условнорефлекторную регуляцию теплопродукции и теплоотдачи. Сильные терморегуляторные реакции вызывают природные условные раздражители (вид снега, льда, яркое солнце и другие). Кора головного мозга и лимбическая система обеспечивают возникновение субъективных температурных ощущений (холодно, прохладно, тепло, жарко), мотивационных возбуждений и поведения, направленного на поиск более комфортной среды. В гипоталамусе расположены нейроны, управляющие процессами теплоотдачи и теплопродукции. Термочувствительные нервные клетки способны различать разницу температуры в 0,01 °С крови, протекающей через мозг.

Имеются данные о том, что соотношение в гипоталамусе кон­центраций ионов натрия и кальция определяет уровень температу­ры. Изменение концентраций этих ионов приводит к изменениям уровня температуры тела.

В терморегуляции принимают участие и гуморальные факторы. Тироксин усиливает окислительные процессы, что сопровождается увеличением теплообразования. Адреналин суживает периферические сосуды, что приводит к снижению теплоотдачи.

Температурная адаптация . Продолжительное пребывание в перегревающих или переохлаждающих условиях микроклимата приводит к повышению эффективности механизмов защиты от перегревания или от переохлаждения. Тепловая адаптация сводится к повышению эффективности механизма потоотделения, что достигается за счет повышения чувства жажды при незначительных потерях воды и снижения порога потоотделения на перегревание. Холодовая адаптация заключается в увеличении теплоизолирующих свойств кожи и накопления подкожного жира, а также в фоновом повышении тканевого энергообмена за счет увеличения количества тканевых β-адренорецепторов.

Человек, как известно, относится к гомойотермным, или теплокровным, организмам. Означает ли это, что температура его тела постоянна, т.е. организм не реагирует на изменения температуры окружающей среды? Реагирует, и даже очень чутко. Постоянство температуры тела – это, собственно, и есть результат непрерывно происходящих в организме реакций, поддерживающих неизменным его тепловой баланс.

С точки зрения обменных процессов, выработка тепла – это побочный эффект химических реакций биологического окисления, в ходе которых поступающие в организм питательные вещества – жиры, белки, углеводы – претерпевают превращения, заканчивающиеся образованием воды и углекислого газа. Такие же реакции с высвобождением тепловой энергии происходят и в организмах пойкилотермных, или холоднокровных, животных, но из-за значительно более низкой их интенсивности температура тела у пойкилотермных лишь незначительно превышает температуру окружающей среды и изменяется в соответствии с последней.

Все протекающие в живом организме химические реакции зависят от температуры. И у пойкилотермных животных интенсивность процессов превращения энергии, согласно правилу Вант-Гоффа*, возрастает пропорционально внешней температуре. У гомойотермных животных эта зависимость замаскирована другими эффектами. Если гомойотермный организм охладить ниже комфортной температуры окружающей среды, интенсивность обменных процессов и, следовательно, выработка тепла у него возрастают, предотвращая понижение температуры тела. Если терморегуляцию у этих животных блокировать (например, при наркозе или повреждении определенных участков ЦНС), кривая зависимости теплопродукции от температуры будет такой же, как и для пойкилотермных организмов. Но даже в этом случае сохраняются существенные количественные различия между обменными процессами у пойкилотермных и гомойотермных животных: при данной температуре тела интенсивность обмена энергии в расчете на единицу массы тела у гомойотермных организмов по меньшей мере в 3 раза превышает интенсивность обмена у пойкилотермных организмов.

Многие животные, из тех, что не относятся к млекопитающим и птицам, способны в некоторой степени менять температуру тела при помощи «поведенческой терморегуляции» (например, рыбы могут заплывать в более теплую воду, ящерицы и змеи – принимать «солнечные ванны»). Истинно гомойотермные организмы способны использовать как поведенческие, так и автономные способы терморегуляции, в частности у них может при необходимости вырабатываться дополнительное тепло за счет активации обмена веществ, тогда как другие организмы вынуждены ориентироваться на внешние источники тепла.

Температура большинства теплокровных млекопитающих лежит в диапазоне от 36 до 40 °С, несмотря на значительные различия в размерах тела. В то же время интенсивность метаболизма (М) зависит от массы тела (m) как ее показательная функция: M = k x m 0,75 , т.е. величина М/m 0,75 одна и та же для мыши и для слона, хотя у мыши интенсивность метаболизма на 1 кг массы тела значительно больше, чем у слона. Этот так называемый закон снижения интенсивности обмена веществ в зависимости от массы тела отражает то, что теплопродукция соответствует интенсивности теплоотдачи в окружающее пространство. Для данной разницы температур между внутренней средой организма и окружающей средой потери тепла на единицу массы тела оказываются тем больше, чем больше соотношение между поверхностью и объемом тела, причем последнее соотношение уменьшается с увеличением размеров тела.

Температура тела и тепловой баланс

Когда для поддержания постоянства температуры тела требуется дополнительное тепло, оно может быть выработано за счет:

1) произвольной двигательной активности;
2) непроизвольной ритмической мышечной активности (дрожь, вызванная холодом);
3) ускорения обменных процессов, не связанных с сокращением мышц.

У взрослого человека дрожь – наиболее важный непроизвольный механизм термогенеза. «Недрожательный термогенез» встречается у новорожденных животных и детей, а также у мелких, адаптированных к холоду животных и у животных, впадающих в зимнюю спячку. Главным источником «недрожательного термогенеза» служит так называемый бурый жир – ткань, характеризующаяся избытком митохондрий и «мультилакулярным» распределением жира (многочисленные мелкие капельки жира, окруженные митохондриями). Эта ткань обнаруживается между лопатками, в подмышечных впадинах и в некоторых других местах.

Чтобы температура тела не изменялась, теплопродукция должна равняться теплоотдаче. По закону охлаждения Ньютона отданное телом тепло (за вычетом потерь, связанных с испарением) пропорционально разности температур между внутренней частью тела и окружающим пространством. У человека теплоотдача равна нулю при температуре окружающей среды 37 °С, а при понижении температуры она возрастает. Теплоотдача зависит также от проведения тепла внутри организма и периферического кровотока.

Термогенез, связанный с обменом веществ в условиях покоя (рис. 1), уравновешивается процессами теплоотдачи в зоне температур окружающей среды Т 2 –Т 3 , если кожный кровоток постепенно уменьшается по мере снижения температуры от Т 3 до Т 2 . При температуре ниже Т 2 постоянство температуры тела может поддерживаться только при усилении термогенеза пропорционально потерям тепла. Наибольшая выработка тепла, обеспечиваемая этими механизмами, у человека соответствует уровню метаболизма, в 3–5 раз превышающему интенсивность основного обмена, и характеризует нижнюю границу диапазона терморегуляции T 1 . В случае выхода за эту границу развивается гипотермия, которая может привести к смерти от переохлаждения.

При температуре окружающей среды выше Т 3 температурное равновесие могло бы сохраняться за счет ослабления интенсивности обменных процессов. На самом деле, температурный баланс устанавливается за счет дополнительного механизма теплоотдачи – испарения выделяющегося пота. Температура Т 4 соответствует верхней границе диапазона терморегуляции, которая определяется максимальной интенсивностью выделения пота. При температуре среды выше Т 4 возникает гипертермия, которая может привести к смерти от перегрева. Температурный диапазон Т 2 –Т 3 , в пределах которого температура организма может поддерживаться на постоянном уровне без участия дополнительных механизмов теплопродукции или потоотделения, называется термонейтральной зоной . В этом диапазоне интенсивность метаболизма и теплопродукция по определению минимальны.

Температура тела человека

Тепло, вырабатываемое организмом в норме (т.е. в условиях равновесия), отдается в окружающее пространство поверхностью тела, поэтому температура частей тела вблизи его поверхности должна быть ниже температуры его центральных частей. В связи с неправильностью геометрических форм тела распределение температуры в нем описывается сложной функцией. Например, когда легко одетый взрослый человек находится в помещении с температурой воздуха 20 °С, температура глубокой мышечной части бедра составляет 35 °С, глубоких слоев икроножной мышцы 33 °С, в центре стопы температура составляет лишь 27–28 °С, а ректальная температура равна примерно 37 °С. Колебания температуры тела, вызванные изменениями внешней температуры, наиболее выражены вблизи поверхности тела и на концах конечностей (рис. 2).

Рис. 2. Температура различных областей тела человека в условиях холода (А) и тепла (Б)

Внутренняя температура тела сама по себе не является постоянной ни в пространственном, ни во временном отношении. В термонейтральных условиях различия температур во внутренних областях тела составляют 0,2–1,2 °С; даже в головном мозге разница температур между центральной и наружной частями достигает более 1 °С. Наиболее высокая температура отмечается в прямой кишке, а не в печени, как считалось раньше. На практике обычно представляют интерес изменения температуры во времени, поэтому ее измеряют на каком-либо одном определенном участке.

Для клинических целей предпочтительнее измерять ректальную температуру (термометр вводят через анальное отверстие в прямую кишку на стандартную глубину 10–15 см). Оральная, точнее подъязычная, температура обычно на 0,2–0,5 °С ниже ректальной. На нее влияет температура вдыхаемого воздуха, пищи и питья.

При исследованиях в спортивной медицине часто измеряют пищеводную температуру (над входом в желудок), которую регистрируют с помощью гибких термодатчиков. Такие измерения отражают изменения температуры тела быстрее, чем регистрация ректальной температуры.

Подмышечная температура также может служить показателем внутренней температуры тела, поскольку, когда рука плотно прижата к грудной клетке, температурные градиенты смещаются так, что граница внутреннего слоя доходит до подмышечной впадины. Однако для этого необходимо некоторое время. Особенно после нахождения на холоде, когда поверхностные ткани были охлаждены и в них произошло сужение сосудов (это особенно часто бывает при простуде). В этом случае для установления теплового равновесия в этих тканях должно пройти около получаса.

В некоторых случаях внутреннюю температуру измеряют в наружном слуховом проходе. Это делают при помощи гибкого датчика, который помещают вблизи барабанной перепонки и предохраняют от внешних температурных влияний при помощи ватного тампона.

Обычно для определения температуры поверхностного слоя тела измеряют температуру кожи. В этом случае измерение в одной точке дает неадекватный результат. Поэтому на практике обычно измеряют среднюю температуру кожи в области лба, груди, живота, плеча, предплечья, тыльной стороны ладони, бедра, голени и дорсальной поверхности стопы. При вычислениях учитывают площадь соответствующей поверхности тела. Найденная таким способом «средняя температура кожи» при комфортной температуре окружающей среды составляет примерно 33–34 °С.

Температура тела человека колеблется в течение дня: она минимальна в предутренние часы и максимальна (часто с двумя пиками) в дневное время (рис. 3). Амплитуда суточных колебаний составляет примерно 1 °С. У животных, активных в ночное время, температурный максимум отмечается ночью. Проще всего было бы объяснить эти факты тем, что увеличение температуры происходит в результате усиления физической активности, однако такое объяснение оказывается неверным.

Колебания температуры – один из многих суточных ритмов. Даже если исключить все ориентирующие внешние сигналы (свет, температурные изменения, часы приема пищи), температура тела

продолжает колебаться ритмически, но период колебаний в этом случае составляет от 24 до 25 ч. Таким образом, суточные колебания температуры тела основаны на эндогенном ритме («биологические часы»), обычно синхронизованном с внешними сигналами, в частности с вращением Земли. Во время путешествий, связанных с пересечением земных меридианов, обычно требуется 1–2 недели для того, чтобы температурный ритм пришел в соответствие с жизненным укладом, определяемым новым для организма местным временем.

На ритм суточных изменений температуры накладываются ритмы с более продолжительными периодами, например температурный ритм, синхронизованный с менструальным циклом.

Во время ходьбы, например, выработка тепла в 3–4 раза, а при напряженной физической работе даже в 7–10 раз выше, чем в состоянии покоя. Увеличивается она и в первые часы после приема пищи (примерно на 10–20%). Ректальная температура во время марафонского бега может достигать 39–40 °С, а в некоторых случаях – почти 41 °С. А вот средняя температура кожи снижается за счет вызванного нагрузкой потоотделения и испарения. Во время работы с субмаксимальной нагрузкой, пока происходит выделение пота, повышение внутренней температуры почти не зависит от окружающей температуры в диапазоне 15–35 °С. Обезвоживание тела приводит к подъему внутренней температуры и заметно снижает работоспособность.

Теплоотдача

Как же тепло, возникшее в недрах организма, покидает его? Частично с выделениями и с выдыхаемым воздухом, но роль главного охладителя играет кровь. Благодаря своей высокой теплоемкости кровь очень хорошо подходит для этой цели. Она забирает тепло у клеток омываемых ею тканей и органов и уносит его по кровеносным сосудам к коже и слизистым оболочкам. Здесь, в основном, и происходит отдача тепла. Поэтому оттекающая от кожи кровь примерно на 3 °С холоднее притекающей. Если организм лишить возможности удалять тепло, то всего лишь за 2 ч температура его повышается на 4 °С, а подъем температуры до 43–44 °С уже, как правило, несовместим с жизнью.

Передача тепла в конечностях до некоторой степени определяется тем, что кровоток здесь происходит по принципу противотока. Глубокие крупные сосуды конечностей располагаются параллельно, благодаря чему кровь, следующая по артериям на периферию, отдает свое тепло близлежащим венам. Таким образом, капилляры, расположенные на концах конечностей, получают предварительно охлажденную кровь, поэтому пальцы рук и ног наиболее чувствительны к пониженным температурам.

Слагаемыми теплоотдачи служат: проведение тепла Н п , конвекция Н к , излучение Н изл и испарение Н исп . Общий поток тепла определяется суммой этих компонентов:

Н нар = Н п + Н к + Н изл + Н исп .

Перенос тепла путем проведения происходит, когда тело соприкасается (в положении стоя, сидя или лежа) с плотным субстратом. Величина потока тепла определяется температурой и теплопроводностью прилежащего субстрата.

Если кожа теплее окружающего воздуха, прилегающий к ней слой воздуха нагревается, поднимается и замещается более холодным и плотным воздухом. Движущей силой этого конвективного потока служит разница между температурами тела и окружающей среды вблизи него. Чем больше движений возникает во внешнем воздухе, тем тоньше становится пограничный слой (максимальная толщина 8 мм).

Для диапазона биологических температур перенос тепла за счет излучения Н изл может быть описан с достаточной точностью при помощи уравнения:

Н изл = h изл x (T кожи – Т изл ) x А,

где T кожи – средняя температура кожи, Т изл – средняя температура излучения (температура окружающих поверхностей, например стен комнаты),
А – эффективная площадь поверхности тела и
h изл – коэффициент переноса тепла за счет излучения.
Коэффициент h изл учитывает излучающую способность кожи, которая для длинноволнового ИК-излучения равна примерно 1 независимо от пигментации, т.е. кожа излучает почти столько же энергии, сколько абсолютно черное тело.

Около 20% теплоотдачи тела человека в условиях нейтральной температуры осуществляется за счет испарения воды с поверхности кожи или со слизистых оболочек дыхательных путей. Теплоотдача путем испарения происходит даже при 100% относительной влажности окружающего воздуха. Это происходит до тех пор, пока температура кожи выше температуры окружающей среды и кожа полностью увлажнена благодаря достаточному выделению пота.

Когда температура окружающей среды превышает температуру тела, теплоотдача может осуществляться только путем испарения. Эффективность охлаждения за счет потоотделения очень высока: при испарении 1 л воды организм человека может отдать треть всего тепла, выработанного в условиях покоя за целый день.

Влияние одежды

Эффективность одежды как теплоизолятора обусловлена мельчайшими объемами воздуха в структуре плетеной ткани или в ворсе, в которых не возникают сколько-нибудь заметные конвективные потоки. В этом случае тепло переносится только путем проведения, а воздух является плохим проводником тепла.

Факторы окружающей среды и температурный комфорт

Влияние окружения на тепловой режим организма человека определяется по крайней мере четырьмя физическими факторами: температурой воздуха, влажностью, температурой излучения и скоростью движения воздуха (ветра). От этих факторов зависит, ощущает ли испытуемый «температурный комфорт», жарко ему либо холодно. Условие комфорта состоит в том, чтобы организм не нуждался в работе механизмов терморегуляции, т.е. ему не требовалось бы ни дрожи, ни выделения пота, а кровоток в периферических органах мог сохранять промежуточную скорость. Это условие соответствует упомянутой выше термонейтральной зоне.

Указанные четыре физических фактора до некоторой степени взаимозаменяемы в отношении ощущения комфорта и потребности в терморегуляции. Иными словами, ощущение холода, вызванное низкой температурой воздуха, может быть ослаблено соответствующим повышением температуры излучения. Если атмосфера кажется душной, то соответствующее ощущение может быть ослаблено путем снижения влажности или температуры воздуха. Если температура излучения низкая (холодные стены), для достижения комфорта требуется увеличение температуры воздуха.

Согласно проведенным недавно исследованиям, значение комфортной температуры для легко одетого (рубашка, трусы, длинные хлопковые брюки) сидящего испытуемого равно примерно 25–26 °С при влажности воздуха 50% и равенстве температур воздуха и стен. Соответствующее значение для обнаженного испытуемого составляет 28 °С. При этом средняя температура кожи равна примерно 34 °С. При физической, работе по мере того как испытуемый затрачивает все больше физических усилий, комфортная температура снижается. Например, для легкой кабинетной работы предпочтительная температура воздуха равна примерно 22 °С. Как ни странно, во время тяжелой физической работы комнатная температура, при которой не возникает потоотделения, ощущается как слишком низкая.

Диаграмма на рис. 4 показывает, как соотносятся значения комфортной температуры, влажности и температуры окружающего воздуха во время легкой физической работы. Каждой степени дискомфорта может быть сопоставлено одно значение температуры – эффективная температура (ЭТ). Численное значение ЭТ находят путем проецирования на ось X точки, в которой линия дискомфорта пересекает кривую, соответствующую 50% относительной влажности. Например, все комбинации значений температуры и влажности в темно-серой области (30 °С при относительной влажности 100% или 45 °С при относительной влажности 20% и т.д.) соответствуют эффективной температуре 37 °С, которая в свою очередь соответствует определенной степени дискомфорта. В диапазоне более низких температур влияние влажности оказывается меньшим (наклон линий дискомфорта более крутой), поскольку в этом случае вклад испарения в общую теплоотдачу незначителен. Дискомфорт возрастает с увеличением средней температуры и влажности кожи. Когда значения параметров, определяющие максимальную влажность кожи (100%), превышены, тепловой баланс не может больше сохраняться. Таким образом, человек способен выдерживать условия за пределами этой границы лишь в течение короткого времени; пот при этом стекает ручьями, поскольку его выделяется больше, чем может испариться. Линии дискомфорта, конечно, смещаются в зависимости от тепловой изоляции, обеспечиваемой одеждой, скорости ветра и характера физической нагрузки.

Значения комфортной температуры в воде

Вода обладает по сравнению с воздухом значительно большей теплопроводностью и теплоемкостью. Когда вода находится в движении, возникающий турбулентный поток вблизи поверхности тела отнимает тепло так быстро, что при температуре воды 10 °С даже сильное физическое напряжение не позволяет поддерживать тепловое равновесие, и возникает гипотермия. Если тело находится в полном покое, для достижения температурного комфорта температура воды должна быть 35–36 °С. В зависимости от толщины изолирующей жировой ткани нижняя предельная комфортная температура в воде колеблется от 31 до 36 °С.

Продолжение следует

* Согласно правилу Вант-Гоффа, при изменении температуры на 10 °С (в пределах от 20 до 40 °С) потребление тканями кислорода изменяется в том же направлении в 2–3 раза.