Основное уравнение теплового баланса

Тепловой баланс достигается координацией процессов, направленных на выработку тепла в организме (теплопродукции) и его выведение – теплоотдачу. Он осуществляет аппаратом химической и физической терморегуляции человека, а также путем приспособительных действий человека, направленных на создание оптимального микроклимата, и использования одежды («поведенческая» терморегуляция).

Тепловой баланс в общем виде может быть описан уравнением

Qт.п+Qт.н=Qрад+Qконв+Qконд+Qисп.д+Qисп.дых+Qисп.п+Qдых.н±Qт.с

Qт.п – теплопродукция человека

Qт.н - внешняя тепловая нагрузка (например, вследствие солнечной радиации)

Qконв - потери тепла конвекцией

Qконд - потери тепла кондукцией

Qисп.д – потери тепла испарением диффузионной влаги с поверхности кожи

Qисп.дых –потери тепла испарением влаги с верхних дыхательных путей

Qисп.п - потери тепла испарением выделяемого пота

Qдых.н - потери тепла вследствие нагревания вдыхаемого воздуха

Qт.с –изменение теплосодержания организма относительно его комфортного уровня (дефицит или накопление тепла в организме)

Обе части равенства, характеризующие тепловой баланс (теплообразование и теплоотдача), являются переменными, зависящими как от физиологических, так и от физических параметров.

Теплообразование в большей степени зависит от физиологических реакций, теплоотдача – от физических факторов окружающей среды, одежды. Физиологические реакции регулируют передачу тепла от внутренних тканей тела человека и поверхностью кожи.

Теплообразование (теплопродукция человека) – выработка теплоты в организме в результате энергетических превращений в живых клетках; она связана с непрерывно совершающимся биохимическим синтезом белком и других органических соединений, с осмотической работой (переносом ионов), с механической работой мышц (сердечной мышцы, гладких мышц различных органов, скелетной мускулатуры). В организме человека, находящегося в состоянии относительного физического покоя, 50 % теплоты образуется в органах брюшной полости (главным образом в печени), 20 % в скелетах мышцах и центральной нервной системе, 10 % - при работе органов дыхания и кровообращения. При выполнении физической работы, а также при выраженном охлаждении человека в покое (дрожь) значительно увеличивается доля образования теплоты в скелетных мышцах. Часть энергии, образующейся в организме при выполнении физической работы, расходуются на внешнюю работу. Основная же ее часть переходит в тепловую Qт.п (теплопродукцию).

Таким образом, энергия, выделяемая в организме в виде тепла (теплопродукция) и обеспечивающая поддержание постоянного уровня тепла температуры тела, составляет при физической работе только часть энерготрат Qэ.т. В случае, когда вырабатываемая в организме человека энергия не расходуется на внешнюю механическую работу, она вся практически превращается в тепловую. Это наблюдается, например, у человека, находящегося в состояние относительного физического покоя (лежа, сидя, стоя) и выполняющего некоторые виды физической работы (такие, как ходьба по ровной местности). Энергия, расходуемая на выполнение внешней работы N, может быть определена из уравнения

N = η (Q э.т. – Qо),

η – термический коэффициент полезного действия

Qо – величина основного обмена

Расход энергии в состоянии полного покоя (при расслаблении мышц, отсутствие полных раздражителей, натощак, в комфортных микроклиматических условиях), т.е. в условиях, обеспечивающих минимальную активность механизмов терморегуляции, принято называть основным обменом. Он характеризует то минимальное количество энергии, которое необходимо для поддержания основных жизненных процессов.

Основной обмен у здорового человека колеблется в зависимости от возраста и пола.

Таким образом, для определения теплопродукции человека, выполняющего физическую работу, необходимо занять его общие энерготраты Qэ.т, термический коэффициент полезного действия η и основной обмен Qо, т.е.

Qт.п = Q э.т. – η (Q э.т. – Qо),

Данные о теплообразовании используются для определения теплопотерь человека, величина которых является основной для расчета теплового сопротивления одежды, обеспечивающей сохранение теплового баланса организма в конкретных условиях ее эксплуатации.