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
Теплообмен человека с водой
Существуют следующие пути отдачи тепла организмом в окружающую среду: излучение, теплопроведение, конвекция и испарение.
Излучение — это способ отдачи тепла в окружающую среду поверхностью тела человека в виде электромагнитных волн инфракрасного диапазона (а = 5—20 мкм). Количество тепла, рассеиваемого организмом в окружающую среду излучением, пропорционально площади поверхности излучения и разности средних значений температур кожи и окружающей среды. Площадь поверхности излучения — это суммарная площадь поверхности тех частей тела, которые соприкасаются с воздухом. При температуре окружающей среды 20 °С и относительной влажности воздуха 40—60 % организм взрослого человека рассеивает путем излучения около 40—50 % всего отдаваемого тепла. Теплоотдача путем излучения возрастает при понижении температуры окружающей среды и уменьшается при ее повышении. В условиях постоянной температуры окружающей среды излучение с поверхности тела возрастает при повышении температуры кожи и уменьшается при ее понижении. Если средние температуры поверхности кожи и окружающей среды выравниваются (разность температур становится равной нулю), отдача тепла излучением становится невозможной. Снизить теплоотдачу организма излучением можно за счет уменьшения площади поверхности излучения («сворачивания тела в клубок»). Если температура окружающей среды превышает среднюю температуру кожи, тело человека, поглощая инфракрасные лучи, излучаемые окружающими предметами, согревается.
Теплопроведение — способ отдачи тепла, имеющий место при контакте, соприкосновении тела человека с другими физическими телами. Количество тепла, отдаваемого организмом в окружающую среду этим способом, пропорционально разнице средних температур контактирующих тел, площади контактирующих поверхностей, времени теплового контакта и теплопроводности контактирующего тела. Сухой воздух, жировая ткань характеризуются низкой теплопроводностью и являются теплоизоляторами. Использование одежды из тканей, содержащих большое число маленьких неподвижных «пузырьков» воздуха между волокнами (например, шерстяные ткани), дает возможность организму человека уменьшить рассеяние тепла путем теплопроводности. Влажный, насыщенный водяными парами воздух, вода характеризуются высокой теплопроводностью. Поэтому пребывание человека в среде с высокой влажностью при низкой температуре сопровождается усилением теплопотерь организма. Влажная одежда также теряет свои теплоизолирующие свойства.
Конвекция — способ теплоотдачи организма, осуществляемый путем переноса тепла движущимися частицами воздуха (воды). Для рассеяния тепла конвекцией требуется обтекание поверхности тела потоком воздуха с более низкой температурой, чем температура кожи. При этом контактирующий с кожей слой воздуха нагревается, снижает свою плотность, поднимается и замещается более холодным и более плотным воздухом. В условиях, когда температура воздуха равна 20 °С, а относительная влажность — 40—60 %, тело взрослого человека рассеивает в окружающую среду путем теплопро-ведения и конвекции около 25—30 % тепла (базисная конвекция). При увеличении скорости движения воздушных потоков (ветер, вентиляция) значительно возрастает и интенсивность теплоотдачи (форсированная конвекция).
Отдача тепла организмом путем теплопроведения, конвекции и излучения, называемых вместе «сухой» теплоотдачей, становится неэффективной при выравнивании средних температур поверхности тела и окружающей среды.
Теплоотдача путем испарения — это способ рассеяния организмом тепла в окружающую среду за счет его затраты на испарение пота или влаги с поверхности кожи и влаги со слизистых оболочек дыхательных путей («влажная» теплоотдача). У человека постоянно осуществляется выделение пота потовыми железами кожи («ощутимая», или железистая, потеря воды), увлажняются слизистые оболочки дыхательных путей («неощутимая» потеря воды) (рис. 13.4). При этом «ощутимая» потеря воды организмом оказывает более существенное влияние на общее количество отдаваемого путем испарения тепла, чем «неощутимая».
При температуре внешней среды около 20 «С испарение влаги составляет около 36 г/ч. Поскольку на испарение 1 г воды у человека затрачивается 0,58 ккал тепловой энергии, нетрудно подсчитать, что путем испарения организм взрослого человека отдает в этих условиях в окружающую среду около 20 % всего рассеиваемого тепла. Повышение внешней температуры, выполнение физической работы, длительное пребывание в теплоизолирующей одежде усиливают потоотделение и оно может возрасти до 500— 2000 г/ч. Если внешняя температура превышает среднее значение температуры кожи, то организм не может отдавать во внешнюю среду тепло излучением, конвекцией и теплопроведением. Организм в этих условиях начинает поглощать тепло извне, и единственным способом рассеяния тепла становится усиление испарения влаги с поверхности тела. Такое испарение возможно до тех пор, пока влажность воздуха окружающей среды остается меньше 100 %. При интенсивном потоотделении, высокой влажности и малой скорости движения воздуха, когда капли пота, не успевая испариться, сливаются и стекают с поверхности тела, теплоотдача путем испарения становится менее эффективной.
Источник
