Цель: раскрыть понятие микроклимата и его составляющих, ввести понятие теплового баланса, синтезировать знания физики, биологии и технологии.
Актуализация знаний.
Мы сегодня будем говорить о микроклимате и его влиянии на жизнь человека с точки зрения физики и биологии, а также прикладной части этих наук – технологии. Может быть, кто-то из вас в будущем посвятит себя биофизике. Обобщённо можно сказать, что биофизика изучает особенности действия физических законов на биологическом уровне организации вещества и энергии.
Давайте обновим (освежим) наши знания по физике, что мы знаем о некоторых понятиях физических явлений:
1. Конвекция – это вид теплопередачи, сопровождающийся переносом вещества;
2. Теплообмен – это самопроизвольный, необратимый процесс переноса тепла от более нагретых тел к менее нагретым;
3. Теплопроводность – это перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым участкам;
4. Теплота – это количество энергии, отдаваемое или получаемое телом в процессе теплообмена;
5. Излучение – это вид теплопередачи, при котором энергия переносится различными лучами, в т.ч. инфракрасными лучами, которые входят в электромагнитный спектр.
Напомню, что электромагнитный спектр подразделяется на:
- радиоволны (начиная со сверхдлинных)
- терагерцевое излучение
- микроволновое излучение
- инфракрасное излучение
- видимое излучение (свет)
- ультрафиолетовое излучение
- рентгеновское излучение
- жёсткое (гамма-излучение).
Электромагнитное излучение способно распространяться практически во всех средах.
Эрнест Резерфорд, открывший миру т.н. «планетарную модель атома», однажды пошутил: «Всё вокруг – физика, а остальное – коллекционирование марок». Конечно, в каждой шутке есть только доля шутки.
Изучение нового материала.
На этом уроке мы узнаем, от чего зависит тепловое самочувствие человека, или тепловой баланс в системе «человек – среда обитания».
Из курса биологии нам известно, что человек относится к гомойотермным организмам (от греч. homeo - подобный, одинаковый), т.е. к тем теплокровным животным, тела которых вырабатывают много тепла, отличаются относительным постоянством температуры тела, и которая незначительно изменяется в течение суток, если человек находится в комфортных условиях. Но если окружающая температура выше или ниже определённых значений, то эти факторы могут оказывать негативное воздействие на человека, на его физиологическое и психическое состояние.
ВОПРОС: Где, в условиях России, больше всего времени в течении дня проводит человек – на улице или в помещении? В помещении. Это не Африка…
Для комфортного проживания или работы, а также для хорошего самочувствия человеку необходимо создать в помещении, где он находится, нужный микроклимат.
Микроклимат– это комплекс заданных метеорологических условий в жилище (офисе, классной комнате, рабочем помещении и т.п.) и представляет собой набор физических факторов, которые обусловливают теплообмен человека с окружающей средой, его тепловое состояние и влияющих на его самочувствие, здоровье, работоспособность.
Тепловое состояние человека по степени напряжения реакций терморегуляции организма, по влиянию на показатели работоспособности и здоровья подразделяется на:
· оптимальное,
· допустимое,
· предельно допустимое.
Показателями микроклимата являются:
· температура,
· относительная влажность,
· количество аэроионов,
· воздухообмен,
· скорость движения воздуха,
· содержание в воздухе твердых частиц (пыли),
· наличие приятных запахов (ароматерапия),
· атмосферное давление и др.
Микроклимат по степени его влияния на тепловой баланс человека подразделяется на:
· нейтральный,
· нагревающий,
· охлаждающий.
Нейтральный микроклимат - такое сочетание его составляющих, которое при воздействии на человека в течение рабочей смены, обеспечивает тепловой баланс организма, разность между величиной теплопродукции и суммарной теплоотдачей находится в пределах +/- 2 Вт; а доля теплоотдачи испарением влаги не превышает 30%.
Охлаждающий микроклимат - сочетание параметров, при котором имеет место превышение суммарной теплоотдачи в окружающую среду над величиной теплопродукции организма, приводящее к образованию общего и/или локального дефицита тепла в теле человека (> 2 Вт).
Нагревающий микроклимат - сочетание его параметров, при котором имеет место изменение теплообмена человека с окружающей средой, проявляющееся в накоплении тепла в организме (> 2 Вт) и/или в увеличении доли потерь тепла испарением влаги (> 30%).
Нейтральный микроклимат можно классифицировать как комфортный, а охлаждающий или нагревающий отнести к дискомфортному микроклимату.
При комфортном микроклимате физиологические процессы терморегуляции не напряжены, теплоощущение хорошее, функциональное состояние нервной системы оптимальное, физическая и умственная работоспособность высокая, организм устойчив к воздействию негативных факторов среды.
Дискомфортный микроклимат вызывает в теле человека напряжение процессов терморегуляции, человек испытывает плохое теплоощущение, ухудшается условно-рефлекторная деятельность и функция анализаторов, понижается работоспособность и качество труда, снижается устойчивость организма к воздействию неблагоприятных факторов.
При дискомфортном микроклимате наблюдается напряжение процессов терморегуляции. При изменениях микроклимата, выходящих за границы приспособительных физиологических колебаний, дискомфорт проявляется в виде изменения самочувствия, например, появляется апатия, шум в ушах, мерцание перед глазами, тошнота, помрачение сознания, повышение температуры тела, судороги и\или другие симптомы.
Параметры микроклимата.
Чтобы понять влияние того или иного показателя микроклимата на теплообмен, нужно знать основные пути отдачи тепла организмом.
При нормальных внешних условиях среды организм человека теряет примерно 85 % тепла через кожу и 15 % тепла расходуется на нагревание пищи, вдыхаемого воздуха и испарения воды из легких.
Эти 85 % тепла, отдаваемого через кожу, распределяется следующим образом: 45 % приходится на излучение, 30 % на проведение (одежда, постельное бельё) и 10 % на испарение. Эти соотношения могут изменяться в зависимости от условий микроклимата.
Одним из важных интегральных показателей теплового состояния организма является средняя температура тела (внутренних органов) порядка 36,6 градусов по Цельсию. Она зависит от степени нарушения теплового баланса и уровня энергозатрат при выполнении физической работы. Например, при выполнении работы средней тяжести и тяжелой при высокой температуре воздуха, температура тела может повышаться от нескольких десятых градуса до 1…2 градусов по Цельсию. Наивысшая температура внутренних органов, которую выдерживает человек, составляет +43 градусов по Цельсию, минимальная +25 градусов по Цельсию.
Количество теплоты, выделяемой человеком с выдыхаемым воздухом, зависит от его физической нагрузки, влажности, и температуры вдыхаемого воздуха.
Гипертермия - повышение температуры ядра тела выше 37°С. Она может возникать в результате продолжительного действия высокой температуры внешней среды, или относительно недостаточной теплоотдачи организма, либо избыточной теплопродукции.
Несмотря на то, что в течение коротких периодов времени человек может выдерживать температуру тела на уровне 43°С, предельной для его выживания в течение более длительного периода времени является температура 42°С. Однако уже при температуре 40 - 41°С могут развиваться тяжелые поражения мозга - отек ткани мозга, гибель нейронов.
Гипотермия - снижение температуры ядра тела до 35°С и ниже. Она может быть результатом продолжительного пребывания организма в среде с низкой температурой. На начальной стадии охлаждения организма процессы терморегуляции значительно активизируются, однако если оно продолжается, температура тела начинает снижаться; при достижении ею 31°С происходит потеря сознания, а при температуре 24 - 28°С обычно наступает смерть.
Температурный режим кожи играет основную роль в теплоотдаче. Ее температура меняется в довольно значительных пределах и при нормальных условиях средняя температура кожи под одеждой составляет 30…34 градусов по Цельсию. При неблагоприятных внешних метеорологических условиях на отдельных участках тела она может понижаться до 20 градусов по Цельсию, а иногда и ниже.
Рекомендуемые санитарными нормами параметры микроклимата должны обеспечить в процессе терморегуляции такое соотношение физиологических и физико-химических процессов, при котором поддерживалось бы устойчивое тепловое состояние в течение длительного времени, без снижения работоспособности человека.
А. Влияние охлаждающего микроклимата определяется тем, что в ходе эволюционного развития человек не выработал устойчивого приспособления к холоду. Его биологические возможности в сохранении температурного гомеостаза (гомеостаз - стремление системы воспроизводить себя, восстанавливать утраченное равновесие, преодолевать сопротивление внешней среды) весьма ограничены. Охлаждающий микроклимат способствует возникновению сердечно-сосудистой патологии, приводит к обострению язвенной болезни, радикулита, обуславливает возникновение заболеваний органов дыхания. Охлаждение человека как общее, так и локальное (особенно кистей) способствует изменению его двигательной реакции, нарушает координацию и способность выполнения точных операций, вызывает тормозные процессы в коре головного мозга, что может быть причиной возникновения различных форм травматизма. При локальном охлаждении кистей снижается точность выполнения рабочих операций. Работоспособность уменьшается на 1,5% на каждый градус снижения температуры пальцев. При выраженном охлаждении организма растет число тромбоцитов и эритроцитов в крови, увеличивается содержание холестерина, вязкость крови, что повышает возможность тромбообразования. Даже при кратковременном влиянии холода в организме происходит перестройка регуляторных и гомеостатических систем, изменяется иммунный статус организма.
Влияние хронического охлаждения усугубляется воздействием локальной вибрации, поскольку она вызывает сужение сосудов в соседних к месту ее приложения областях. Переносимость человеком охлаждения несколько увеличивается при адаптации к холодовому фактору, но для обеспечения температурного гомеостаза существенного значения не имеет.
Б. Влияние нагревающего микроклимата связано с напряжением различных функциональных систем организма человека, что приводит к нарушению состояния здоровья, работоспособности и производительности труда. При определенном значении составляющих нагревающий микроклимат может привести к заболеванию общего характера, которое проявляется чаще всего в виде теплового коллапса. Особенно подвержены тепловым ударам лица, имеющие массу тела выше нормы. Среди рабочих, труд которых связан со значительной тепловой и физической нагрузкой, наблюдается интенсивное биологическое старение, особенно в возрастных группах 20 - 30 и 40 - 50 лет. Наблюдаются головные боли, повышенная потливость и утомляемость, увеличивается риск смерти от сердечно-сосудистой патологии (гипертоническая и ишемическая болезни, болезни артерий и капилляров).
До этого мы говорили о негативных, дискомфортных условиях для организма, которые могут возникнуть от влияния микроклимата находящегося в нём человека. Далее поговорим о комфортных условиях и чем они обеспечиваются.
Комфортные условия для организма человека обеспечиваются при соблюдении теплового баланса. Что такое «тепловой баланс»? Тепловой баланс любого тела определяется соотношением между теплом, которое оно получает, и теплом, которое оно отдает. Поговорим об этом более подробно…
Зона температурного комфорта человека зависит от характера внешней среды, определяемого ее видом, температурой, влажностью (если этой средой является воздух), скоростью движения, наличием предметов с иной температурой по сравнению с температурой тела. В определенных условиях развивается состояние температурного комфорта, при этом активность механизмов терморегуляции оказывается минимальной. Зона комфорта (термонейтральная зона) при влажности воздуха около 50 % и равенстве температур воздуха и стен помещения для легко одетого человека, находящегося в положении сидя, соответствует температуре 25-26°С. Для обнаженного человека температура комфорта в этих условиях смещается к 28 °С.
Температура поверхностного слоя тела толщиной 2,5 см, называемого «оболочкой» тела, варьирует в разных областях тела при разной температуре окружающей среды. При комфортной окружающей температуре средняя температура кожи обнаженного человека составляет 33-34°С. При этом температура кожи стопы значительно ниже температуры проксимальных участков нижних конечностей и в еще большей степени - туловища и головы. Температура кожи в области стопы в комфортных условиях может быть равна 24-28°С, а при изменениях внешней температуры - 13-43 °С, что определяется двумя факторами - температурой внешней среды и кровоснабжением кожи стопы.
Температура тела определяется соотношением двух процессов - теплопродукции и теплоотдачи. Когда они не соответствуют друг другу и возникает угроза изменений температуры тела, процессы регуляции в составе функциональной системы терморегуляции адаптивно меняют теплопродукцию (химическая терморегуляция) и теплоотдачу (физическая терморегуляция). Тем самым обеспечивается относительная стабильность температурной константы внутренней среды организма, что было названо К.Бернаром основой «свободной, независимой жизни». В самом деле, температура тела обнаженного человека может оставаться стабильной в течение нескольких минут при изменениях температуры окружающей среды в пределах 21-53 °С.
Уравнение теплового баланса для организма человека за определенный период времени может быть представлено в следующем виде:
M +S ± R ± C ± P - E = 0,
где M - тепло процессов метаболизма (т.е. обмена веществ в клетке), полученное из химических субстратов пищи, подвергшихся расщеплению в клетках; S - накопленное организмом тепло; R, C, P - тепло отданное (со знаком -) или полученное (со знаком +) путем (R) - излучения, (C) - конвекции, (P) - теплопередачи; E - тепло, отданное за счет испарения.
Если тепловой баланс не будет поддерживаться, то дополнительное тепло, полученное различными путями, приведет к повышению температуры тела, а недостаток тепловой энергии - к его охлаждению. В обоих случаях создаются неблагоприятные условия для функционирования клеток организма, которые при превышении определенных температурных границ внутри тела начинают погибать.
Итак, тепловой баланс любого тела определяется соотношением между теплом, которое оно получает, и теплом, которое оно отдает.
Величина тепловыделения организмом человека зависит от степени физического напряжения и составляет от 75 ккал/ч в состоянии покоя до 430 ккал/ч при тяжелой работе. Для комфортных условий работы необходимо, чтобы тепловыделение организма равнялось его теплоотдаче, при этом температура внутренних органов человека остается постоянной (около 36,6°С).
Какие мероприятия и бытовые электроприборы помогут создать благоприятный микроклимат?
Как уже было сказано микроклимат – это комплекс заданных метеорологических условий в помещении: температура, влажность, движение воздуха, атмосферное давление и др.
Рекомендуемая температура в помещении должна быть в пределах 18 - 24°С, относительная влажность воздуха – 30-60 %.
В любое время года рекомендуется систематически проветривать помещение. Иначе у человека может появиться вялость, сонливость, снизиться работоспособность. Например, если зимой периодически открывать форточку или фрамугу на 10-15 минут, то можно полностью освежить воздух в комнате. Для проветривания внутри жилых домов служит вытяжная вентиляция: следует помнить, что вентиляционные решётки необходимо регулярно очищать от пыли, их нельзя заклеивать обоями.
Создать комфортный микроклимат помогают современные бытовые климатические приборы: вентиляторы, вытяжки для кухни, воздухоочистители, увлажнители, осушители воздуха и кондиционеры. Кондиционеры могут создавать и автоматически поддерживать в помещениях заданные параметры микроклимата, наиболее благоприятные для самочувствия людей. Кондиционеры могут нагревать, охлаждать, осушать или увлажнять воздух, очищать его от пыли, вредных запахов и газов.
Мебель для обстановки в помещении желательно должна быть изготовлена из экологически чистых материалов: натуральной древесины, ротанга (вид пальмы), соломы, из стекла и металлов (стиль хайтек). В настоящее время широко применяются элементы мебели и интерьера, выполненные из клеёной фанеры (МДФ), изготовленной из отходов деревообрабатывающего производства без использования токсичных связующих.
Таким образом, тепловое самочувствие человека, или тепловой баланс в системе «человек – среда обитания» зависит от температуры среды, подвижности и относительной влажности воздуха, атмосферного давления, температуры окружающих предметов и интенсивности физической нагрузки.