Теплопроводность тканей организма сообщение

Обновлено: 04.05.2024

Теплопроводность — перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия микрочастиц. Она приводит к выравниванию температуры тела или соприкасающихся тел. Благодаря явлению теплопроводности при теплолечении и происходит передача тепла от нагретых лечебных сред к тканям организма. Теплопроводность характеризует плотность теплового потока при изменении температуры вещества (теплоносителя) на 1 °С. Плотность теплового потока, представляющая собой количество теплоты, прошедшее через некоторую поверхность теплоносителя за фиксированный интервал времени, зависит как от температуры теплоносителя, так и от его природы. Теплопроводность выражают в Вт • м-1 • °C-1. Применяемые для теплолечения среды должны обладать низкой теплопроводностью, что позволяет им медленно передавать тепло тканям организма и не вызывать их ожога даже при сравнительно высоких температурах теплоносителя. Наиболее известные теплолечебные среды имеют следующие значения теплопроводности (Вт • м-1 • °C-1): вода — 0,62, воздух — 0,025, парафин — 0,26, озокерит — 0,17, грязь иловая 0,88, торф — 0,46, сапропели — 0,47, глина — 0,76. Чем ниже теплопроводность, тем медленнее тепло от теплоносителя передается организму и тем при большей температуре теплоносителя может проводиться теплолечение.
Теплопроводность тканей характеризует величину теплового потока через них при изменении температуры на единичном расстоянии на 1 °С. Теплопроводность отдельных тканей организма имеет следующие величины (Вт/м-1 • °С-1): мозг — 0,565, миокард 0,811, кровь — 0,6-0,7, кожа — 0,31-1,5, мягкие ткани — 0,44.

интенсивностью путем непосредственного взаимодействия частиц.

Постепенно в процессе взаимодействия теплота распространяется по всему

рассматриваемому телу или системе тел. При нагревании тел часто

используется процесс теплопроводности. Большей частью при этом на тело

воздействуют нагретой средой — раскаленными продуктами сгорания. При

постепенном распространении тепла в теле устанавливается некоторая

Количество теплоты q, передаваемое путем теплопроводности в еди-

ницу времени между двумя равными и параллельными сечениями (или

поверхностями) тела, зависит от его природы, прямо пропорционально

площади Sи разности температур и этих сечений и обратно пропор-

ционально расстоянию lмежду ними:

где - коэффициент теплопроводности, характеристика вещества, из

которого состоит тело. Коэффициентом теплопроводности называют количество теплоты, которое проходит в течение единицы времени через единичную площадку, выделенную в слое вещества единичной толщины при разности температур в1°С. Коэффициент теплопроводности измеряется в ,внесистемная единица измерения -

Теплопроводность различных веществ отличается в весьма широких

пределах. Высокой теплопроводностью обладают металлы, что обусловлено

наличием в них свободных электронов. Последние, благодаря возможности

свободного движения между ионами, значительно ускоряют процесс

распространения теплового движения по всему металлу. Коэффициенты

теплопроводности некоторых веществ приведены в таблице 20

Коэффициент теплопроводности влажных материалов значительно

повышается, приближаясь к соответствующему значению для воды.

Теплопроводность тканей организма различна. Это имеет значение как

для распределения между ними тепла, так и для теплообмена организма с окружающей средой. Основное различие имеется между жидкими тканями(тканевая жидкость, плазма крови и т. п.) и плотными (соединительная ,жировая ткань и т. п.). Теплопроводность жидких тканей близка к теплопроводности воды, теплопроводность плотных — к теплопроводности воздуха. Отношение теплопроводности некоторых тканей организма к теплопроводности воздуха указано в Табл. 20. Благодаря относительно высокой теплопроводности тканевой жидкости и непрерывной циркуляции крови и лимфы по всему организму температура отдельных тканей и органов уравнивается, остается только известная разность температуры между поверхностью кожи и глубоко лежащими тканями. Кожа и под кожножировая

клетчатка служат хорошим теплоизолирующим слоем. Этим

предупреждается значительная потеря тепла в окружающую среду.

Температура поверхности кожи (29—30°) несколько ниже температуры вглубине организма. Большое значение для сохранения тепла и

теплорегуляции организма имеет слой внешней среды, примыкающий

непосредственно к коже, в котором и происходит главный теплообмен с

окружающей средой. У большинства животных этим слоем является

волосяной покров (мех или перья), у человека — одежда.

Теплоизолирующие свойства волосяного покрова или одежды связаны

с воздушной прослойкой, которая содержится в них. Из таблицы 5.2 видно, что по сравнению с другими веществами, воздух имеет наименьшую теплопроводность, чем и обусловливаются его теплоизолирующие свойства. Необходимым условием при этом является также неподвижность и сухость воздуха. Как циркуляция (конвекция), так и влажность воздуха значительно нарушают его теплоизолирующие свойства.

Тепловой баланс организма.

В технических энергетических системах, как, например, тепловых машинах, энергия получается за счет сгорания, т. е. окисления различных содержащих углерод веществ (древесина, каменный уголь, нефть). При горении освобождается часть потенциальной энергии связей между атомами, образующими сложную молекулу горючего вещества. Окисляясь, это вещество превращается в ряд более простых соединений, для которых потенциальная энергия связи между атомами в молекуле значительно меньше, чем в сложном исходном веществе. Освобождающаяся энергия вызывает повышение интенсивности молекулярного движения частиц конечных продуктов реакции (при полном сгорании — углекислый газ и водяной пар). Эту энергию можно затем превратить в механическую энергию, в энергию электрического тока и т. д. Таким образом, в конечном итоге все эти энергетические системы работают за счет внутренней энергии сжигаемого топлива. Способность вещества выделять при сгорании теплоту называется его теплотворной способностью топлива или теплотворностью. Теплотворность характеризуется количеством теплоты, выделяющимся при полном сгорании единицы массы вещества. Теплотворность некоторых видовтоплива приведена в Табл. 22

Организм животных и человека является также энергетической си-стемой, в которой вырабатываются различные виды энергии за счет окисления пищевых продуктов. В организме также происходит преобразование внутренней энергии принятых в виде пищи веществ в другие виды энергии,например в механическую, во внутреннюю энергию теплового движения частиц организма. Механическая энергия расходуется на всевозможные виды движения организма и совершаемую им работу, теплота необходима для поддержания нормальной жизнедеятельности организма и на покрытие непрерывной теплоотдачи в окружающую среду. Энергетический баланс живого организма составляется на основании первого начала

термодинамики. Для составления баланса надо измерить энергию, которую организм получает при усвоении пищи, теплоту, которую он теряет в окружающую среду, и механическую работу, которую он совершает. Все это учитывается за какой-то определенный период времени, обычно за сутки. Пища, которая вводится в организм, покрывает его различные нужды. Часть веществ идет на замену износившихся тканей, часть веществ, особенно у молодых организмов, затрачивается на рост, часть может откладываться ввиде известных запасов (например, гликоген в печени, жир в под кожной клетчатке) и т. п. Накопление жира является уже изменением (в рассматриваемом случае — приращением) внутренней энергии организма, которую при неблагоприятных условиях он может затем израсходовать. Однако в зрелом возрасте и при нормальной жизнедеятельности организ маможно считать, что усваиваемая пища идет только на покрытие текущих энергетических расходов, т. е. расходов на теплоотдачу и на совершаемую организмом работу. В этих условиях изменения внутренней энергии организма не происходит. Живые организмы потребляют пищу с известной периодичностью. Поэтому в определенные периоды времени энергетический баланс организма несколько колеблется. Энергетическое равновесие организма представляет собой динамическое равновесие. В периоды, когда количество энергии, выделяющееся из пищи, превышает энергетические расходы, в организме может образовываться временный избыток энергии, вызывающий некоторое повышение температуры организма. Это можно сравнить с приращением внутренней энергии термодинамической системы. Затем, однако, равновесие постепенно восстанавливается. В целом можно считать, что за достаточно длительный период изменения внутренней энергии в организме не происходит (ΔЕ = 0). Поэтому применительно к установившемуся энергетическому (тепловому) равновесию организма первое начало термодинамики может быть сформулировано следующим образом: количество энергии, освобождающееся в организме при усвоении пищи, расходуется во внешнюю среду путем теплоотдачи, а также затрачивается на совершаемую организмом механическую работу. Если обозначить через Е энергию, освобожденную в организме при усвоении пищи за определенный промежуток времени, через (Q—количество тепла, отданное организмом за это же время во внешнюю среду, и через А —

работу, совершенную организмом в течение рассматриваемого периода, то Е = Q + A. Экспериментальная проверка уравнения теплового баланса организма или, иначе говоря, доказательство применимости к живому организму первого начала термодинамики, требует точного измерения как энергии, поступающей в организм при усвоении пищи, так и энергии, отдаваемой во внешнюю среду путем теплоотдачи или затрачиваемой при совершении механической работы. По результатам эксперимента теплотворность составных частей пищи, определенная каллориметрически, в среднем составила: для углеводов 4000 ккал/кг; для жиров 9000 ккал/кг и для белков4100 ккал/кг (белки при полном сгорании дают 5400 ккал/кг, но в организме они окисляются не полностью). Непосредственное измерение теплоотдачи организма в окружающую среду также определяли с помощью калориметра. Однако создание калориметров для живых организмов является непростой задачей. Сначала были созданы калориметры для животных, а затем и для человека.

Терморегуляция

Совокупность процессов, обеспечивающих постоянную температуру тела у теплокровных животных и человека, называется терморегуляцией. Терморегуляцию принято разделять на химическую и физическую .Терморегуляция обеспечивается целым рядом физиологических механизмов, регулирующих, с одной стороны, производство тепла(теплопродукцию) внутри организма, с другой — теплоотдачу в окружающую среду. Химическая терморегуляция осуществляется путем изменения уровня теплопродукции, т. е. усиления или ослабления интенсивности обмена веществ в клетках организма. В настоящем разделе подробнее остановимся на физической терморегуляции.В нормальных условиях в организме не должно происходить ни накопления теплоты, ни ее избыточного расходования, которое может вызвать чрезмерное охлаждение организма. Терморегуляция может осуществляться путем изменения, как теплопродукции, так и теплоотдачи. Регуляция теплопродукции в организме происходит в относительно небольших пределах, главным образом в сторону ее повышения при низких окружающих температурах за счет усиления окислительных процессов, преимущественно в мышцах. Основная терморегуляция происходит за счет изменения теплоотдачи, которое является более тонким и действующим в более широких пределах терморегуляционным механизмом. Физическая терморегуляция состоит в основном в изменении температуры поверхности кожи (путем изменения ее кровоснабжения), а также в изменении интенсивности потоотделения. При этом соответственно изменяется и теплоотдача в окружающую среду. Изменение температуры поверхности кожи и интенсивности потоотделения достигается в организме с помощью физиологического механизма терморегуляции через посредство нервной системы: при понижении внешней температуры сосуды кожи суживаются и потоотделение уменьшается, соответственно снижается и теплоотдача. При повышении внешней температуры сосуды кожи расширяются и потоотделение усиливается, соответственно увеличивается теплоотдача

Список литературы

1. Савельев И. В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3 т. –

Во многих медико-реабилитационных мероприятиях необходимо учитывать теплообмен человека и среды. Организм человека поддерживает постоянную температуру тела, которая отличается от температуры внешней среды. Вследствие этого между телом человека и окружающей средой возникает теплообмен.

Задача организма состоит в обеспечении равенства между теплотой, выделяющейся в организме (Q_выд) и теплотой, отдаваемой в окружающую среду (Q_отд)- Если по каким либо причинам поддержка баланса между выделяемой и отдаваемой теплотами становится невозможной, организм погибает от переохлаждения или от перегрева. Выделение теплоты в организме происходит за счет энергии метаболических процессов и характеризуется удельной теплопродукцией – количеством теплоты, выделяемой единицей массы тела за 1 с. Передача теплоты в окружающую среду осуществляется за счет процессов теплообмена, указанных ниже.

Тепловое воздействие на организм человека могут оказывать внешняя среда и процессы, протекающие в самом организме.

Теплообменза счет теплопроводности.Теплопроводность – процесс передачи теплоты от более нагретых частей системы к менее нагретым, происходящий без переноса массы вещества и без излучения электромагнитных волн. Теплопроводность обусловлена тем, что частицы вещества, обладающие большей кинетической энергией, передают ее менее быстрым частицам. Передача теплоты путем теплопроводности может происходить между любыми телами при непосредственном контакте или через промежуточную среду (кроме вакуума).

Передачу теплоты путем теплопроводности в однородной среде описывают законом Фурье:

Тепловой поток (Р), переносимый через поверхность S, перпендикулярно направлению оси X, вдоль которой убывает температура, пропорционален площади этой поверхности и градиенту температуры: P_K = .

При расчете по этой формуле теплообмена между телом и окружающей средой, осуществляемого посредством теплопроводности через одежду, величины, входящие в формулу имеют следующий смысл:

S – площадь поверхности одежды (м 2 );

a – коэффициент теплопроводности материала одежды.

Знак минус указывает на то, что энергия переносится в направлении убывания температуры.

Значения коэффициента теплопроводности для некоторых веществ приведены в таблице.

Вещество	Коэффициент теплопроводности a, Вт/м 2 К
Сухой воздух	0,024
Ткань шерстяная сухая	0,025
Вода	0,585
Жировая клетчатка	0,17-0,21
Эпидермис человека	0,25
Мышечная ткань	0,58
Кость черепа	0,38
Серое вещество мозга	0,56
Ангиома (сосудистая опухоль)	0,56
Кровь	0,70
Кожа при слабом кровотоке	0,314
Кожа при сильном кровотоке	1,456
Снег свежевыпавший уплотненный тающий	0,105 0,35 0,640
Глицерин	0,286
Парафин	0,127
Спирт метиловый этиловый	0,223 0,189
Бумага	0,006
Вата хлопковая	0,003
Лед(-5°С)	0,22

Отметим, что коэффициент теплопроводности воздуха сравнительно мал, поэтому потери тепла тела за счет теплопроводности воздуха невелики. Коэффициент теплопроводности воды превышает коэффициент теплопроводности воздуха более чем в 20 раз, поэтому в холодной воде человек начинает мерзнуть довольно быстро.

В живом организме ткани имеют различные теплопроводности, и это различие весьма существенно для поддержания теплового режима организма. Значительная теплопроводность мышечной ткани, в которой находится много кровеносных сосудов, позволяет быстро переносить тепло от внутренних органов к внешним, предохраняя внутренние органы от перегрева. Напротив, при низких температурах внешней среды слой жировой ткани препятствует быстрой утечке тепла. Аналогичную роль играет волосяной покров и слой воздуха между волосами.

Теплообмен за счет конвекции. В тех случаях, когда в теплообмене участвуют жидкости или газы, обычно возникают явления конвекции: одновременно с потоком тепла возникают потоки вещества – более нагретые слои всплывают кверху, а менее нагретые опускаются. Такое перемешивание в громадной степени ускоряет процесс теплообмена. В случае, когда твердое тело находится в обтекающем его потоке жидкости или газа, теплообмен также носит конвекционный характер и происходит значительно быстрее, чем в покоящейся среде. Поэтому даже небольшой ветер (сквозняк) приводит к увеличению потерь тепла с поверхности тела.

Теплообмен посредством конвекции описывается законом Ньютона , где S – площадь поверхности тела; Т_п и Т_в– соответственно, температуры поверхности тела (внешней стороны одежды) и воздуха; a_c – коэффициент теплопередачи конвекцией.

Для открытых участков конвекционные процессы значительно интенсивнее теплопередачи путем теплопроводности и в воздухе играют основную роль. Напротив, для участков тела, укрытых одеждой, конвекционные процессы могут быть сведены к нулю. Например, температура верхней поверхности зимней одежды обычно равна температуре окружающего воздуха и Р_с = 0.

Тепловой удар. Теплопередача путем теплопроводности и конвекции происходит в направлении уменьшения температуры. Если температура окружающей среды выше температуры тела, то теплопроводность и конвекция создают тепловой поток, направленный внутрь тела, что при определенной длительности приводит к перегреву (тепловой удар). Живой организм не в состоянии функционировать без отдачи тепла наружу.

Теплообмен за счет испарения. Еще один механизм, посредством которого организм отдает теплоту в окружающую среду, связан с испарением жидкости. Количество теплоты, расходуемой на парообразование, определяется формулой Q = rт,

где т – масса испарившейся жидкости, r – удельная теплота парообразования.

Потоотделение зависит как от температуры внешней среды, так и от ее относительной влажности, так как она в значительной мере обусловливает скорость испарения влаги с поверхности организма. Нормальная относительная влажность среды составляет 40-60%. При высокой влажности процесс испарения с поверхности тела замедляется, а при 100% прекращается полностью. При высокой температуре окружающей среды это ведет к перегреву организма. По этой причине человеку трудно выполнять физическую работу при повышенной влажности. Влажность менее 40% приводит к усилению потери влаги организмом, к его обезвоживанию. Это также затрудняет выполнение работы.

Для протекания некоторых процессов важна не относительная, а абсолютная влажность. Так, испарение воды с поверхности альвеол в легких зависит от абсолютной влажности воздуха, так как из легких выдыхается воздух почти полностью насыщенный паром при температуре примерно 30°С. Количество пара, которым воздух насыщается в легких, очевидно, зависит от абсолютной влажности вдыхаемого воздуха.

Особенности теплового излучения человека. Доля теплового излучения в теплообмене человека с окружающей средой достигает 45%. Инфракрасное излучение различных участков поверхности тела определяется тремя факторами:

1) особенностями васкуляризации (плотности снабжения органов и тканей ссудами) поверхностей тканей;

2) уровнем метаболических процессов (обмена веществ) в них;

3) различиями в теплопроводности (связанными с развитием жировой клетчатки).

При соблюдении стандартных условий регистрируемая топография излучения характерна для данного человека. Изменения топографии излучения могут наблюдаться в следующих случаях.

Нарушения	Механизм нарушения
Нарушение структурных соотношений сосудистой сети	Врожденные аномалии, сосудистые опухоли (например, различные гемангиомы)
Изменения тонуса сосудов	Нарушение вегетативной иннервации, рефлекторное изменение тонуса
Местные расстройства кровообращения	Травмы, тромбоз, склероз сосудов
Нарушение венозного кровотока	Застой, обратный ток крови при недостаточности клапанов вен
Локальные изменения теплопродукции	Воспалительные очаги, опухоли, ревматические артриты
Изменения теплопроводности тканей	Отек, уплотнение тканей, изменение содержания жира

Вследствие сильной температурной зависимости мощности излучения (четвертая степень термодинамической температуры) даже небольшое повышение температуры поверхности может вызвать сильное изменение излучаемой мощности. Так, если, температура поверхности тела человека изменится на 3 К, то есть приблизительно на 1 %, то мощность изменится на 4%. Такое изменение надежно фиксируется соответствующими приборами (тепловизорами, датчиками на жидких кристаллах и т. п.). У здоровых людей распределение температуры по различным точкам поверхности тела достаточно характерно. Различные процессы (воспаление; изменение кровообращения в венах, например, при охлаждении или нагревании; опухоль) могут изменять местную температуру. Таким образом, регистрация излучения разных участков поверхности тела человека и определение их температуры является надежным неинвазивным диагностическим методом.

Воздействие низких температур. Холод – лечебное средство. Под воздействием холода (лед, снег) происходит спазм мелких сосудов, понижается нервная возбудимость, замедляется кровоток, снижается проницаемость мелких сосудов, предотвращается возникновение отеков. Криокомпресс, (гр. kryos – холод, мороз, лед) уменьшает боль при ушибах мягких тканей, суставов, растяжениях связок и других травм. С лечебной целью на кожу воздействуют процедурой криомассажа, которая осуществляется с использованием жидкого азота. Воздействие на кожу осуществляется при этом с помощью заполненного жидким азотом криодеструктора, на котором имеется тефлоновая насадка с температурой (–50 – –60)°С. Для криогенных методов создают специальную криогенную аппаратуру.

Защита от тепловых воздействий. Важным вопросом, связанным с работой человека в экстремальных температурных условиях, является организация защиты организма от тепловых воздействий. Защита от воздействия высоких температур – сложная задача, требующая комплексного решения. Кроме теплоизоляционных материалов для такой защиты используются металлизированные пленки, хорошо отражающие тепловое излучение, а в ряде случаев и специальный обдув тела охлажденным воздухом. Эффективность использования металлизированных покрытий (например, мелинекса) демонстрирует следующий пример. Испытуемые выполняли работу в помещении с t = 50°С. При этом интенсивность облучения составляла 1487 Вт/м 2 . У одетых в хлопчатобумажный комбинезон температура тела повышалась в среднем до 39°С, а при использовании одежды с покрытием из мелинекса – до 38°С. При этом применение одежды с покрытием увеличивало время переносимости данных условий на 50-70 %.

Для защиты от радиационного нагрева космонавтов, выходивших на поверхность Луны, применялся специальный комбинезон, надеваемый на скафандр. Он состоял из нескольких слоев ткани с блестящей металлической поверхностью (до 14 слоев). Внутри скафандра располагались трубки, по которым циркулировала охлаждающая жидкость. При разработки конструкции скафандра пришлось учитывать, что теплопродукция различных, частей организма неодинакова. Поэтому охлаждающие трубки в защитном костюме располагают так, чтобы 50% их приходилось на ноги, 23 % – на руки, 19 % – на туловище, 8 % – на голову и шею.

Одежда, предназначенная для защиты от низких температур окружающей среды, должна обеспечивать адекватную вентиляцию, чтобы под одеждой не конденсировалась влага, создавать изолирующую прослойку неподвижного воздуха вокруг тела. Теплоизоляционные свойства одежды снижаются при ветре и при движении. Для защиты от переохлаждения применяют, в частности, одежду с локальным подогревом (на спине, пояснице, стопах, предплечье, шее, лице) до 46-51°С и суммарной мощностью энергопитания 100 Вт. Электрообогреваемая одежда должна не нагревать поверхность тела человека, а лишь способствовать уменьшению теплопотерь и поддерживать нормальную температуру тела независимо от изменений температуры и скорости движения окружающего воздуха, а также интенсивности физической работы. Используют и комбинезоны с водяным подогревом, в которых по системе трубок движется нагретая жидкость, как в отдельных элементах защитного костюма космонавта.

Светолечение. Широкое лечебно-реабилитационное применение имеет светолечение – использование инфракрасного и видимого излучения в лечебных целях.

Источником инфракрасного излучения является любое нагретое тело. Интенсивность и спектральный состав такого излучения определяется температурой нагретого тела. Проникая в ткани, инфракрасные лучи (как и видимые) на месте своего поглощения вызывают образование тепла. Различные слои кожи неодинаково поглощают оптическое излучение разной длины волны (см. рис ).

В реабилитационно-лечебной практике в качестве искусственных источников инфракрасного излучения используются различные облучатели, рис. 30.7.

Лампа Минина представляет собой обычную лампу накаливания (в которой также сочетаются видимое и инфракрасное излучение) с рефлектором, локализующим излучение в необходимом направлении (рис. а). Источником излучения служат лампа накаливания мощностью 20-60 Вт из бесцветного или синего стекла.

Светотепловые ванны представляет собой непроводящий полуцилиндрический каркас, состоящий из двух половин, соединенных подвижно между собой (рис. 6). На внутренней поверхности каркаса, обращенной к пациенту, укреплены лампы накаливания мощностью 40 Вт (количество их и включение различно). В таких ваннах на биологический объект действует инфракрасное и видимое излучение, а также нагретый воздух, температура которого может достигать 70°С.

Лампа Соллюкс представляет собой мощную лампу накаливания в которой сочетаются видимое и инфракрасное излучение), помещенную в специальный рефлектор на штативе (рис. в). Источником излучения служит лампа накаливания мощностью более 500 Вт (температура вольфрамовой нити 2800°С, максимум излучения приходится на 2 мкм).

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?

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.

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.

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.

Читайте также: