Основи охорони праці - Березуцький В.В. - 3.2.2. Енергетичні витрати і терморегуляція організму людини

3.2.1. Характеристика основних показників метеорологічних умов

Життєдіяльність людини завжди протікає у певних метеорологічних умовах, що визначаються поєднанням температури повітря, швидкості його руху і відносної вологості, барометричним тиском та інтенсивністю теплового випромінювання. Ці показники в сукупності (за винятком барометричного тиску) характеризують метеорологічні умови середовища (мікроклімат) виробничого приміщення. Якщо робота виконується на відкритих майданчиках, то метеорологічні умови визначаються кліматичним поясом і сезоном року. Проте і в цьому випадку в робочій зоні створюється певний мікроклімат.

Коротко охарактеризуймо основні параметри метеорологічних умов (мікроклімату).

Температура (t,°С) є одним з основних параметрів повітря, що характеризує його тепловий стан (ступінь нагрітості), тобто кінетичну енергію молекулярних рухів повітря.

Вологовміст повітря у виробничому приміщенні оцінюється відносною вологістю (ф,%), тобто відношенням абсолютної вологості до максимально можливої при цій температурі.

Швидкість (рухливість) повітря (V, м/с) оцінюється вектором усередненої швидкості переміщення повітряних потоків (струменів) під дією різних сил, що їх викликають.

Під атмосферним тиском (Р, мм рт. ст.) розуміють модуль величини, яка характеризує інтенсивність сил, зумовлених масою вищого стовпа повітря на одиницю поверхні. Нормальним прийнято вважати тиск, що дорівнює 1013,25 ГПа (760 мм рт. ст.). Для перерахування в гектопаскалі тиску, вираженого в мм рт. ст., користуються таким співвідношенням: Р, ГПа = 4/ЗР, мм рт. ст. Інші фактори мікроклімату: тиск повітря, концентрація кисню в повітрі, ступінь іонізації повітря, а також температура навколишніх поверхонь — будуть розглянуті далі у відповідних підрозділах.

3.2.2. Енергетичні витрати і терморегуляція організму людини

На життєдіяльність працівника значно впливає газовий склад повітря. Повітряне середовище, у якому живе і працює людина — це природна багатофазова суміш, із якої складається атмосфера (на рівні землі). Основними компонентами сухого повітря (%, за об'ємом) є: азот - 78,084; кисень - 20,9476; аргон - 0,934; вуглекислий газ - 0,0314, інші гази й домішки - 0,003. Водяна пара становить у середньому від 0,2 до 2,6%. Повітря такого складу є найбільш сприятливим для дихання.

Окрім хімічного складу, важливо також, щоб повітря мало певний іонний склад. У повітрі містяться негативні й позитивні іони. "Свіжість" (ступінь іонізації) повітря визначається кількістю і видом іонів. Трапляються так звані дрібні та великі іони.

Дрібні іони - це групи молекул, які зібралися навколо зарядженого центра і зберігають певну відстань від нього.

Великі іони групуються навколо нуклеїнів (нуклеїн - спільна назва для протона і нейтрона). Іони виділяються в ґрунті з радіоактивних елементів під впливом сонячних і космічних променів.

Підвищена концентрація дрібних іонів спостерігається у "свіжому" повітрі. Концентрація дрібних іонів зменшується вночі, взимку, в хмарну погоду й у багатолюдних приміщеннях.

Для збереження сприятливої концентрації дрібних іонів у повітрі приміщень на рівні зовнішнього повітря потрібен шестиразовий обмін повітря в порівнянні з повітрообміном для видалення "поганих запахів".

Дрібні негативні іони (іони кисню повітря) сприяють розумовій роботі. Дрібні позитивні іони підсилюють обмін речовин в організмі, але зменшують продуктивність розумової роботи, викликають головний біль і дратують слизові оболонки носа.

Виникнення дрібних позитивних іонів викликають гарячі опалювальні радіатори і відкриті спіралі електричних опалювальних приладів. Великі іони фізіологічного впливу не роблять. Повітря робочої зони рідко має наведений вище склад, оскільки в результаті різних виробничих процесів у повітря виділяються пари, гази, тверді та рідкі частки всяких, у тому числі й шкідливих, речовин. Однак метеорологічні умови для повітря робочої зони залишаються такими ж, що і для "свіжого" ("чистого") повітря.

Метеоумови виробничого середовища значно впливають на протікання життєвих процесів в організмі людини і є важливою характеристикою санітарно-гігієнічних умов праці.

У процесі життєдіяльності людина постійно споживає кисень 02, а виділяє вуглекислий газ С02 і значну кількість тепла. Людський організм - це своєрідна термостатична система з внутрішнім джерелом тепла, а одяг - тепловий бар'єр між організмом людини і зовнішнім середовищем.

Енергетичний баланс людини має розглядатися як з урахуванням процесів, що відбуваються всередині організму, так і з урахуванням теплообміну між тілом й оточуючим середовищем.

Джерелом тепла в організмі е екзотермічні хімічні реакції, пов'язані з хімічними перетвореннями харчових речовин та обмінними процесами (реакції обміну з киснем повітря).

Кількість тепла, що виділяється організмом, залежить також від кількості споживаного кисню, яка, у свою чергу, визначається фізичною активністю людини. Людина, що спокійно сидить, споживає 0,2-0,25 л кисню на хвилину; виконуючи роботу середньої важкості - 0,5-1 л; при важкій фізичній роботі - до 2,5 л кисню на хвилину. Робота особливої фізичної інтенсивності вимагає ще більше кисню. У середньому людина споживає на добу понад 500 л кисню, пропускаючи через легені більше 10 тис. л (-12 кг) повітря (на рік більше 1 т повітря) порівняно з 1,5—2 кг води і їжі на добу. Теплова енергія, що виділяється при цьому, використовується організмом для підтримки внутрішньої температури тіла і виконання фізичної та розумової роботи. Крім того, слід мати на увазі, що необхідною умовою життєдіяльності людини в будь-якій обстановці (виробничій чи побутовій) є збереження внутрішньої температури тіла сталою і такою, що дорівнює 36,65*0 (±0,55°С). Сталість температури тіла (аксилярна температура (температура тіла) вимірюється в пахвовій западині) зумовлюється терморегуляцією організму, завдяки якій він пристосовується до зовнішніх умов.

Терморегуляція - це здатність людського організму підтримувати сталу температуру тіла людини при зміні параметрів мікроклімату і ступеня фізичного напруження організму.

Підтримання температури тіла людини на певному рівні (36-37вС) є складною функцією, що забезпечується місцевою дією хімічної і фізичної терморегуляції, тобто систем, які регулюють обмін речовин і теплотворення (посилення обміну речовин супроводжується зростанням утворення теплоти в організмі), з одного боку, і кровопостачання шкіри, потовиділення і дихання - з іншого.

В організмі людини сталість температури підтримують тільки "ядра" тіла (внутрішніх органів). Температура на поверхні тіла завжди тією чи іншою мірою залежить від коливань температури навколишнього середовища і становить на поверхні тіла 23-24°С, а за сприятливих умов - 32-34"С. Тому в тілі людини існує надзвичайно складне просторове температурне поле, що змінюється в часі.

Розмір "теплозахисної оболонки" внутрішніх тканин та органів у людини відповідає 20-50% (за вагою) тканин, розташованих у поверхневому шарі тіла, який має товщину 2,5 см. При сильному охолодженні розмір "оболонки" збільшується, підвищуючи тим самим теплоізоляцію організму.

Організм людини перебуває в процесі теплової взаємодії з навколишнім середовищем. Нормальне протікання фізіологічних процесів в організмі можливе лише тоді, коли виділюване організмом тепло безупинно виділяється в навколишнє середовище, а середовище здатне його цілком сприйняти. У цих умовах у людини не виникає теплових відчуттів, що її турбують — холод чи перегрівання.

Величина тепловиділення організмом людини залежить від таких факторів:

• фізичного чи розумового навантаження людини у певних метеоумовах, у стані легкої фізичної роботи — становить до 139 Вт і в стані важкої фізичної роботи - до 290 Вт;

• параметрів мікроклімату навколишнього середовища: t,°С; ф,%; V, м/с; Р, Па (мм рт. ст.).

Позначимо кількість тепла, що виробляється в організмі, через Qм - так зване метаболічне тепло (метаболізм від грецького metabole — зміна, обмін речовин в організмі). Частина цього тепла витрачається на здійснення механічної роботи Qекв (дихання, серцева діяльність, рухи людини, а також виконання зовнішньої фізичної роботи), а частина залишається в організмі й підлягає виведенню в навколишнє середовище - Qвив, тобто

Віддача тепла організмом людини в навколишнє середовище регулюється механізмом терморегуляції з урахуванням мікроклімату та фізичного навантаження і відбувається тими самими шляхами, що і будь-якого нагрітого тіла - конвекцією, випромінюванням, випаровуванням.

1. За допомогою теплопровідності через контактні поверхні Qт і конвекцію з відкритих ділянок тіла людини і поверхні одягу Qк. Кількість тепла, що віддається за допомогою конвекції з поверхні тіла (шкіри) одягненої людини, може бути визначена за відомим законом охолодження Ньютона.

де Fк - площа поверхні тіла людини, м²; к - коефіцієнт тепловіддачі конвекцією, Вт/ м²; к = F (√V), к збільшується при збільшенні V; tод - середня температура відповідно поверхні тіла одягненої людини і навколишнього повітря, °С.

Проаналізувавши рівняння (3.2), дійдемо висновку, що конвективний теплообмін є функцією Fк, V, ∆t.

Терморегуляція при конвективному теплообміні здійснюється за рахунок різниці температур поверхні тіла, і при tод >> tп досягаються кращі умови теплообміну. Отже, теплообмін ефективний за умови

Зі зростанням температури повітря зменшується частка теплоти, що віддається конвекцією, а за температури 30-35,5°С тепловіддача припиняється. Тому в гарячих цехах конвективний теплообмін не є ефективним.

2. За допомогою випромінювання на навколишні поверхні Я (Вт). Кількість теплової енергії, передана шляхом випромінювання, визначається законом Стефана-Больцмана за формулою:

де Fвипр - ефективна випромінююча поверхня тіла людини, м²; є - випромінювальна здатність зовнішньої поверхні одягу; а - стала Стефана-Больцмана, а = 5,75 х 10-8 Вт/ м²*К4; Tод - середня температура поверхні тіла одягненої людини, К; Тоточ - температура оточуючих поверхонь, К.

Проаналізувавши рівняння (3.4), дійдемо висновку, що тепловіддача випромінюванням є функцією Fвипр, є, dT:

Теплообмін є ефективним при Тод >> Тоточ.

Випромінювання теплоти організмом відбувається за умови, що температура поверхонь, які оточують людину, є нижчою від температури поверхні одягу та відкритих частин тіла. Якщо ж температура оточуючих поверхонь висока (30-35°С), то тепловіддача за рахунок випромінювання припиняється, а за ще вищої температури оточуючих поверхонь відбувається зворотний процес нагрівання організму людини.

Інтенсивність теплообміну практично не залежить від властивостей навколишнього повітря (залежність становить менше 10% і зумовлюється кількістю водяної пари та кисню повітря).

3. За допомогою випаровування вологи (випаровування і потовиділення з поверхні шкіри) Qвипар. Тепло, що віддається організмом за рахунок випаровування вологи з поверхні тіла, залежить від температури, відносної вологості та швидкості руху повітря:

Випаровування є ефективним, якщо фв < 100%, Vп > 0 та tп > 0.

Тепловіддача випаровування зростає зі збільшенням температури повітря, при низьких температурах повітря питома частка тепловіддачі нижча. Зі збільшенням рухливості повітря прискорюється випаровування вологи з поверхні тіла.

4. Частина тепла в організмі витрачається на нагрівання вдихуваного повітря, спожитої їжі тощо Qдих. Це тепло є функцією температури навколишнього повітря і його вологовмісту (кількість водяної пари, в грамах, що припадає на 1 кг сухого повітря):

де dп — вологовміст повітря, г/кг.

У стані спокою за температури навколишнього повітря 18°С (20°С), тепловіддача організму людини становить:

- частки Qт і Qк близько 30% усього тепла, що відводиться, причому Qт<Qк;

- частки Qвипр ~ 45%;

- частки Qвипар ~ 20%;

- частки Qдих - 5%.