Особенности життєдіяльності организмов

Киевский Державний Университет.

Технологии і Дизайна.

Р Є Ф Є Р, А Т.

по биомеханике на тему:.

" Особливості життєдіяльності організмів..

Приближенные теплові розрахунки одягу " ..

Киев — 2000.

С про буд е р ж, а зв і е.

1. Особливості життєдіяльності организмов:

1.1. Теплопродукция організму, що органи теплообразования…2.

1.2. Види теплоотдачи…4.

1.3. Система теплорегуляции організму (фізична й химическая)…9.

2. Рівняння теплового балансу організму з довкіллям. Наближені теплові розрахунки одежды…10.

І. Особливості життєдіяльності организмов..

1.1. Теплопродукция організму, що органи теплообразования..

Процессы життєдіяльності людини супроводжуються безперервним теплообразованием у його організмі й віддачею освіченого тепла в навколишню среду.

Организм людини — це саморегульована система з внутрішнім джерелом теплоти, у якій в нормальних умов теплопродукция — кількість освіченого тепла — дорівнює кількості тепла, відданого у внешнею середу — теплоотдаче. Внутрішня температура тіла постійна завдяки регулювання інтенсивності теплопродукции і тепловіддачі залежно від температури довкілля. А температура шкіри людини в вплив зовнішніх умов змінюється у досить широких пределах.

Тепловое рівновагу між організмом чоловіки й оточуючої його середовищем — ця умова комфорту; воно залежить від температури довкілля: муру і поверхонь, оточуючих предметів, швидкість руху повітря, вологості повітря, характеру одягу та величини теплопродукции людини. а ця величина, своєю чергою, залежить від його віку, статі людини, її харчування, м’язової роботи і інших чинників. Наприклад, зі зниженням температури довкілля, з прийомом їжі і такими його процесами травлення, при м’язової роботі теплопродукция збільшуються для досягнення теплового рівноваги з довкіллям внаслідок посилення хімічних реакцій обмена.

Количество енергії, расходуемое організмом людини в повному м’язовому спокої, до приймання їжі за повної м’язовому спокої, до приймання їжі за нормальної температури довкілля, відповідної мінімальної активності механізму терморегуляції, — це основний (стандартний) обмін. Основний обмін, який вираховується в калоріях на одиницю ваги чи одиницю поверхні тіла, залежить від функціонального стану організму, від статі, віку, ваги. Основний обмін що в осіб однакового статі, зростання, ваги та працездатного віку приблизно однаковий і коливається в 10−15%.

Экспериментально теплопродукцию людини зазвичай визначають методом калориметрии.

Тепла в людини (у клітинах) утворюється у процесі складних біохімічних реакцій (окислювання) біологічного обміну речовин. Органом теплотворення є весь організм у цілому, працюючий з урахуванням безумовно рефлекторних механізмів — може спокою і рефлекторно — при м’язової деятельности.

Теплопродукция і тепловіддача обумовлені діяльністю центральної нервової системи, регулюючої обмін речовин, кровообіг, потовиділення і діяльність кістякових мышц.

1.2. Види теплоотдачи..

Теплоотдача — процес віддачі тепла організмом людини осуществляется:

— теплопроводностью (кондукцией);

— конвекцией (проведением);

— радіацією (излучением);

— диханням і випаром поту і вологи в легких.

Некоторое кількість тепла витрачається на нагрівання їжі та води під час травлення, нагрівання повітря на легких.

Теплообмен людини в виконанні різноманітних видів фізичної роботи значно змінюється, наприклад, значно збільшуються тепловтрати испарением.

Теплопроводность.

Теплопроводностью (кондукцией) здійснюється теплопередача від поверхні тіла людини до стичним з ним твердих твердим предметів чи матеріалам зовнішньої среды.

Перенос тепла у разі іде за рахунок Закону Фурье:

Qконд. = K • F (t1 - t2) • [ккал/ч], где.

Qконд. — віддача тепла кондукцией;

F — поверхню дотику людини з предметом, м2;

t1 — температура поверхні тіла, 0С;

t2 — температура поверхні тіла дотику, 0С;

K — коефіцієнт теплопередачі, равный.

K = 1/(У[д/б]ТК + У[д/б]возд.) • [ккал/м2 • год • град], где.

б — коефіцієнт теплопровідності, ккал/м • год • град;

д — товщина пакета одягу, м.

Теплопередача кондукцией через повітря становить дуже незначну величину, оскільки коефіцієнт теплопровідності нерухомо повітря дорівнює 0,83 ккал/см • сік • год • град.

Конвекция.

Конвекцией здійснюється передача тепла із поверхні тіла чи одягу людини який рухається біля нього повітрю. Загалом балансі тепловтрат теплопередача конвекцией становить значну частину (понад 25−30%).

Для розрахунків тепловіддачі конвекцией можна використовувати рівняння Н. К. Витте, заснований обліку охолодження кататермометра і встановлених у своїй емпіричних постійних величин:

C1 = 0,10 (0,5 + ?v) • П • (ТБ — ТП) для v ? 0,6 м/сек;.

C2 = 0,12 (0,273 + ?v) • П • (ТБ — ТП) для v > 0,6 м/сек, где.

С1, С2 — тепловіддача конвекцией;

v — швидкість руху повітря, м/сек;

П — поверхню тіла людини, що у теплообмене, м2;

Тв — температура повітря, 0С;

Тп — температура (середня) поверхні шкіри, 0С.

Радиация (излучение).

Теплоотдача радіацією — це передача тепла у вигляді променистої енергії із поверхні тіла особи на одне оточуючі поверхні, має нижчу температуру, чи навколишнє простір. Кількість тепла, отдаваемого випромінюванням, залежить від температури поверхні тіла (одягу), температури оточуючих тіло муру і поверхонь, їх спроможність випромінювати тепло, величини площі тіла, і оточуючих поверхонь, відстані і взаємного розташування тіла, і те, які поверхонь. Тепловіддача випромінюванням може спокою людини становить 43−50% всієї втрати тепла.

Излучение людського тіла характеризується довжиною хвиль від 5 до 40 км з максимальною довжиною хвиль (від 5 до 40 км) о 9-й км, а шкіра людини поглинає інфрачервоне проміння як абсолютно чорне тіло. Кількість тепла, излученного одиницею поверхні тіла в одиницю часу, визначається згідно із законом Стефана-Больцмана, справедливого лише абсолютно чорного і сірого тел:

Qрад = C • Fизл • [(273-tn/100)4 — (273+tо/100)4] • [ккал/ч], где.

с — коефіцієнт взаємної радіації, ккал/м2 • год • град;

Fизл — випромінююча поверхню тіла людини, м2;

tп — температура поверхні тіла, і одягу, 0С;

to -температура оточуючих поверхонь, 0С.

Этот закон показує, що інтенсивність випромінювання різко зростає підвищенням температури поверхні тела.

В приміщенні тепловіддачу радіацією визначають за такою формулою Н. Витте:

QР = 0,093 • П • (ТСТ — ТТ) • [ккал/мин], где.

Qр — тепловіддача радіацією, ккал/мин;

П — поверхню тіла людини, м2;

Тст — температура стен;

Тт — середньозважена температура тела.

В теплообмене людини конвекцией і радіацією бере участь у середньому 75% всієї поверхні тела.

Испарение із поверхні тіла человека.

При випаровуванні поту у організму людини віднімається тепло, що є прихованої теплотою парообразования. Процес тепловіддачі випаром із поверхні шкіри легких людини у умовах комфорту становить 23−29% всієї теплоотдачи.

Количество тепла, отдаваемого із поверхні тіла випаром, визначається уравнением:

Qn = бB • W • F (PK - PB) • [ккал/ч], где.

WF — частина поверхні тіла, покрита потім, м2;

W — коефіцієнт зволоження шкіри? 0,2−1;

PК — парціальний тиск водяної пари в насиченому повітрі, мм рт.ст. над кожей;

PB — парціальний тиск водяної пари в навколишньому повітрі, мм рт. ст.;

бB — коефіцієнт переходу тепла в навколишнє середовище при випаровуванні поту (ккал/м2 • год • мм), для вдягнену людину бB = 1,25К, де До — коефіцієнт теплопередачі, для неодягненого бB = 10,45 + 8,7v, де v — швидкість воздуха.

Как це випливає з рівняння, кількість яка випаровується поту залежить від швидкість руху повітря, величини поверхні тіла, покритою потім, і південь від різниці парциальных тисків (Pk — PB); яка змінюється залежно від температури і відносної вологості повітря. Інтенсивність виділення водяних парів із поверхні шкіри людини різко зростає й за інтенсивнішої м’язової діяльності человека.

При наближених розрахунках вважають, що його тепла, отдаваемого із поверхні шкіри випаром, переважно залежить кількості испаренной вологи і зажадав від температури кожи.

Теплоотдача у процесі дыхания:.

нагревание повітря і випаровування влаги.

Количество тепла, отдаваемого тілом особи на одне нагрівання повітря на легких, залежить кількості минулого повітря та її температури перед входом і виході. А тепла, отдаваемого на випаровування вологи, залежить кількості повітря, котрий пройшов легкі при подиху і змістом вологи у вдыхаемом і повітрі видиху. Воно визначається по формуле.

Q = 0,001 mp, где.

р — питома теплота випаровування води, ккал/ч;

m — кількість вологи, испаренной у легенях за 1ч, ккал/ч; обумовлений різницею змісту вологи у вдыхаемом і видихуваному воздухе.

1.3. Система теплорегуляции організму (фізична й химическая).

Терморегуляция — сукупність фізіологічних процесів, підтримують внутрішню температуру тіла постійному уровне.

Теплообразование залежить від інтенсивності хімічних реакцій обміну речовин, зростання якого за охолодженні тіла забезпечується хімічної терморегуляцией. А фізична терморегуляція регулює віддачу тепла організмом у вигляді фізичних процесів — теплопровідності, конвекції, випромінювання та испарения.

Химическая терморегуляція здійснюється зміною інтенсивності окисних процесів, викликаних микровибрацией м’язів (коливаннями); а фізична — зміною температури шкіри, шляхом розширення (звуження) шкірних судин, зміни інтенсивності потовиділення й дихання, є реакцією зміну температури довкілля, вологості повітря й інших чинників. Розширення судин шкіри збільшення кількості притекающей крові веде посилення тепловіддачі, звуження їх — до їх зниження ее.

Терморегуляция відбувається рефлекторно завдяки роздратуванню температурних рецепторів шкіри слизових оболонок, виникненню нервових імпульсів, збудливих нервові центры.

ІІ. УРАВНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ОРГАНІЗМУ З ОТОЧУЮЧОЇ СЕРЕДОВИЩЕМ. НАБЛИЖЕНІ ТЕПЛОВІ РОЗРАХУНКИ ОДЕЖДЫ.

Основное призначення одягу — то є захист організму людини від несприятливих впливів довкілля (вітер, туман, дощ та інших.) й забезпечення теплового комфорту, що є умовою нормальної життєдіяльності людини. Необхідна умова збереження тривалого теплового комфорту — підтримку теплового балансу, який шляхом терморегуляції організму, що застосування необхідної для даних умов одягу з штучно регульованим мікрокліматом пододежного повітря, характеризується температурою і вологістю. Основною ж показник теплового комфорту людини — це середньозважена температура поверхні тіла (шкіри), яка приблизно однакова всім видів діяльності (?330С — для шкіри, покритою одягом). У цьому враховується, що пододежное простір систематично вентилюється у зв’язку з виділенням шкіри людини випарів вологи і вуглекислоти, які мають удаляться.

Существуют аналітичні методи теплового розрахунку одежды.

1) У процесі постійного обміну речовин, у людини внаслідок розпаду складних хімічних сполук звільняється енергія. Вона перетворюється на теплову, електричну і механічну енергії і відданість забезпечує перебіг всіх форм діяльності організму. З І і ІІ-го законів термодинаміки енергетичного балансу організму дозволить бути описаний уравнением:

M + J = Qрад. + Qконв. + Qисп. + Qдых. + Z, где.

M — енергія, вироблювана в людини (теплопродукция), ккал/час;

Z — тепло, яке витрачається механічну работу;

Qрад. — втрати тепла радіацією (випромінювання), ккал/ч;

Qконв. — втрата тепла теплопроводностью і конвекцией;

Qисп. — втрата тепла випаром вологи зі шкіри і верхніх дихальних шляхів, ккал/ч;

Qдых. — втрата тепла на нагрівання вдихуваного повітря, ккал/ч;

J — адсорбція тепла радіацією, ккал/ч.

Для розрахунку середньозваженої температури визначають загальну поверхню тіла, рівну сумі поверхонь окремих його частин методами антропометрії. Найбільш поширених їх — лінійний метод Дюбца: поверхню тіла ділиться деякі частини — голову, тулуб, верхні і нижні кінцівки, а поверхні цих частин тіла здійснюються за формулам (визначаються), якого вивів виходячи з антропометричних вимірів человека.

Соотношение поверхні частин до спільної поверхні тела:

голова — 7,36% стегно — 20,3%.

туловище — 35,5% гомілка — 12,5%.

плечо і передпліччя — 13,4% стопа — 6,44%.

кисть — 4,5%.

Расчет середньозваженої величини температури поверхні тіла людини здійснюється за наступній формуле:

n.

tср.взв.к. = У • ti • Si/Sобщ. , где.

i.

ti — температура в иpмеряемой точці ділянки поверхні тела;

Si — площа поверхні цієї ділянки тела;

Sобщ. — загальна площа поверхні тела.

Для проектування одягу важливим і те, що то вона може відчувати комфортні відчуття і за деякому порушенні теплового рівноваги. Це результат існування «резерву «тепла організму людини, що використовується їм у разі охолодження (1272 — 2448 Ккал) і залишається в зовнішніх шарах тканин організму, на глибині 2−3 див від шкіри. Величина його залежить ваги чоловіки й температури тела:

D = CP (0,7tТ + 0,3tК).

D — дефіцит тепла в організмі, ккал;

C — питома теплоємність тіла людини, рівна загалом 0,83 ккал/кг • град;

P — вагу таля людини, кг;

tт — температура тіла в 0С;

tк — температура шкіри у 0С.

Расчет радиационно-конвективных тепловтрат та потрібного теплового опору одягу проводиться у разі методиці ЦНИИШП з урахуванням величини енерговитрат людини (М), час перебування їх у заданих метеорологічних умовах (ф), температури довкілля (tB), швидкості вітру (vB) і воздухопроницаемости одежды.

1. Визначаємо енергію, витрачену людиною на механічну роботу: Z = (M - Mосн.) • 10% / 100%;.

2. Qисп.=[(M+D/t) —Z] • 20/100% • [(H+D/t) • (M-Mосн.)•10% / 100%] • 20/100%.

3. Qисп. = (M+D/t) — Z - Qисп. - Qдых. = Q72 М +0,028Мосн. + 0,8D/t - Qдых..

Зная величину радиационно-конвективных тепловтрат, можна визначити щільність теплового потоку із поверхні тіла человека:

q = Qрад-конв. / Sобщ..

Общая площа тіла людини перебуває як залежність площі поверхні тіла людини з його розвитку і веса.

Суммарное теплове опір одягу визначається по формуле:

Rсум. = tср.взв.к - tB / q.

При цьому зважаючи на те, що теплове опір одягу падає у разі підвищення швидкості вітру, необхідно встановити поправку на вітер до Rсум. з урахуванням воздухопроницаемости матеріалів одежды.

2) Метод Г. Кондратьева. За критерій комфорту прийнята середня температура шкіри также.

Учитывая І-ый закон термодинаміки, тобто. закон термодинаміки — Закон збереження енергії, теплової баланс тіла людини виражається рівнянням: M = Q + Q? + L + E + A, где.

М — теплопродукция, ккал/ч;

Q — тепловіддача через шкіру, вкриту одеждой;

Q? — тепловіддача через шкіру, не вкриту одеждой;

Е — тепловіддача через дихальні пути;

L — втрата тепла на механічну работу;

А — накопичення енергії як теплоти в організмі (внутри).

Величины Q? й О незначні, у наближеному розрахунку виключаються: M = Q + L + E.

Величины L та О становлять деякі частки від М: L = гМ, Є = рОЗУМ, де х, у — правильні дробу, що показує тепло, теряемое внаслідок зовнішньої механічної роботи (x) і за подиху (у).

Таким чином, отримуємо повне кількість тепла, яке проходить крізь одяг, т. е.

Q = М (1 — x — у).

Полагая, що х?0,20, у?0,24 при тривалої роботі, одержимо Q=0,56 М чи Q=qS, де.

q — питомий теплової потік, теплова навантаження одежды;

S — поверхню шкіри людини, м2;

Для наочності порівняємо цю теплову навантаження одягу (q) з теплової навантаженням, відповідної нормальному тепловому стану організму (q0), коли температура повітря, стін, стелі дорівнює 210С, швидкість повітря 0,1 м/сек, відносна вогкість повітря 40−60%, фізичні зусилля відсутні, середня температура шкіри під одягом t1=330С, теплове опір повітря RПо=0,14, тобто. коефіцієнт тепловіддачі б0=7,15 ккал/м2 • год • град.

N = q/q0 = Q/Q0 — показник теплової навантаження висловлює, скільки раз тепловтрати шкіри під одягом при умовах роботи організму більше тепловтрати нормального состоянии.

Аналогично, I - R/R0 — показник теплоизоляционной здібності даної одягу висловлює теплозащитную здатність цього одягу проти тієї одягом, у якому одягнена людина нормального тепловому стані. Чим більший І, тим тепліше одяг. R0 — теплове опір нормализованной одягу = 0,17 год 0,18 м² • год • град/ккал.

Отже, величина М визначається виглядом діяльності, а N = M (1 — x - y)/Q0 , а при (1 — x - y)?0,56.

N ?0,78M/100.

Q0 = 72ккал/ч.

Для певної обстановки роботи відомі tB — температура зовнішнього середовища й б — коефіцієнт тепловіддачі б від поверхні одягу довкілля. Отже, з рівняння знаходимо І, а необхідну теплове опір одягу по формулі R=0,175 • I.

Проведенный теплової розрахунок одягу стосується лише усталеному тепловому режиму організму, що стаціонарним зовнішніх умов, він виключає період адаптації й стосується лише тривалої роботі, а чи не до коротким зусиллям (тривалість обчислюється минутами).

Л І Т Є Р, А Т У Р А.

1. Р. Г. Рахимов, И. А. Дмитричева. «Гігієна одягу. Лабораторно-практические роботи. Методичні вказівки ». Київ, 1980.

2. П. А. Колесников. «Теплозахисні властивості одягу ». Видавництво «Легка індустрія ». Москва, 1965.