Київський Державний Університет
Технології та Дизайну
Р Е Ф Е Р А Т
з біомеханіки на тему:
"Особливості життєдіяльності організмів.
Наближені теплові розрахунки одягу ".
Київ - 2000
З про буд е р ж а н н я
1. Особливості життєдіяльності організмів:
1.1. Теплопродукция організму та органи теплоутворення ... ... ... ... ... 2
1.2. Види тепловіддачі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 4
1.3. Система теплорегуляції організму (фізична і хімічна) ... .. 9
2. Рівняння теплового балансу організму з навколишнім середовищем. Наближені теплові розрахунки одягу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 10
І. Особливості життєдіяльності організмів.
1.1. Теплопродукция організму та органи теплоутворення.
Процеси життєдіяльності людини супроводжуються безперервним теплоутворення в його організмі і віддачею утвореного тепла в навколишнє середовище.
Організм людини - це саморегульована система з внутрішнім джерелом тепла, в якій в нормальних умовах теплопродукція - кількість утвореного тепла - дорівнює кількості тепла, відданого у зовнішньому середовищі - тепловіддачі. Внутрішня температура тіла постійна завдяки регулюванню інтенсивності теплопродукції і тепловіддачі залежно від температури зовнішнього середовища. А температура шкіри людини при впливі зовнішніх умов змінюється у відносно широких межах.
Теплове рівновагу між організмом людини і навколишнім середовищем - це умова комфорту; воно залежить від температури навколишнього середовища: стін і поверхонь, навколишніх предметів, швидкості руху повітря, вологості повітря, характеру одягу і величини теплопродукції людини. А ця величина, в свою чергу, залежить від віку, статі людини, її харчування, м'язової діяльності та інших факторів. Наприклад, зі зниженням температури зовнішнього середовища, з прийомом їжі і наступними за ним процесами травлення, при м'язовій роботі теплопродукція збільшуються для досягнення теплового рівноваги з навколишнім середовищем в результаті посилення хімічних реакцій обміну.
Кількість енергії, що витрачається організмом людини при повному м'язовому спокої, до прийому їжі при повному м'язовому спокої, до прийому їжі при температурі зовнішнього середовища, відповідної мінімальної активності механізму терморегуляції, - це основний (стандартний) обмін. Основний обмін, обчислюваний в калоріях на одиницю ваги або одиницю поверхні тіла, залежить від функціонального стану організму, від статі, віку, ваги. Основний обмін в осіб однакової статі, росту, ваги і віку приблизно однаковий і коливається в 10-15%.
Експериментально теплопродукцию людини зазвичай визначають методом калориметрії.
Тепла в організмі людини (в клітинах) утворюється в процесі складних біохімічних реакцій (окислення) біологічного обміну речовин. Органом теплоутворення є весь організм в цілому, що працює на основі безумовно рефлекторних механізмів - у стані спокою і рефлекторно - за м'язової діяльності.
Теплопродукція і тепловіддача обумовлені діяльністю центральної нервової системи, що регулює обмін речовин, кровообіг, потовиділення і діяльність скелетних м'язів.
1.2. Види тепловіддачі.
Тепловіддача - процес віддачі тепла організмом людини здійснюється:
- Теплопровідністю (кондукція);
- Конвекцією (проведенням);
- Радіацією (випромінюванням);
- Диханням і випаровуванням поту та вологи у легенях.
Деяка кількість тепла витрачається на нагрівання їжі і води під час травлення, нагрівання повітря в легенях.
Теплообмін людини при виконанні різних видів фізичної роботи значно змінюється, наприклад, значно збільшуються тепловтрати випаровуванням.
Теплопровідність
Теплопровідність (кондукція) здійснюється теплопередача від поверхні тіла людини до дотичних з ним твердих твердих предметів або матеріалами зовнішнього середовища.
Перенесення тепла в цьому випадку відбувається за Законом Фур'є:
Q конд. = K • F (t 1 - t 2) • [ккал / ч], де
Q конд. - Віддача тепла кондукція;
F - поверхня дотику людини з предметом, м2;
t1 - Температура поверхні тіла, 0С;
t2 - Температура поверхні тіла дотику, 0С;
K - коефіцієнт теплопередачі, рівний.
K = 1 / (У [д / б] ТК + У [д / б] пов.) • [ккал/м2 • год • град], де
б - коефіцієнт теплопровідності, ккал / м • год • град;
д - товщина пакета одягу, м.
Теплопередача кондукція через повітря становить дуже незначну величину, так як коефіцієнт теплопровідності нерухомо повітря дорівнює 0,00083 ккал / см • сек • год • град.
Конвекція
Конвекцією здійснюється передача тепла з поверхні тіла або одягу людини рухається біля нього повітрю. У загальному балансі тепловтрат теплопередача конвекцією складає значну частку (понад 25-30%).
Для розрахунків тепловіддачі конвекцією можна використовувати рівняння Н. К. Вітте, засноване на обліку охолодження кататермометра і встановлених при цьому емпіричних постійних величин:
C 1 = 0,10 (0,5 + √ v) • П • (ТБ - ТП) для v ≤ 0,6 м / сек;
C 2 = 0,12 (0,273 + √ v) • П • (ТБ - ТП) для v> 0,6 м / сек, де
С1, С2 - тепловіддача конвекцією;
v - Швидкість руху повітря, м / сек;
П - поверхня тіла людини, що бере участь у теплообміні, м2;
Тв - температура повітря, 0С;
Тп - Температура (середня) поверхні шкіри, 0С.
Радіація (випромінювання)
Тепловіддача радіацією - це передача тепла у формі променистої енергії з поверхні тіла людини на навколишні поверхні, що має нижчу температуру, або в навколишній простір. Кількість тепла, що віддається випромінюванням, залежить від температури поверхні тіла (одягу), температури оточуючих тіло стін і поверхонь, їх здатності випромінювати тепло, величини площі тіла і оточуючих поверхонь, відстані і взаємного розташування тіла і оточуючих його поверхонь. Тепловіддача випромінюванням у стані спокою людини становить 43-50% всієї втрати тепла.
Випромінювання людського тіла характеризується довжиною хвилі від 5 до 40 мк з максимальною довжиною хвилі (від 5 до 40 мк) в 9 мк, а шкіра людини поглинає інфрачервоні промені як абсолютно чорне тіло. Кількість тепла, випроміненого одиницею поверхні тіла в одиницю часу, визначається за законом Стефана-Больцмана, справедливого тільки для абсолютно чорного і сірого тел:
Q радий = C • F изл • [(273 - tn / 100) 4 - (273 + t о/100) 4] • [ккал / ч], де
з - Коефіцієнт взаємної радіації, ккал/м2 • год • град;
F изл - випромінююча поверхню тіла людини, м2;
t п - температура поверхні тіла та одягу, 0С;
t o-температура навколишніх поверхонь, 0С.
Цей закон показує, що інтенсивність випромінювання різко зростає з підвищенням температури поверхні тіла.
У приміщенні тепловіддачу радіацією визначають за формулою Н. Вітте:
Q Р = 0,093 • П • (ТСТ - ТТ) • [ккал / хв], де
Q р - тепловіддача радіацією, ккал / хв;
П - поверхня тіла людини, м2;
Т ст - температура стін;
Т т - середньозважена температура тіла.
У теплообміні людини конвекцією та радіацією бере участь у середньому 75% всієї поверхні тіла.
Випаровування з поверхні тіла людини
При випаровуванні поту в організму людини віднімається тепло, що є прихованою теплотою паротворення. Процес тепловіддачі випаровуванням з поверхні шкіри і легень людини в умовах комфорту становить 23-29% всієї тепловіддачі.
Кількість тепла, що віддається з поверхні тіла випаровуванням, визначається рівнянням:
Qn = бB • W • F (PK - PB) • [ккал / ч], де
W F - частина поверхні тіла, покрита потім, м2;
W - коефіцієнт зволоження шкіри ≈ 0,2-1;
P К - парціальний тиск водяної пари в насиченому повітрі, мм рт.ст. над шкірою;
P B - парціальний тиск водяної пари в навколишньому повітрі, мм рт. ст.;
б B - коефіцієнт переходу тепла в зовнішнє середовище при випаровуванні поту (ккал/м2 • год • мм), для одягненої людини бB = 1,25 К, де К - коефіцієнт теплопередачі, для неодягненого бB = 10,45 + 8,7 v, де v - швидкість повітря.
Як видно з рівняння, кількість випаровується поту залежить від швидкості руху повітря, величини поверхні тіла, покритої потім, і від різниці парціальних тисків (Pk - PB); яка змінюється в залежності від температури і відносної вологості повітря. Інтенсивність виділення водяної пари з поверхні шкіри людини різко зростає і при інтенсивної м'язової діяльності людини.
При наближених розрахунках вважають, що кількість тепла, що віддається з поверхні шкіри випаровуванням, в основному залежить від кількості испаренной вологи і від температури шкіри.
Тепловіддача в процесі дихання:
нагрівання повітря і випаровування вологи
Кількість тепла, що віддається тілом людини на нагрівання повітря в легенях, залежить від кількості минулого повітря і його температури при вході і виході. А кількість тепла, що віддається на випаровування вологи, залежить від кількості повітря, що пройшов через легені при диханні і від вмісту вологи у вдихуваному і видихуваному повітрі. Воно визначається за формулою
Q = 0,001 mp, де
р - питома теплота випаровування води, ккал / год;
m - кількість вологи, испаренной в легенях за 1ч, ккал / год; визначається різницею вмісту вологи у вдихуваному і видихуваному повітрі.
1.3. Система теплорегуляції організму (фізична і хімічна)
Терморегуляція - сукупність фізіологічних процесів, що підтримують внутрішню температуру тіла на постійному рівні.
Теплоутворення залежить від інтенсивності хімічних реакцій обміну речовин, ріст якого при охолодженні тіла забезпечується хімічної терморегуляцією. А фізична терморегуляція регулює віддачу тепла організмом за допомогою фізичних процесів - теплопровідності, конвекції, випромінювання та випаровування.
Хімічна терморегуляція здійснюється зміною інтенсивності окисних процесів, викликаних мікровібрацією м'язів (коливаннями); а фізична - зміною температури шкіри, завдяки розширенню (звуження) шкірних судин, зміни інтенсивності потовиділення і дихання, що є реакцією на зміну температури зовнішнього середовища, вологості повітря та інших факторів. Розширення судин шкіри і збільшення кількості крові, що притікає веде до посилення тепловіддачі, звуження їх - до зниження її.
Терморегуляція відбувається рефлекторно завдяки роздратуванню температурних рецепторів шкіри і слизових оболонок, виникнення нервових імпульсів, що збуджують нервові центри.
ІІ. Рівняння теплового балансу організму з навколишнім середовищем. НАБЛИЖЕНІ ТЕПЛОВІ РОЗРАХУНКИ ОДЯГУ
Основне призначення одягу - це захист організму людини від несприятливих впливів зовнішнього середовища (вітер, туман, дощ і ін) та забезпечення теплового комфорту, який є умовою нормальної життєдіяльності людини. Необхідна умова збереження тривалого теплового комфорту - підтримка теплового балансу, який досягається шляхом терморегуляції організму та застосування необхідної для даних умов одягу з штучно регульованим мікрокліматом пододежном повітря, що характеризується температурою і вологістю. Основний же показник теплового комфорту людини - це середньозважена температура поверхні тіла (шкіри), яка приблизно однакова для всіх видів діяльності людини (≈ 330С - для шкіри, вкритої одягом). При цьому враховується, що пододежном простір систематично вентилюється у зв'язку з виділенням шкіри людини випаровувань вологи і вуглекислоти, які повинні вилучатися.
Існують аналітичні методи теплового розрахунку одягу.
1) У процесі постійного обміну речовин в організмі людини в результаті розпаду складних хімічних сполук звільняється енергія. Вона перетворюється на теплову, електричну та механічну енергії та забезпечує протікання всіх форм діяльності організму. Виходячи з І та ІІ-го законів термодинаміки енергетичний баланс організму людини може бути описаний рівнянням:
M + J = Q радий. + Q конв. + Q ісп. + Q дих. + Z, де
M - енергія, яка виробляється в організмі людини (теплопродукція), ккал / год;
Z - тепло, яке витрачається на механічну роботу;
Q радий. - Втрати тепла радіацією (випромінювання), ккал / год;
Q конв. - Втрата тепла теплопровідністю і конвекцією;
Q ісп. - Втрата тепла випаровуванням вологи з шкіри і верхніх дихальних шляхів, ккал / год;
Q дих. - Втрата тепла на нагрів вдихуваного повітря, ккал / год;
J - адсорбція тепла радіацією, ккал / ч.
Для розрахунку середньозваженої температури визначають загальну поверхню тіла, що дорівнює сумі поверхонь окремих його частин методами антропометрії. Найбільш поширених з них - лінійний метод Дюбца: поверхня тіла ділиться на окремі частини - голову, тулуб, верхні і нижні кінцівки, а поверхні цих частин тіла здійснюються за формулами (визначаються), виведеним на підставі антропометричних вимірів людини.
Співвідношення поверхні частин до загальної поверхні тіла:
голова - 7,36% стегно - 20,3%
тулуб - 35,5% гомілка - 12,5%
плече і передпліччя - 13,4% стопа - 6,44%
кисть - 4,5%
Розрахунок середньозваженої величини температури поверхні тіла людини здійснюється за такою формулою:
n
t ср.взв.к. = У • ti • Si / S заг., Де
i
t i - температура в іpмеряемой точці ділянки поверхні тіла;
S i - площа поверхні даної ділянки тіла;
S заг. - Загальна площа поверхні тіла.
Для проектування одягу важливим є те, що людина може відчувати комфортні відчуття і при деякому порушенні теплового рівноваги. Це результат існування "резерву" тепла організму людини, який використовується ним у випадку охолодження (1272 - 2448 ккал) і стоїть в зовнішніх шарах тканин організму, на глибині 2-3 см від шкіри. Величина його залежить від ваги людини і температури тіла:
D = CP (0,7 t Т + 0,3 t К)
D - дефіцит тепла в організмі, ккал;
C - питома теплоємність тіла людини, що дорівнює в середньому 0,83 ккал / кг • град;
P - вага тала людини, кг;
tт - температура тіла в 0С;
tк - температура шкіри в 0С.
Розрахунок радіаційно-конвективних тепловтрат і необхідного теплового опору одягу проводиться за методикою ЦНІІШП з урахуванням величини енерговитрат людини (М), часу перебування його в заданих метеорологічних умовах (ф), температури навколишнього середовища (tB), швидкості вітру (vB) і повітропроникності одягу.
1. Визначаємо енергію, витрачену людиною на механічну роботу: Z = (M - M осн.) • 10% / 100%;
2. Q ісп. = [(M + D / t) - Z] • 20/100% • [(H + D / t) • (M - M осн.) • 10% / 100%] • 20/100 %
3. Q ісп. = (M + D / t) - Z - Q ісп. - Q дих. = Q 72М +0,028 Мосні. + 0,8 D / t - Q дих.
Знаючи величину радіаційно-конвективних тепловтрат, можна визначити щільність теплового потоку з поверхні тіла людини:
q = Q рад-конв. / S заг.
Загальна площа тіла людини знаходиться як залежність площі поверхні тіла людини від її зросту і ваги.
Сумарне тепловий опір одягу визначається за формулою:
R сум. = T ср.взв.к - tB / q
При цьому з огляду на те, що тепловий опір одягу падає при підвищенні швидкості вітру, необхідно встановити поправку на вітер до Rсум. з урахуванням повітропроникності матеріалів одягу.
2) Метод Г. Кондратьєва. За критерій комфорту прийнята середня температура шкіри також.
Враховуючи І-ий закон термодинаміки, тобто закон термодинаміки - Закон збереження енергії, тепловий баланс тіла людини виражається рівнянням: M = Q + Q | + L + E + A, де
М - теплопродукція, ккал / год;
Q - тепловіддача через шкіру, покриту одягом;
Q | - тепловіддача через шкіру, не покриту одягом;
Е - тепловіддача через дихальні шляхи;
L - втрата тепла на механічну роботу;
А - накопичення енергії у вигляді теплоти в організмі (всередині).
Величини Q | і А незначні, тому в наближеному розрахунку виключаються: M = Q + L + E
Величини L і Е становлять деякі частки від М: L = хм, Е = УМ, де х, у - правильні дроби, що показує тепло, втрачає в результаті зовнішньої механічної роботи (х) і при диханні (у).
Таким чином, отримуємо повну кількість тепла, яке проходить крізь одяг, тобто
Q = М (1 - х - у)
Вважаючи, що х ≈ 0,20, у ≈ 0,24 при тривалій роботі, отримаємо Q = 0,56 М або Q = qS, де
q - питомий тепловий потік, теплове навантаження одягу;
S - поверхня шкіри людини, м2;
Для наочності порівняємо дану теплове навантаження одягу (q) з тепловим навантаженням, відповідної нормальному тепловому стану організму (q0), коли температура повітря, стін, стелі дорівнює 210С, швидкість повітря 0,1 м / сек, відносна вологість повітря 40-60%, фізичні зусилля відсутні, середня температура шкіри під одягом t1 = 330С, тепловий опір повітря RПо = 0,14, тобто коефіцієнт тепловіддачі б0 = 7,15 ккал/м2 • год • град.
N = q / q 0 = Q / Q 0 - показник теплового навантаження висловлює, у скільки разів тепловтрати шкіри під одягом за даних умов роботи організму більше тепловтрати при нормальному стані.
Аналогічно, I - R / R 0 - показник теплоізоляційної здатності даної одягу висловлює теплозахисну здатність цього одягу в порівнянні з тим одягом, в яку одягнений чоловік при нормальному тепловому стані. Чим більше І, тим тепліше одяг. R0 - тепловий опір нормалізованої одягу = 0,17 год 0,18 м2 • год • град / ккал.
Таким чином, величина М визначається видом діяльності людини, а N = M (1 - x - y) / Q 0, а при (1 - x - y) ≈ 0,56
N ≈ 0,78 M / 100
Q 0 = 72ккал / год
Для певної обстановки роботи відомі tB - температура зовнішнього середовища і б - коефіцієнт тепловіддачі б від поверхні одягу в навколишнє середовище. Отже, з рівняння знаходимо І, а потрібне тепловий опір одягу за формулою R = 0,175 • I.
Проведений тепловий розрахунок одягу відноситься тільки до сталого теплового режиму організму і стаціонарним зовнішніх умов, він виключає період адаптації і відноситься тільки до тривалої роботи, а не до коротких зусиллям (тривалість обчислюється хвилинами).
Л І Т Е Р А Т У Р А
1. Р. Г. Рахімов, І. А. Дмитричева. "Гігієна одягу. Лабораторно-практичні роботи. Методичні вказівки". Київ, 1980.
2. П. О. Колесников. "Теплозахисні властивості одягу". Видавництво "Легка індустрія". Москва, 1965.