4-5. Termoregulacja organizmu człowieka i obciążenie termiczne

Wymiana ciepła między organizmem człowieka i jego środowiskiem odbywa się głównie przez skórę, która u dorosłego człowieka ma powierzchnię około 1,8 m² (niewielkie ilości ciepła są oddawane przez płuca - nagrzewanie wdychanego powietrza - oraz przez wydalanie moczu i kału). Jej przewodnictwo cieplne zależy od stopnia ukrwienia. Im bardziej ukrwiona (tzn. im więcej zawiera wody), tym większe przewodnictwo. Zamyka się ono w granicach od 3,14 (skóra zanemizowana) do 14,64 kJ · m^-1 · s^-1 K^-1 (skóra maksymalnie ukrwiona). Wymiana ciepła między skórą a otaczającym ją środowiskiem, którym najczęściej jest powietrze, jest zjawiskiem złożonym. Składają się na nią cztery procesy. Trzy spośród nich, zwane wymianą suchą, obejmują przewodzenie, unoszenie i promieniowanie. Czwarty to wydzielanie i odparowanie potu z powierzchni skóry (4-5. slajd 2).

4-5. slajd 2

Przewodzenie 

Polega ono na wymianie ciepła z ciałem stykającym się nieruchomo ze skórą. Jest ono niewielkie, gdy tym ciałem jest, jak to najczęściej bywa, powietrze. W przypadku powietrza wynosi 0,023 kJ · m^-1 · s^-1 · K^-1, jest 25 razy większe - gdy skóra styka się z wodą, a ponad 1000 razy większe - gdy skóra przylega do żelaznej płyty. Należy stale mieć na uwadze praktyczny aspekt tego faktu i w zasadzie nie pokrywać metalem powierzchni elementów technicznych stykających się ze skórą człowieka (siedzisk, oparć, podnóżków, podłóg itp.). Powietrze jest doskonałym izolatorem, np. w odzieży - im więcej powietrza w tkaninie, tym mniejsza jest jej przewodność cieplna.

Unoszenie (konwekcja) 

Zasada tego zjawiska polega na tym, że cząsteczki powietrza (lub innego ośrodka, np. wody) stykając się ze skórą, ulegają ogrzaniu i po chwili unoszą się ku górze. Mogą one również ulec ochłodzeniu, jeśli skóra jest chłodna, i wtedy opadają w dół. Ich miejsce zajmują nowe cząsteczki, które po chwili spotyka los poprzedniczek. Przyczyną ruchu cząsteczek powietrza jest zmiana jego gęstości po zmianie temperatury. Tak więc, jeśli skóra ma wyższą temperaturę niż przylegające do niej powietrze, wtedy powstaje w jej pobliżu prąd konwekcyjny z dołu do góry. Jeśli gradient temperatury jest odwrotny, to wspomniany prąd skierowany jest z góry do dołu. Te prądy powietrza, zwane konwekcją naturalną, można przyspieszyć i uczynić ją bardziej skuteczną za pomocą wachlarza, wentylatora lub dmuchawy. Jest to wtedy konwekcja wymuszona. Konwekcja jest najbardziej racjonalnym sposobem ogrzewania albo chłodzenia organizmu, a to dlatego, że poza dużą skutecznością ma jeszcze tę zaletę, iż odbywa się w zasadzie kosztem energii spoza ustroju. Wymaga ona jednak umiejętnego stosowania.

Prędkość powietrza powinna być dostosowana do sytuacji termicznej, w jakiej znajduje się człowiek, najlepiej regulowana przez niego samego  (4-5. Slajd 3).

4-5. slajd 3

 Nadmierne chłodzenie może bowiem spowodować przechłodzenie organizmu i zagraża zdrowiu. Rozwiązaniem technicznym zbliżonym do ideału jest na przykład system chłodzenia w kabinach współczesnych samolotów pasażerskich w postaci oddzielnego nawiewu dla każdego pasażera, z możliwością regulacji.

Promieniowanie

Polega ono na emisji przez skórę promieniowania elektromagnetycznego w pasmie 2 ÷ 20 µm, z maksimum przypadającym na 9 µm. Wzrost temperatury o 1⁰ K zwiększa oddawanie ciepła przez promieniowanie o około 63 kJ. Na zdjęciach w podczerwieni widoczna jest wokół ciała ludzkiego świecąca aureola spowodowana tym promieniowaniem. Wymiana ciepła przez promieniowanie zależy głównie od różnicy czwartych potęg temperatur bezwzględnych powierzchni zwróconych do siebie. Prostoliniowe rozchodzenie się promieniowania powoduje powstawanie cieni, co należy wykorzystać w postępowaniu chroniącym. W przemyśle, ludzie są niejednokrotnie narażeni na intensywne promieniowanie z palenisk, otworów wsadowych, kotłów, Słońca itp. W takiej sytuacji człowiek może otrzymywać spore ilości ciepła na powierzchni ciała zwróconej do promiennika, tracąc jednocześnie ciepło z drugiej strony, znajdującej się w cieniu. Przykładem jest też wczasowicz wygrzewający się w zimowy, słoneczny dzień na leżaku. Z góry pobiera on ciepło słoneczne, oddając je śniegowi dolną powierzchnią ciała. Mimo że człowiek może w takiej sytuacji utrzymać wyrównany bilans cieplny, to jednak nasuwają się tu zastrzeżenia. Po pierwsze dlatego, że skóra wystawiona na silne promieniowanie może zostać poparzona, a strona ciała znajdująca się w cieniu może ulec niebezpiecznemu ochłodzeniu. Po drugie, przenoszenie ciepła w obrębie ciała, z jednej strony na drugą, wymaga wzmożonego przepływu krwi i obciąża krążenie.

Omówione dotąd sposoby wymiany ciepła między człowiekiem a jego termicznym otoczeniem mają to do siebie, że w zależności od gradientu temperatury ciepło przepływa w jedną lub w drugą stronę. Inaczej mówiąc, człowiek może w ten sposób tracić nadmiar ciepła albo uzupełniać jego niedobór. Na przykład poduszka elektryczna dostarcza ciepła przez przewodnictwo, dmuchawa przez konwekcję, a promiennik przez promieniowanie.

Wiadomo jednak, że człowiek może przez jakiś czas przebywać w warunkach, gdy gradienty temperatury w każdym z wymienionych trzech przypadków są skierowane w jego stronę, a mimo to nie dochodzi do przegrzania organizmu. Jest to możliwe dzięki czwartemu sposobowi oddawania ciepła przez organizm, tzn. przez pocenie i parowanie potu.

Wydzielanie potu i jego parowanie 

Skóra musi się stale adaptować do zmieniających się kształtów ciała. Wymaga to jej znacznej elastyczności, którą zapewnia zawarta w niej woda. Tymczasem skóra jest narażona na bezustanne wysychanie. Utratę wody zmniejsza zbudowana w 60% z keratyny, zrogowaciała warstwa naskórka, pokrytego niewielką ilością łoju. Mimo tej ochrony skóra traci drogą dyfuzji około 300 ml wody na dzień. Woda parując odbiera skórze pewne ilości ciepła, równoważne ciepłu parowania wody, tj. 2,26 kJ · ml^-1. Gdy temperatura wzrośnie powyżej 25 ^oC (rozumowanie dotyczy człowieka przebywającego w zupełnym spoczynku), ilość wydzielanej wody zwiększa się dodatkowo o wydzielanie gruczołów potowych skóry. Mechanizm parowania wydzielanego potu jest najbardziej skutecznym sposobem oddawania ciepła do otoczenia. Pot jest hipotonicznym (0,3%) roztworem NaCl; znaczenie termoregulacyjne ma tylko woda. W krańcowych przypadkach wydzielanie potu przez człowieka dochodzi do 4 l · h^-1. Intensywne pocenie pociąga oczywiście za sobą znaczną utratę wody, niebezpieczną dla zdrowia, a nawet życia. Odwodnieniu można i trzeba przeciwdziałać, dostarczając człowiekowi odpowiedniej ilości wody do picia. Należy jednak pamiętać o tym, że wodę wprowadza się do przewodu pokarmowego, skąd dla spełnienia swej funkcji musi ona przez układ krążenia zostać przeniesiona do skóry. To dodatkowe zadanie obciąża serce, którego częstość skurczów u człowieka pracującego ciężko w wysokiej temperaturze otoczenia dochodzi do 170 min^-1.

W przeciwieństwie do suchych sposobów wymiany ciepła omówionych wcześniej, wymiana ciepła przez wydzielanie potu jest jednokierunkowa, tzn. umożliwia tylko oddawanie nadmiaru ciepła do otoczenia. Możliwe jest jednak przyjmowanie przez organizm ciepła, np. z promiennika, i oddawanie go równocześnie do otoczenia przez pocenie. Parowanie wody, które jest warunkiem niezbędnym dla tego sposobu oddawania ciepła, zależy od dwóch parametrów otaczającego powietrza, tzn. od zawartej w nim pary wodnej, czyli wilgotności, i ciśnienia. W zwykłych warunkach - na powierzchni Ziemi - główną rolę odgrywa pierwszy z tych czynników. W miarę jak wzrasta wilgotność otaczającego powietrza, tzn. jak zwiększa się w nim ilość pary wodnej, w coraz większym stopniu parowaniu potu towarzyszy jego skraplanie. Wskutek tego człowiek przebywający w gorącym i wilgotnym środowisku traci ostatnią możliwość oddawania nadmiaru ciepła.

W takiej sytuacji temperatura ciała wzrasta i jeśli dojdzie do letalnej, spowoduje porażenie cieplne (dla człowieka przebywającego w temp. 15 - 20 ^oC najkorzystniejsza jest wilgotność względna w zakresie 40 ÷ 75%). Jeśli chodzi o ciśnienie powietrza, to ma ono znaczenie tylko w wyjątkowych przypadkach, np. w czasie nurkowania w habitatach podwodnych i komorach dekompresyjnych. Wtłacza się tam mieszaniny gazów pod zwiększonym ciśnieniem (rzędu MPa) celem zrównoważenia parcia otaczającej wody. Zwiększone ciśnienie powietrza ma na parowanie potu podobny wpływ jak zwiększona wilgotność.