теплообмін людини
Теплообмін як двигун торгівлі
Чому людині буває холодно, а жабі навіть на Монблані не потрібен пуховик? Чи зігріє нас гусяча шкіра, і за що виробники одягу повинні дякувати гомеостаз?
Хто з нас, піднімаючись на гору з важенним рюкзаком, що не бурчав з приводу надмірно теплого одягу? А потім, ввечері, не намагався в ній же зігрітися біля вогнища? Чому в одній і тій же куртці може бути і холодно, і жарко, і як на відчуття кліматичного комфорту впливає температура навколишнього повітря або інтенсивність фізичної активності? Про те, чому гріє одяг, ми розповідали в статті «Хто зігріває теплий одяг». У цій статті ми поговоримо про те, чому людина взагалі потребує одязі, і навіщо вона повинна його гріти.
Голландець Вім Хоф (Wim Hof) на прізвисько «Крижана людина» (The Iceman) прославився своєю слабкою чутливістю до холоду. Він встановив кілька рекордів, пов'язаних з тривалістю перебування людини в екстремально холодних умовах. Айсмен провів 72 хвилини в ємності з холодною водою і льодом, зійшов на французький Монблан босоніж і зробив ще безліч «холоднокровних» вчинків, недоступних для більшості простих людей.
На відміну від Віма Хофа, іншу живу істоту - звичайна жаба - на Монблан не забирати, але інші низькотемпературні подвиги здійснює постійно, що, однак, не робить її знаменитою. Можна, звичайно, припустити, що Iceman, на відміну від жаби, досяг успіху в питаннях PR, проте істина в іншому. Жаба, як і багато інших представників тваринного світу і риб, є істотою холоднокровним. Людина, навпаки, належить до досить великий теплокровних групі. Холодно і теплокровні організми пристосовуються до середовища і реагують на зміну температурних умов по-різному.
У XIX столітті французький медик Клод Бернар (Claude Bernard) вивів принципи, які потім лягли в основу теорії гомеостазу. Відповідно до цієї теорії живий організм утворює єдину енергетичну систему з навколишнім середовищем і прагне зберегти сталість свого внутрішнього середовища.
Еволюція запропонувала різні варіанти забезпечення гармонії між організмом і навколишнім середовищем. Наприклад, вже знайома нам жаба холоднокровно вирішила, що температура її тіла буде практично такою ж, як у води і повітря навколо неї. В результаті жаба нормально живе при температурі її власного жаб'ячого тіла від 0 до 25 градусів за Цельсієм. Тварини подібні жабі при сильному зниженні температури здатні впадати в анабіоз - стан, коли життєдіяльність організму сповільнюється майже до повної зупинки. Деякі з таких тварин, наприклад сибірський углозуб, навіть зимують в брилі льоду, замерзаючи до весни разом з водою, в якій вони плавали. Такий спосіб пристосування до умов навколишнього середовища називається конформаційним.
Сибірський углозуб може зимувати в брилі льоду, замерзаючи разом з водою, в якій плавав
Людина, на відміну від жаби, нормально функціонує тільки якщо температура його власного тіла постійна і не змінюється слідом за температурою навколишнього середовища. Цей спосіб адаптації називається регуляторним і досягається за допомогою розвиненої фізіологічної системи терморегуляції, що управляє теплообміном. Ця система стежить за внутрішньою температурою організму людини, і якщо вона відхиляється від нормальних 37 ºС в ту або іншу сторону, то запускаються механізми корекції. Тремтіння на холоді або потіння в спеку - зовнішні прояви роботи таких механізмів.
У обох варіантів гомеостазу є свої переваги і недоліки. Холоднокровні тварини змінюють «стиль життя» в залежності від зовнішніх умов і можуть переносити низькі температури протягом тривалого часу, знижуючи свою активність практично до нуля. Теплокровні, навпаки, витрачають значні сили на підтримання стабільної внутрішньої температури тіла, але це дає їм можливість зберігати звичайну активність при досить широкому діапазоні зовнішніх температур.
теплообмін
Що ж таке теплообмін? До чого всі ці муки з потіння або, навпаки, що приємного в мурашках на шкірі?
Теплообмін - це перенесення тепла від більш нагрітого тіла до менш нагрітого. Такий процес завжди має один напрямок і незворотній. Тобто перенесення тепла від нагрітого праски до штанів можливий, а от штани нагрітого праски передати тепло не зможуть. Процес теплообміну за своїм принципом схожий на поведінку рідини в сполучених посудинах: рідина буде перетікати з однієї судини в іншій доти, поки рівень рідин в двох сполучених посудинах не стане однаковим. Так і тепло передається від більш нагрітого тіла до менш нагрітого до тих пір, поки їх температура не стане однаковою.
Три види теплообміну
Теплообмін прийнято ділити на три види: теплопровідність, променистий теплообмін і конвекція.
1. Теплопровідність - це безпосередній перенесення тепла від більш нагрітого до менш нагрітого. Гаряча кава передає тепло чашці, а чашка - рукам. Це буде відбуватися до тих пір, поки температура напою, чашки і рук не зрівняється. І навпаки, якщо ємність з напоєм холодна (наприклад, фужер з коньяком), то тепло передається в зворотному напрямку - від рук до напою. Саме завдяки теплопровідності хороший коньяк, нагріваючись, стає дуже хорошим.
Холодні вуха - зовсім не ознака дурня. Так влаштований будь-яка людина
Людське тіло віддає своє тепло не тільки коньяку, а й навколишньому середовищу - повітрю або іншим холодних предметів, з якими людина стикається. Різні зони людського тіла роблять це по-різному. Наприклад, верхня частина, особливо голова і шия, віддають багато тепла, а ноги і ділянки тіла з великою кількістю підшкірного жиру - мало. До речі, саме тому вгодовані люди мерзнуть менше худих.
2. Променистий теплообмін - це варіант теплообміну без безпосереднього контакту тел. Так нас гріє сонце або будь-який інший нагріте предмет, навіть не торкаючись до якого, ми можемо сказати, що від нього виходить жар.
Сонце гріє нас на відстані завдяки променистому теплообміну
3. Конвекція - вид теплообміну, здійснюваного рухомими потоками одного і того ж речовини. Завдяки конвекції перемішується вода в стоїть на вогні чайнику. Те ж саме відбувається з теплим повітрям під одягом. Піднімаючись уздовж тіла і виходячи назовні, він поступається місцем повітрю з вулиці, і ми починаємо мерзнути.
Види конвекції в чайнику і туриста
Роль механізмів регуляції теплообміну
Внутрішня температура тіла людини підтримується за рахунок теплопродукції - виробництва тепла в ході обміну речовин і м'язової діяльності. Здоровий організм не помічає цю температуру, але навіть невелике - в половину градуса - її зміна є приводом для того, щоб забратися в ліжко, вимагати тиші, глінтвейну та сплаченого лікарняного листа.
Але не менш важлива для людини і температура середовища її проживання.
Голий чоловік здатний тривало і ефективно функціонувати лише в досить вузькому діапазоні температур навколишнього середовища - в районі 27 ºС. Якщо температура навколишнього середовища піднімається вище 27 градусів, виникає ризик гіпертермії (перегріву). У таких випадках система терморегуляції людини збільшує тепловіддачу за рахунок випаровування вологи, що виробляється потовими залозами. Крім цього здійснюється перерозподіл кровотоку від внутрішніх органів до зовнішньої поверхні тіла.
І навпаки, коли температура навколишнього середовища помітно і тривало опускається нижче 27 градусів, організм включає механізми терморегуляції, які зменшують втрати тепла і збільшують теплопродукцию.
До таких механізмів відносяться:
Тремтіння - швидке мимовільне скорочення м'язів, в процесі якого виділяється тепло для зігріву внутрішніх органів.
Відтік крові від зовнішньої, охолодженої поверхні тіла. Такий відтік не дозволяє крові віддавати тепло, необхідне для роботи внутрішніх органів. Цей ефект проявляється, зокрема, як замерзання пальців рук і ніг.
Гусяча шкіра - мурашки, які викликаються напругою мікромищц, що відповідають за стан волосків на шкірі. У людини ця спадщина предків є класичним атавізмом, але у наших прабатьків ці м'язи піднімали шерсть, збільшуючи висоту волосяного покриву. Це утримувало повітря у шкіри, який як утеплювач зменшував теплові втрати.
Здатність людини підтримувати стабільний стан організму при змінах навколишнього середовища називається гомеостазом.
Людина - істота теплокровна і нормально функціонує лише при внутрішній температурі 37 ºС і зовнішньої 27 ºС.
При зміні цих температур в ту чи іншу сторону включаються механізми природної терморегуляції людського організму, які посилюють або, навпаки, послаблюють теплообмін.
Можливості природної терморегуляції обмежені, і при значній зміні температури навколишнього середовища людина може зіткнутися з проблемами переохолодження або перегріву.