"ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА. ПРИБЛИЖЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЁТЫ ОДЕЖДЫ".

"ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА.

ПРИБЛИЖЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЁТЫ ОДЕЖДЫ".

Работу выполнили ученики

МАОУ СОШ №27 с углубленным

изучением отдельных предметов

9 «М» класса

 Топорков Матвей, Силаев Богдан

Руководитель: учитель физики

Карбовская А.А.

Содержание

1. Тепло – необходимое условие для жизни………………………………..3
2. Особенности процессов жизнедеятельности человека:…………………4

1. Теплопродукция организма и органы теплообразования……………….4

2. Виды теплоотдачи………………………………………………………….5

3. Уравнения теплового баланса организма с окружающей средой………8
4.  Приближенные тепловые расчеты одежды……………………………...9
5. Заключение ……………………………………………………………….11
6. Литература………………………………………………………………...12

I. Тепло – необходимое условие для жизни

Тепло – это не только приятное ощущение, но и необходимое условие для жизни. С теплом, прежде всего у нас связано ощущение летнего солнечного дня, домашнего уюта, комфорта. Особенно сильно мы это чувствуем дождливой осенью или зимой. И  даже в оценке человеческих отношений мы часто используем это понятие, говоря: тепло человеческих отношений, тепло человеческих сердец, тепло человеческих рук.

 Обиходная мера тепла - это ощущение. Для определения состояния предмета мы прикасаемся к нему,  и через доли секунды нервные окончания сообщают, тёплее или холоднее этот предмет, чем наша кожа (её обычная температура 34-36 оС). Такая оценка не точна, многое здесь зависит от состояния нашего организма. В чем же секрет процессов протекающих внутри нашего организма?

Человек издревле обитает в различных районах нашей планеты, температурные различия между которыми превышают 100 °С. Ежегодные и даже ежесуточные температурные перепады также могут быть очень велики и составлять соответственно 50–60 и 10–20 °С.

Следовательно, проблема защиты от внешних температурных воздействий и физиологической адаптации к ним всегда была актуальной.

Цель данной работы – изучить особенности физических процессов, протекающих внутри нашего организма, проанализировать тепловые расчеты одежды, исследовать теплопроводности текстильных материалов в условиях школьного физического кабинета.

Для выполнения этой цели мы поставили перед собой следующие задачи:
1) изучить теоретическую основу понятия теплопроводности;
2)Исследовать теплопроводность текстильных материалов используемых
3)экспериментально определить коэффициент теплоизоляции текстильных материалов.

Для изучения данной темы мы использовали следующие методики:
1)изучение литературы с теорией для нашей темы;
2)проведение опытов, построение таблиц и графиков;

II. Особенности процессов жизнедеятельности человека

1. Теплопродукция организма и органы теплообразования.

Фактическое изучение терморегуляции и биоэнергетики началось в конце XVIII в., когда Лавуазье и Лаплас обнаружили у животных непрерывное выделение тепла. Теперь хорошо известно, что ни одно явление в живом организме не происходит без выделения тепла. Процессы жизнедеятельности человека сопровождаются непрерывным теплообразованием в его организме и отдачей образованного тепла в окружающую среду.

Организм человека – это саморегулируемая система, с внутренним источником тепла, в которой в нормальных условиях теплопродукция – количество образованного тепла – равна количеству тепла, отданного во внешнею среду – теплоотдаче.

Терморегуляция – это физиологическая функция, обеспечивающая поддержание постоянства температуры внутренней среды организма посредством регулирования интенсивности его теплообмена с внешней средой в постоянно меняющихся условиях. Тепло непрерывно образуется во всех клетках живого организма при обмене веществ. Энергия пищевых веществ в конечном счете переходит в тепловую. Участие различных тканей и органов в общей теплопродукции организма определяется их массой и интенсивностью обмена. В покое около 50% всего тепла образуется в органах брюшной полости (главным образом в печени), 20% в скелетных мышцах, 20% в центральной нервной системе и около 10% при работе органов дыхания и кровообращения.

 Распределение тепла в теле неравномерно и постоянную температуру (у человека порядка 37,5°С с суточными колебаниями в пределах 1°) имеют лишь органы брюшной полости, мозг, сердце, кровь в крупных артериях и мышцы, расположенные в глубине тела. Температура периферических тканей (кожа, подкожная клетчатка, значительная часть скелетной мускулатуры) значительно ниже и колеблется в широких пределах

Существуют два пути передачи тепла от внутренних органов к периферическим тканям: прямая теплопроводимость и тепломассоперенос кровью. Важно отметить, если теплопроводность зависит от состава и плотности тканей и не поддается физиологической регуляции, то тепломассоперенос кровью, напротив, является важнейшей физиологически регулируемой величиной. Она зависит от объемной и линейной скорости кровотока в сосудах, его направления, от температурной разности между тканями и кровью, от калибра кровеносных сосудов, где совершается теплообмен

Тепловое равновесие между организмом человека и окружающей его средой – это условие комфорта; оно зависит от температуры окружающей среды: стен и поверхностей, окружающих предметов, скорости движения воздуха, влажности воздуха, характера одежды и величины теплопродукции человека. А эта величина, в свою очередь, зависит от возраста, пола человека, его питания, мышечной деятельности и других факторов. Например, с понижением температуры внешней среды, с приемом пищи и следующими за ним процессами пищеварения, при мышечной работе теплопродукция увеличиваются для достижения теплового равновесия с окружающей средой в результате усиления химических реакций обмена.

Количество энергии, расходуемое организмом человека при полном мышечном покое, до приема пищи при полном мышечном покое, до приема пищи при температуре внешней среды, соответствующей минимальной активности механизма терморегуляции, – это основной (стандартный) обмен. Основной обмен, вычисляемый в калориях на единицу веса или единицу поверхности тела, зависит от функционального состояния организма, от пола, возраста, веса. Основной обмен у лиц одинакового пола, роста, веса и возраста приблизительно одинаков и колеблется в 10-15%.

Экспериментально теплопродукцию человека обычно определяют методом калориметрии.

Тепло в организме человека (в клетках) образуется в процессе сложных биохимических реакций (окисление), биологического обмена веществ. Органом теплообразования является весь организм в целом, работающий на основе, безусловно, рефлекторных механизмов – в состоянии покоя и рефлекторно – при мышечной деятельности.

Теплопродукция и теплоотдача обусловлены деятельностью центральной нервной системы, регулирующей обмен веществ, кровообращение, потоотделение и деятельность скелетных мышц.

2. Виды теплоотдачи.

Теплоотдача – процесс отдачи тепла организмом человека осуществляется:

• теплопроводностью (кондукцией);
• конвекцией (проведением);
• радиацией (излучением);
• дыханием и испарением пота и влаги в легких.

Некоторое количество тепла затрачивается на нагревание пищи и воды во время пищеварения, нагревание воздуха в легких. Так, у человека в условиях температурного комфорта, при 20°С температуры воздуха и относительной влажности 40–60 %, излучением отводится 54 ккал/ч, проведением – 26 ккал/ч и испарением – 23 ккал/ч.

Теплообмен человека при выполнении различных видов физической работы значительно меняется, например, значительно увеличиваются теплопотери испарением.

Теплопроводность

Теплопроводностью (кондукцией) осуществляется теплопередача от поверхности тела человека к соприкасающимся с ним твердым предметам или материалам внешней среды.

Перенос тепла в этом случае происходит по Закону Фурье:

Qконд. = K • S(t1 - t2)  [ккал/ч]

Qконд. – количество теплоты отданного кондукцией;

S– площадь поверхности соприкосновения человека с предметом, м2;

t1 – температура поверхности тела, 0С;

t2 – температура поверхности тела соприкосновения, 0С;

K – коэффициент теплопередачи

Теплопередача - кондукцией через воздух составляет очень незначительную величину, так как коэффициент теплопроводности неподвижно воздуха К = 83 ·10-5 ккал/см • сек • ч • град.

Конвекция

Конвекцией осуществляется передача тепла с поверхности тела или одежды человека движущемуся около него воздуху. В общем, балансе

тепловых потерь теплопередача конвекцией составляет значительную долю (свыше 25-30%).

Для расчетов теплоотдачи конвекцией можно использовать уравнение Н.К.Витте

Q1 = 0,10 (0,5 + √v) • S • (tВ - tП)                для v ≤ 0,6 м/сек

Q2 = 0,12 (0,273 + √v) • S • (tВ - tП)            для v > 0,6 м/сек

Q1, Q2 – теплоотдача конвекцией;

v – скорость движения воздуха, м/сек;

S – площадь поверхности  тела человека, участвующая в теплообмене, м2;

tв – температура воздуха, 0С;

tп – температура (средняя) поверхности кожи, 0С.

Радиация (излучение)

Теплоотдача радиацией – это передача тепла в форме лучистой энергии с поверхности тела человека на окружающие поверхности, имеющее более низкую температуру, или в окружающее пространство. Количество тепла, отдаваемого излучением, зависит от температуры поверхности тела (одежды), температуры окружающих тело стен и поверхностей, их способности излучать тепло, величины площади тела и окружающих поверхностей, расстояния и взаимного расположения тела и окружающих его поверхностей. Теплоотдача излучением в состоянии покоя человека составляет 43-50% всей потери тепла.

Излучение человеческого тела характеризуется длиной волны от 5 до 40 мкм, а кожа человека поглощает инфракрасные лучи как абсолютно черное тело.

Количество тепла, излученного единицей поверхности тела в единицу времени, определяется по закону Стефана-Больцмана:

Qрад = C • S • [(273-tn/100)4 - (273+tо/100)4]       [ккал/ч]

С – коэффициент взаимной радиации, ккал/м2 • ч • град;

S – площадь излучающей поверхности тела человека, м2;

tn – температура поверхности тела и одежды, 0С;

to –температура окружающих поверхностей, 0С.

Этот закон показывает, что интенсивность излучения резко возрастает с повышением температуры поверхности тела.

В помещении теплоотдачу радиацией определяют по формуле Н.Витте:

QР = 0,093 • S • (tСТ - tТ)             [ккал/мин]

Qр – теплоотдача радиацией, ккал/мин;

S– площадь излучающей поверхности тела человека, м2;

tст –  температура стен;

tт – средневзвешенная температура тела.

В теплообмене человека конвекцией и радиацией принимает участие в среднем 75% всей поверхности тела.

Испарение с поверхности тела человека

При испарении пота у организма человека отнимается тепло, являющееся скрытой теплотой парообразования. Процесс теплоотдачи испарением с поверхности кожи и легких человека в условиях комфорта составляет 23-25% всей теплоотдачи.

Количество тепла, отдаваемого с поверхности тела испарением, определяется уравнением:

Qn = λB • W • S  (Pн – Pо)       [ккал/ч]

S– часть площади поверхности тела, покрытая потом, м2;

W – коэффициент увлажнения кожи ≈ 0,2-1;

Pн – парциальное давление водяного пара в насыщенном воздухе над кожей, мм рт.ст.;

Pо – парциальное давление водяного пара в окружающем воздухе, мм рт. ст.;

λB – коэффициент перехода тепла во внешнюю среду при испарении пота (ккал/м2 • ч • мм),

-  для одетого человека λB = 1,25К, где К – коэффициент теплопередачи,

-  для неодетого λB = 10,45 + 8,7v, где v – скорость воздуха.

Как видно из уравнения, количество испаряющегося пота зависит от скорости движения воздуха, величины поверхности тела, покрытой потом, и от разности парциальных давлений (Pн – Pо); которая меняется в зависимости от температуры и относительной влажности воздуха. Интенсивность выделения водяных паров с поверхности кожи человека резко возрастает и при интенсивной мышечной деятельности человека.

При приближенных расчетах считают, что количество тепла, отдаваемого с поверхности кожи испарением, в основном зависит от количества испаренной влаги и от температуры кожи.

Теплоотдача в процессе дыхания: нагревание воздуха и испарение влаги

Количество тепла, отдаваемого телом человека на нагревание воздуха в легких, зависит от количества прошедшего воздуха и его температуры при входе и выходе. А количество тепла, отдаваемого на испарение влаги, зависит от количества воздуха, прошедшего через легкие при дыхании и от содержания влаги во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе. Оно определяется по формуле

Q = 0,001 mp

р – удельная теплота испарения воды, ккал/ч;

         m – количество влаги, испаренной в легких за 1ч, ккал/ч; определяемое разностью содержания влаги во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе.

III. Уравнение теплового баланса организма

с окружающей средой

В процессе постоянного обмена веществ в организме человека в результате распада сложных химических соединений освобождается энергия. Она превращается в тепловую, электрическую и механическую энергии и обеспечивает протекание всех форм деятельности организма. Учитывая  закон  сохранения энергии -  энергетический баланс организма человека с физической точки зрения,  может быть описан уравнением:

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

M – энергия, вырабатываемая в организме человека (теплопродукция), ккал/час;

J – адсорбция тепла радиацией, ккал/ч.

Qрад. – потери тепла радиацией (излучение), ккал/ч;

Qконв. – потеря тепла теплопроводностью и конвекцией;

Qисп. – потеря тепла испарением влаги с кожи и верхних дыхательных путей, ккал/ч;

Qдых. – потеря тепла на нагрев вдыхаемого воздуха, ккал/ч;

 Z – тепло, которое расходуется на механическую работу;

Теплопродукция организма (производимое тепло) в состоянии покоя составляет для «стандартного человека» (масса 70 кг, рост 170 см, поверхность тела 1,8 м 2) до 283 кДж в час. При легкой физической работе – более 283 кДж в час, при работе средней тяжести – до 1256 кДж в час и при тяжелой – 1256 и более кДж в час ( учтен перевод: 1 калория (кал) = 4.1868 Дж)

IV. Тепловые расчеты одежды

Основное назначение одежды – это защита организма человека от неблагоприятных воздействий внешней среды (ветер, туман, дождь и др.) и обеспечение теплового комфорта, который является условием нормальной жизнедеятельности человека. Одним из условий создания одежды высокого качества (соответствующей условиям деятельности человека) является учёт гигиенических требований к ней. Качественная, в физиолого-гигиеническом отношении, одежда сохраняет хорошее самочувствие и работоспособность человека, уменьшает его заболеваемость.

Необходимое условие сохранения длительного теплового комфорта – поддержание теплового баланса, который достигается путем терморегуляции организма и применения требуемой для данных условий одежды с искусственно регулируемым микроклиматом пододежного воздуха, характеризующегося температурой и влажностью. Основной же показатель теплового комфорта человека – это средневзвешенная температура поверхности тела (кожи), которая приблизительно одинакова для всех видов деятельности человека (≈330С – для кожи, покрытой одеждой). При этом учитывается, что пододежное пространство систематически вентилируется в связи с выделением кожи человека испарений влаги и углекислоты, которые должны удаляться.

Учитывая І закон термодинамики, закон сохранения энергии, тепловой баланс тела человека можно выразить ещё одним  уравнением, более удобным для тепловых  расчетов одежды:

M = Q + Q׀ + Z + E + A

М – теплопродукция, ккал/ч;

Q – теплоотдача через кожу, покрытую одеждой;

Q׀ – теплоотдача через кожу, не покрытую одеждой;

Е – теплоотдача через дыхательные пути;

Z – потеря тепла на механическую работу;

А – накопление энергии в виде теплоты в организме (внутри).

Величины Q׀ и А незначительны, поэтому в приближенном расчете исключаются: M = Q + Z + E

Величины Z и Е составляют некоторые доли от М: Z = х М, Е = у М, где х, у – правильные дроби, показывающее тепло, теряемое в результате внешней механической работы (х) и при дыхании (у).

Таким образом, получаем полное количество тепла, которое проходит сквозь одежду

Q = М (1 - х - у)

Полагая, что х ≈ 0,20, у ≈ 0,24 при длительной работе, получим

Q =  0,56М или Q = qS, где

q –тепловая нагрузка одежды;

S – поверхность кожи человека, м2;

Ещё для проектирования одежды важным является то, что человек может испытывать комфортные ощущение и при некотором нарушении теплового равновесия. Это результат существования "резерва" тепла организма человека, который используется им в случае охлаждения (1272 - 2448 ккал) и находится во внешних слоях тканей организма, на глубине 2-3 см от кожи. Величина его зависит от веса человека и температуры тела:

D = CP (0,7tm + 0,3tК)

D – дефицит тепла в организме, ккал;

C – удельная теплоемкость тела человека, равная в среднем 0,83 ккал/кг0С

P – вес тала человека, кг;

tт – температура тела в 0С;

tк – температура кожи в 0С.

Проведенный тепловой расчет одежды относится только к установившемуся тепловому режиму организма и стационарным внешним условиям, он исключает период адаптации и относится только к длительной работе, а не к кратким усилиям (длительность исчисляется минутами).

V. Исследование теплопроводности различных материалов.

Оборудование: Мерные цилиндры с теплой водой, экспериментальные материалы, термометры , штангенциркуль.
Ход работы: Обернуть измерительные цилиндра материалом. Налить в них, а так же в не обернутый мерный цилиндр теплой воды равной температуры. Через равные промежутки времени замерять температуру воды во всех сосудах и заносить показания в таблицу.

1.Исследовали на теплопроводность два вида ватина:

Теплопроводность ватина почти одинакова, но надо учесть, что серый ватин толще.

2. Мы исследовали теплопроводность синтепона разной толщины.

График показывает, что теплопроводность толстого синтепона на много меньше, чем у тонкого.
Таким образом, мы убедились, что в условиях школьной физической лаборатории можно произвести сравнительный анализ текстильных тканей.

VI  Вычисление коэффициент теплоизоляции ватина и синтепона.

С учетом данных эксперимента  мы рассчитали коэффициент теплоизоляции. В нашем эксперименте мощность, которую задерживает материал.

P=Q1 – Q2/t    

  χ = (Q1-Q2)*h/t*SΔT

Q1-количество теплоты, отданное водой в мерном цилиндре без «одёжки», за время t; 
Q2-количество теплоты отданное водой в мерном цилиндре с «одёжкой», за время t;
χ - коэффициент теплоизоляции
S — площадь образца ткани;
h- расстояние между гранями.

Вычисление коэффициента теплоизоляции чёрного ватина.

S=117 см2    h=0.5 см , m= 0.12 кг  ΔT=22.2°С-21.2°С=1°С

Q1=c m Δt=4200*0.12*(38-36) =1008(Дж)
Q2=4200*0.12*(38.5-37) =756(Дж)

χ=(1008-756)*0.005/(300*0.0117*1)= 0.36(Вт/м*К)

Вычисление коэффициента теплоизоляции светлого ватина.

S=117 см2    h=0.6 см , m= 0.14 кг  ΔT=22.2°С-21.2°С=1°С

Q1=c m Δt=4200*0.14*(38-36) =1176(Дж)
Q2=4200*0.14*(39.5-38) =882(Дж)

χ=(1176- 882 )*0.006/(300*0.0117*1)= 0.5(Вт/м*К)

Вычисление коэффициента теплоизоляции тонкого синтепона.

S=273 см2    h=0.4 см , m= 0.10 кг  ΔT=22.2°С-21.2°С=1°С

Q1=c m Δt=4200*0.10*(29-28) =420(Дж)
Q2=4200*0.10*(30,5-29.7) =336(Дж)

χ=(420- 336 )*0.004/(300*0.0273*1)= 0.04(Вт/м*К)

Вычисление коэффициента теплоизоляции толстого синтепона.

S=273 см2    h=1.3 см , m= 0.14 кг  ΔT=22.2°С-21.2°С=1°С

Q1=c m Δt=4200*0.14*(29-28) =588(Дж)
Q2=4200*0.14*(30,5-29.3) =705,6(Дж)

χ=(705,6 - 588 )*0.013/(300*0.0273*1)= 0.19(Вт/м*К)

По результатам вычислений наибольший коэффициент теплоизоляции  у чёрного ватина. Однако на сегодняшний день использование данного утеплителя сведено почти на нет,  а из  современных материалов широко применяется  на практике толстый синтепон.

VII. Заключение

Изучив особенности физических процессов, протекающих внутри нашего организма и проанализировав тепловые расчеты одежды, исследовав теплопроводности текстильных материалов в условиях школьного физического кабинета, для себя мы ответили, что проектирование комфортной одежды, которая в состоянии обеспечить тепловое равновесие организма при различных условиях труда и климата, представляет важную, но практически очень сложную задачу.

VIII. Литература

     1.    А.В.Бялко   «Тепло твоих рук» научно-популярный журнал

 «Квант» 1999.

     2.  П.А.Колесников. "Теплозащитные свойства одежды". Издательство "Легкая индустрия". Москва, 1965.

     3. Р.Г.Рахимов, И.А.Дмитричева. "Гигиена одежды. Лабораторно-практические работы. Методические указания". Киев, 1980.

    4. А.П.Рыженков «Физика. Человек .Окружающий мир.» Москва «Просвещение» 1998.

    5.    В.С.Эдельман  «Эта простая теплоёмкость»  научно-популярный журнал  «Квант» 1995.