Теплообразование и терморегуляция человеческого организма

Нарушения терморегуляции организма: причины, симптомы и лечение

Нарушением терморегуляции называют внезапные изменения температуры тела или отклонения от нормы в 36,6 градусов по Цельсию.

Причинами температурных колебаний могут стать как внешние факторы, так и внутренние, например, заболевания.

Специалисты различают следующие нарушения терморегуляции:

• озноб;
• озноб при гиперкинезе (непроизвольных мышечных сокращениях);
• гипотермия (переохлаждение организма). Гипотермии посвящена отдельная статья на нашем сайте;
• гипертермия (перегрев организма).

Причин нарушений терморегуляции множество, самые распространенные из них приведены ниже:

• Приобретенный или врожденный дефект гипоталамуса (если проблема в этом, то перепады температуры могут сопровождаться сбоями в работе желудочно-кишечного тракта, органов дыхания, сердечно-сосудистой системы).
• Перемена климата (как внешний фактор).
• Злоупотребление алкогольными напитками.
• Следствие процессов старения.
• Психические расстройства.
• Вегетососудистая дистония (на нашем сайте вы можете прочитать о температурных перепадах при ВСД).

В зависимости от причины, перепады температуры могут сопровождаться различными симптомами, частыми из которых являются лихорадка, головная боль, потеря сознания, сбои в работе пищеварительной системы, ускоренное дыхание.

При нарушениях регуляции температуры организмом нужно обратиться к неврологу. Основные принципы лечения данной проблемы заключаются в:

• приеме препаратов, воздействующих на эмоциональное состояние пациента (если причина в расстройствах психики);
• приеме препаратов, оказывающих влияние на деятельность центральной нервной системы;
• приеме лекарств, способствующих усиленной теплоотдаче в сосудах кожи;
• общей терапии, в которую входит: физическая активность, закаливание, здоровое питание, прием витаминов.

Три вида теплообмена

Теплообмен принято делить на три вида: теплопроводность, лучистый теплообмен и конвекция.

1. Теплопроводность — это непосредственный перенос тепла от более нагретого к менее нагретому. Горячий кофе передает тепло чашке, а чашка — рукам. Это будет происходить до тех пор, пока температура напитка, чашки и рук не сравняется. И наоборот, если емкость с напитком холодна (например, фужер с коньяком), то тепло передается в обратном направлении — от рук к напитку. Именно благодаря теплопроводности хороший коньяк, нагреваясь, становится очень хорошим.

Холодные уши — вовсе не признак дурака. Так устроен любой человек

Человеческое тело отдает свое тепло не только коньяку, но и окружающей среде — воздуху или другим холодным предметам, с которыми человек соприкасается. Различные зоны человеческого тела делают это по-разному. Например, верхняя часть, особенно голова и шея, отдают много тепла, а ноги и участки тела с большим количеством подкожного жира — мало. Кстати, именно поэтому упитанные люди мерзнут меньше худых.

2. Лучистый теплообмен — это вариант теплообмена без непосредственного контакта тел. Так нас греет солнце или любой другой нагретый предмет, даже не прикасаясь к которому, мы можем сказать, что от него исходит жар.

Солнце греет нас на расстоянии благодаря лучистому теплообмену

3. Конвекция — вид теплообмена, осуществляемого движущимися потоками одного и того же вещества. Благодаря конвекции перемешивается вода в стоящем на огне чайнике. То же самое происходит с теплым воздухом под одеждой. Поднимаясь вдоль тела и выходя наружу, он уступает место воздуху с улицы, и мы начинаем мерзнуть.

Виды конвекции в чайнике и туристе

Теплообмен человека с окружающей средой уравнение теплового баланса

Московский энергетический институт (ТУ)

Кафедра инженерной экологии и охраны труда

Учебно-методический комплекс

2. Физиологическое действие метеорологических условий на человека

А. Теплообмен человека с окружающей средой

Теплообмен между человеком и окружающей средой осуществляется: конвекцией в результате омывания тела воздухом, теплопроводностью, излучением на окружающие предметы и в процессе тепломассообмена при испарении влаги, выводимой на поверхность кожи потовыми железами и при дыхании.

Количество тепла, отдаваемого организмом каждым из этих путей, зависит от параметров микроклимата на рабочем месте.

Величина и направление конвективного теплообмена человека с окружающей средой определяется в основном температурой окружающей среды, атмосферным давлением, подвижностью и влагосодержанием воздуха. Теплопроводность тканей человека мала, поэтому основную роль в процессе транспортирования теплоты внутри организма играет конвективная передача с потоком крови.

Теплопроводность сухого воздуха мала, поэтому теплоотдача через соприкосновение человека с воздухом также мала. Более интенсивно идет обмен теплом при соприкосновении человека с не нагретыми поверхностями, но, как правило, поверхность соприкосновения в этом случае незначительна.

Лучистый поток при теплообмене излучением тем больше, чем ниже температура окружающих человека поверхностей. Излучение тепла происходит в окружающую среду, если в ней температура ниже температуры поверхности одежды (27-30 о С) и открытых частей тела (33,5 о С). При высоких температурах (30 — 35 о С) окружающей среды теплоотдача излучением полностью прекращается, а при более высоких температурах теплообмен идет в обратном направлении — от окружающей поверхности к человеку.

Количество теплоты, отдаваемой в окружающий воздух с поверхности тела при испарении пота, зависит как от температуры воздуха и интенсивности работы, так и от скорости окружающего воздуха и его относительной влажности.

Количество теплоты, выделяемой человеком с выдыхаемым воздухом, зависит от его физической нагрузки, влажности, и температуры вдыхаемого воздуха.

Комфортные условия для организма человека обеспечиваются при соблюдении теплового баланса.

Уравнение теплового баланса для организма человека за определенный период времени может быть представлено в следующем виде:

M +S ± R ± C ± P — E = 0,

где M — тепло процессов метаболизма, полученное из химических субстратов пищи, подвергшихся расщеплению в клетках; S — накопленное организмом тепло; R, C, P — тепло отданное (со знаком -) или полученное (со знаком +) путем излучения, конвекции, теплопередачи; E — тепло, отданное за счет испарения.

Если тепловой баланс не будет поддерживаться, то дополнительное тепло, полученное различными путями, приведет к повышению температуры тела, а недостаток тепловой энергии — к его охлаждению. В обоих случаях создаются неблагоприятные условия для функционирования клеток организма, которые при превышении определенных температурных границ внутри тела начинают погибать.

Тепловой баланс любого тела определяется соотношением между теплом, которое оно получает, и теплом, которое оно отдает.

Величина тепловыделения организмом человека зависит от степени физического напряжения и составляет от 75 ккал/ч в состоянии покоя до 430 ккал/ч при тяжелой работе. Для комфортных условий работы необходимо, чтобы тепловыделение организма равнялось его теплоотдаче, при этом температура внутренних органов человека остается постоянной (около 36,6 о С).

Таким образом, тепловое самочувствие человека, или тепловой баланс в системе человек – среда обитания зависит от температуры среды, подвижности и относительной влажности воздуха, атмосферного давления, температуры окружающих предметов и интенсивности физической нагрузки.

Гомеостаз

В XIX веке французский медик Клод Бернар (Claude Bernard) вывел принципы, которые затем легли в основу теории гомеостаза. Согласно этой теории живой организм образует единую энергетическую систему с окружающей средой и стремится сохранить постоянство своей внутренней среды.

Эволюция предложила разные варианты обеспечения гармонии между организмом и окружающей средой. Например, уже знакомая нам лягушка хладнокровно решила, что температура ее тела будет практически такой же, как у воды и воздуха вокруг нее. В результате лягушка нормально живет при температуре ее собственного лягушачьего тела от 0 до 25 градусов по Цельсию. Животные подобные лягушке при сильном понижении температуры способны впадать в анабиоз — состояние, когда жизнедеятельность организма замедляется почти до полной остановки. Некоторые из таких животных, например сибирский углозуб, даже зимуют в глыбе льда, замерзая до весны вместе с водой, в которой они плавали. Такой способ приспособления к условиям окружающей среды называется конформационным.

Сибирский углозуб может зимовать в глыбе льда, замерзая вместе с водой, в которой плавал

Человек, в отличие от лягушки, нормально функционирует только если температура его собственного тела постоянна и не изменяется вслед за температурой окружающей среды. Этот способ адаптации называется регуляторным и достигается с помощью развитой физиологической системы терморегуляции, управляющей теплообменом. Эта система следит за внутренней температурой организма человека, и если она отклоняется от нормальных 37 ºС в ту или другую сторону, то запускаются механизмы коррекции. Дрожание на холоде или потение в жару — внешние проявления работы таких механизмов.

У обоих вариантов гомеостаза есть свои преимущества и недостатки. Холоднокровные животные меняют «стиль жизни» в зависимости от внешних условий и могут переносить низкие температуры в течение длительного времени, снижая свою активность практически до нуля. Теплокровные, наоборот, тратят значительные силы на поддержание стабильной внутренней температуры тела, но это дает им возможность сохранять обычную активность при довольно широком диапазоне внешних температур.

Теплоизлучение и теплопроведение. Роль конвекции в теплообмене

а) Основные физические способы отдачи тепла с поверхности тела. Различные способы отдачи тепла с поверхности кожи окружающей среде представлены на рисунке ниже.

Механизмы теплоотдачи

Они включают теплоизлучение, теплопроведение и испарение.

б) Теплоизлучение. Как показано на рисунке выше, обнаженный человек, сидящий при нормальной комнатной температуре, 60% тепла отдает с помощью теплоизлучения.

Потеря тепла посредством теплоизлучения означает теплоотдачу с помощью инфракрасного излучения, — разновидности электромагнитных волн. Большая часть инфракрасного излучения, испускаемого телом человека, обладает длиной волны от 5 до 20 мкм, т.е. в 10-30 раз большей, чем длина волны луча света. Температура любых предметов окружающей среды не равна абсолютному нулю, поэтому они тоже испускают такое излучение. Тепловые лучи испускают стены комнаты и находящиеся в ней предметы по направлению к телу человека. Тело человека путем инфракрасного излучения отдает тепло во всех направлениях. Если температура тела выше температуры окружающих предметов, тело отдает большее количество тепла, чем получает.

в) Теплопроведение. Как показано на рисунке выше, только небольшое количество тепла (около 3% в норме) отдается телом непосредственно путем теплопроведения от поверхности тела к твердым предметам, таким как стул или кровать. Однако теплоотдача путем проведения через воздух вполне сопоставимо количественно с общими потерями тепла телом (около 15%) даже в обычных условиях.

Напомним, что тепло представляет собой кинетическую энергию молекулярного движения и молекулы кожи постоянно совершают колебательные движения. Большая часть энергии этого движения может передаваться воздуху, если температура воздуха ниже, чем температура кожи, посредством увеличения скорости движения молекул воздуха. Если температура окружающего воздуха и температура кожи одинаковы, дальнейшая теплоотдача таким способом становится невозможной, поскольку количество тепла, отдаваемое телом воздуху, становится равным количеству тепла, отдаваемого воздухом коже. Таким образом, теплопроведение от тела воздуху ограничивается, когда нагретый воздух не уносится от кожи, а холодный — прекращает поступать. Этот феномен получил название конвекции воздуха.

г) Конвекция. Теплоотдачу посредством смещения воздушного потока обычно называют теплоотдачей путем конвекции. В действительности тепло должно сначала передаваться воздуху и только затем уноситься потоком воздуха.

Незначительная конвекция вблизи тела существует всегда, поскольку нагретый вокруг тела воздух поднимается вверх. Именно поэтому обнаженный человек, сидящий в комнате без сквозняков, 15% тепла отдает воздуху путем конвекции.

д) Охлаждающий эффект ветра. Если дует ветер, слои воздуха в непосредственной близости от кожи замещаются новыми потоками воздуха гораздо быстрее, чем обычно. Соответственно тепло путем конвекции отдается быстрее. Охлаждающий эффект ветра при его низкой скорости почти пропорционален квадратному корню скорости ветра. Например, охлаждающий эффект ветра, скорость которого равна 6,5 км/ч, почти в 2 раза превышает таковой у ветра, скорость которого равна 1,6 км/ч.

ж) Теплопроведение и отдача тепла путем конвекции при пребывании человека в воде. Теплоемкость воды в несколько тысяч раз превосходит теплоемкость воздуха, поэтому каждая единица объема воды по соседству с кожей может абсорбировать гораздо больше тепла, чем такая же единица объема воздуха. Кроме того, теплопроводность воды по сравнению с теплопроводностью воздуха очень высока, следовательно, невозможно нагреть тонкий слой воды по соседству с телом и сформировать «изолирующую зону», как это бывает в воздухе. В связи с этим скорость отдачи тепла в воде во много раз выше, чем в воздухе.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Механизмы терморегуляции

Физиологические механизмы

Механизмы регулирования температуры варьируются в зависимости от типа получаемого стимула, то есть от того, идет ли речь о повышении или понижении температуры. Поэтому мы будем использовать этот параметр, чтобы установить классификацию механизмов:

Регулирование для высоких температур

Чтобы добиться регуляции температуры тела от тепловых раздражителей, организм должен способствовать ее потере. Есть несколько механизмов:

расширение кровеносных сосудов

У людей одной из самых ярких характеристик кровообращения является широкий спектр кровеносных сосудов. Кровообращение в коже имеет свойство сильно варьироваться в зависимости от условий окружающей среды и изменяться от сильных до слабых кровотоков..

Способность вазодилатации имеет решающее значение в терморегуляции людей. Высокий кровоток в периоды повышенной температуры позволяет организму увеличить передачу тепла от ядра тела к поверхности кожи, чтобы окончательно рассеяться.

Когда кровоток увеличивается, объем крови в свою очередь увеличивается. Таким образом, большее количество крови передается от ядра тела к поверхности кожи, где происходит теплообмен. Кровь, теперь более холодная, возвращается в ядро ​​или центр тела..

пот

Наряду с вазодилатацией, образование пота имеет решающее значение для терморегуляции, поскольку помогает рассеиванию избыточного тепла. На самом деле, производство и последующее испарение пота являются основными механизмами организма, чтобы терять тепло. Они также действуют во время физической активности.

Пот представляет собой жидкость, вырабатываемую потовыми железами, называемыми эккринными, и распределяется по всему телу со значительной плотностью. Испарение пота позволяет передавать тепло тела в окружающую среду в виде водяного пара..

Регулирование для низких температур

В отличие от механизмов, упомянутых в предыдущем разделе, в ситуациях падения температуры организм должен способствовать сохранению и выработке тепла следующим образом:

вазоконстрикция

Эта система следует противоположной логике, описанной в вазодилатации, поэтому мы не будем подробно останавливаться на объяснениях. Холод стимулирует сокращение кожных сосудов, тем самым избегая рассеивания тепла.  

пилоэрекция

Задумывались ли вы, почему появляются «мурашки по коже», когда мы сталкиваемся с низкими температурами? Это механизм предотвращения потери тепла, называемый пилоэрекцией. Однако, поскольку у людей относительно мало волос в нашем теле, это считается плохо рудиментарной системой.

Когда происходит возвышение каждого волоска, слой воздуха, который вступает в контакт с кожей, увеличивается, что уменьшает конвекцию воздуха. Это уменьшает потерю тепла.

Производство тепла

Наиболее интуитивный способ противодействия низким температурам — это производство тепла. Это может происходить двумя способами: дрожащим и не дрожащим термогенезом..

В первом случае организм производит быстрые и непроизвольные мышечные сокращения (поэтому вы дрожите, когда вам холодно), которые приводят к выработке тепла. Дрожащее производство стоит дорого, если говорить энергетически, поэтому организм прибегнет к нему, если вышеперечисленные системы выйдут из строя..

Вторым механизмом руководит ткань, называемая коричневым жиром (или коричневая жировая ткань, в английской литературе она обычно обобщается под аббревиатурой BAT: коричневая жировая ткань).

Эта система отвечает за разделение производства энергии в процессе обмена веществ: вместо образования АТФ она приводит к выработке тепла. Это особенно важный механизм у детей и мелких млекопитающих, хотя самые последние данные свидетельствуют о том, что он также актуален у взрослых.

Этологические механизмы

Этологические механизмы состоят из всех видов поведения, демонстрируемых животными для регулирования их температуры. Как мы упоминали в примере с рептилиями, организмы могут быть помещены в благоприятную среду, чтобы способствовать или избежать потери тепла.

Различные части мозга участвуют в обработке этого ответа. У людей эти формы поведения эффективны, хотя они и не регулируются так, как физиологические.

Физиология терморегуляции

Как и любая система, физиологическая регуляция температуры тела требует наличия афферентной системы, центра управления и эфферентной системы..

Первая система, афферентная, отвечает за сбор информации с помощью кожных рецепторов. Впоследствии информация передается в терморегуляторный центр через кровь через нервную систему..

При нормальных условиях органы тела, которые выделяют тепло, — это сердце и печень. Когда тело выполняет физическую работу (упражнения), скелетная мышца также является тепловыделяющей структурой.

Гипоталамус является терморегуляторным центром, и задачи делятся на потерю тепла и прирост. Функциональная зона, обеспечивающая поддержание тепла, расположена в задней зоне гипоталамуса, в то время как потеря опосредуется передней областью. Этот орган работает как термостат.

Управление системой происходит двойное: положительное и отрицательное, опосредованное корой головного мозга. Эффекторные ответы относятся к поведенческому типу или опосредованы вегетативной нервной системой. Эти два механизма будут изучены позже.

Основные понятия: тепло и температура

Чтобы говорить о терморегуляции у животных, необходимо знать точное определение терминов, которые часто путают студентов.

Понимание разницы между температурой и температурой необходимо для понимания терморегуляции животных. Мы будем использовать неодушевленные тела, чтобы проиллюстрировать разницу: вспомним два металлических кубика, один из которых в 10 раз больше другого.

Каждый из этих кубиков находится в комнате при температуре 25 ° С. Если мы измерим температуру каждого блока, оба будут при 25 ° C, хотя один большой, а другой маленький.

Теперь, если мы измерим количество тепла в каждом блоке, результат между ними будет разным. Для выполнения этой задачи мы должны переместить блоки в комнату с абсолютно нулевой температурой и количественно определить количество выделяемого ими тепла. В этом случае теплосодержание в большем металлическом кубе будет в 10 раз выше.

температура

Благодаря предыдущему примеру мы можем сделать вывод, что температура одинакова для обоих и не зависит от количества вещества в каждом блоке. Температура измеряется как скорость или интенсивность движения молекул.

В биологической литературе, когда авторы упоминают «температуру тела», они относятся к температуре центральных областей тела и периферических областей. Температура центральных областей отражает температуру «глубоких» тканей организма — мозга, сердца и печени.

Температура периферических областей, с другой стороны, зависит от притока крови к коже и измеряется в коже рук и ног..

тепла

Напротив — и возвращаясь к примеру блоков — тепло отличается в обоих инертных телах и прямо пропорционально количеству вещества. Это форма энергии, которая зависит от количества атомов и молекул рассматриваемого вещества..

Регуляция теплопередачи. Передача тепла потовыми железами и дыханием

При повышении и понижении температуры окружающей среды и при действии температурных факторов на организм человека происходит изменение окислительных процессов, т. е. процесса теплообразования и процесса отдачи тепла. Этот последний процесс осуществляется, как мы уже указывали, в основном двумя путями; путем проведения и излучения (75% всей теплоотдачи) и путем испарения (около 25%). Чем холоднее внешняя среда, тем сильнее происходит теплоотдача посредством теплоизлучения.

Отдача тепла посредством проведения, как и посредством излучения, вызывает снижение температуры тела до тех пор, пока температура его выше температуры окружающей среды. Значительную роль в процессах теплоотдачи играет сужение и расширение сосудов кожи. Под влиянием холодных температур кровеносные сосуды, и в первую очередь артериолы, суживаются, приток крови к поверхности тела уменьшается, снижается отдача путем проведения и излучения. Под действием же тепла происходит расширение кожных сосудов, кровь в большем количестве притекает к коже, процессы проведения и излучения тепла усиливаются. Чем меньше разница между температурой кожи и температурой воздуха, тем меньше тепла поступает в окружающую среду.

У человека, а также у некоторых животных, имеющих потовые, железы, постоянная температура тела при высокой температуре среды поддерживается благодаря испарению с поверхности тела очень больших количеств выделяемого пота. При испарении 1 г пота теряется 0,58 б. кал. Количество калорий, которые теряет организм путем потоотделения и испарения, зависит от интенсивности потоотделения. При средней температуре человек теряет в течение дня около 450—500 б. кал. При длительной высокой температуре среды, особенно при мышечных напряжениях, человек может терять за сутки 9—10 л пота, отдавая путем испарения до 5000 б. кал. тепла. Выделение же 4—6 л пота в сутки бывает часто. Если температура воздуха равна или выше температуры тела, то прекращается передача тепла путем проведения и излучения, тепло расходуется путем потоотделения, которое достигает максимальных размеров.

Насыщение воздуха водяными парами влияет на потоотделение и отдачу тепла. Малое содержание водяных паров в воздухе усиливает испарение пота, увеличивая этим потерю тепла организмом.

Потовые железы иннервируются волокнами, которые морфологически относятся к симпатической нервной системе. Идущие к потовым железам нервные волокна являются отростками нервных клеток, лежащих в симпатических ганглиях.

Потовые железы имеют вид клубочков и представляют собой трубчатые железы. Потовые железы находятся в ‘подкожной соединительнотканной оболочке. В количестве 27г миллионов они рассеяны по всей поверхности тела. Их больше всего находится на подошвах, ладонях, в подмышечной впадине и меньше всего на спине, бедрах и голени. Пот содержит 98% воды, 2% плотного остатка, в который входят как органические, так и неорганические вещества: мочевина, мочевая кислота, аммиак, поваренная соль (0,3—0,6%) и др. Потоотделение является рефлекторным актом и совершается под непосредственным влиянием нервной системы.

Когда температура воздуха, являющаяся раздражителем при потоотделительном рефлексе, повышается, то, действуя на окончание центростремительных нервов, она вызывает в них возбуждение. Возбуждение передается к центральной нервйой системе, откуда по центробежным нервам возвращается к потовым железам. Возбуждение в центрах может возникать не только рефлекторным путем, но и через кровь, имеющую повышенную температуру и омывающую эти центры.

В процессе теплоотдачи известную роль играет дыхание путем согревания вдыхаемого воздуха. Дыхание целесообразно реагирует на температуру окружающего воздуха. При холодном воздухе наступает рефлекторное замедление дыхания, при высокой температуре воздуха дыхание учащается и наступает так называемая тепловая одышка.

Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним. См. подробнее в пользовательском соглашении.

Передача тепла или теплообмен это процесс распространения внутренней энергии в пространстве с разными температурами.

Теплопроводность это способность веществ и тел проводить энергию (тепло) от частей с высокой температурой к частям с более низкой. Такая способность существует за счет движения частиц. Энергия может передаваться между телами и внутри одного тела. Нагревая в пламени один конец гвоздя, мы рискуем обжечься о другой его конец, не находящийся в пламени.