人体与环境间的热交换
人体与其所处的环境之间不断进行热量交换,以保持机体的热平衡状态,一旦动态平衡遭破坏,便导致机体“热积”或“热债”现象。人体与环境间的热交换过程,遵循传导、对流、辐射和蒸发的物理学法则进行,但在环境温度条件适当改变的情况下,机体仍能维持体热平衡。此种生理调节机制主要体现在:
❶机体通过代谢过程所产生的热量,可以根据身体活动程度和外界气温条件而改变。
❷通过对心血管运动和汗腺活动的调节,不断修正由身体核心部位至外周的热传递率,改变皮肤表面的温度和水汽压,从而影响机体与环境间的温度梯度和湿度梯度,调节通过不同途径与环境间的热交换量。
传导与对流 传导指体热由体表直接传导给与体表接触物体的过程。由于体表直接接触物体多为热不良导体,故通常情况下经传导方式与环境间交换的热量有限,可忽略不计。航天用的液冷服带走身体热量,即含有传导性散热的成分。对流指以气体分子作介质的另一种散热过程。人体表面包围着一层空气,当气温低于体表温度时,体热不断地传给这些与体表接触的空气。从理论上讲,当这部分空气温度与体表温度相等时,两者间的热交换便停止。故这层空气对身体有一定隔热作用,但在通常情况下会因邻近间空气温差的关系形成自然对流,使空气对身体的隔热作用因气流大小不同而改变。在失重条件下舱内自然对流消失,如不采取人工对流措施,则静止空气层对人体的隔热作用便会增大,影响正常热交换过程。如果舱内为低压条件,则空气层的隔热作用,还会随压力降低而增大。由于热传递系数是隔热值的倒数,故低压条件可导致热传递系数变小,使对流热交换与常压下有所不同。
辐射 经辐射散失的热量随身体表面和周围物体间的温差而改变,但不受气压的影响。皮肤温度和飞船舱壁温度的变化可影响两者间的温差发生相应改变。身体姿势改变可影响有效辐射面积。不同颜色皮肤对辐射能反射和吸收上的差别主要在太阳光谱中的可见光和紫外线部分,而不在红外部分。就红外辐射来说,不论皮肤颜色如何,它都被认为具有近似黑体的功能。服装的材料和颜色对人体与环境间进行热交换,有一定的影响,特别是服装材料反射系数的大小,在选择航天服外套层 (出舱活动用)时具有重要意义。
蒸发 蒸发散热是身体向外界散热的又一途径。环境温度愈接近体表温度,可由辐射和对流散失的热量就愈少,而当环境温度高于体表温度时,身体还可从环境获得热量,这时连同体内产生的热量一起,只能依靠蒸发途径散热。汗液蒸发受下列因素影响:
❶汗液蒸发率受生理饱和差(Ps-Pa)的影响,当皮肤表面饱和水汽压(Pa)不变时,蒸发散热率与环境水汽压(Pa)成反比关系,即在一定范围内Pa愈低,愈能促使汗液蒸发。正是依靠充分的蒸发,人体能在120℃左右的极端干燥空气的环境下维持一定时间的热平衡;反之,在宇宙飞船舱内或穿着航天服的狭小环境中,当去湿装置发生故障。身体排出的水汽不能及时消除,造成狭小空间所含水汽呈饱和状态,使航天员无法进行正常的蒸发散热,就产生明显的热负荷。
❷蒸发散热率还随风速大小而改变,这也是座舱设计中规定适宜风速的原因之一。
可以看出: 结合飞船座舱特点,讨论影响热交换途径的几个侧面,这对分析航天条件下体温调节过程以及考虑座舱温控系统和调温服装设计等的医学要求,都具有一定的意义。