17-08-2020, 08:44 PM
حرارت تولید شده در بدن انسان، از طریق پوست و ریه‌ها به محیط اطراف منتقل می‌شود. این کار به شیوه انتقال حرارت جابجایی و تشعشع (گرمای محسوس) و همچنین با کمک تبخیر (گرمای نهان) انجام می‌پذیرد. گرمای نهان (Latent Heat)، نشان دهنده گرمای حاصل از تبخیر آب در ریه‌ها و روی پوست است. تبخیر از طریق جذب حرارت بدن اتفاق می‌افتد. گرمای حاصل از فرو بردن هوا در ریه‌ها، نشان از انتقال حرارت محسوس (Sensible Heat) دارد و این شیوه انتقال حرارت بدن انسان با بالا رفتن دمای ورودی به ریه‌ها، افزایش می‌یابد.
معادله انتقال حرارت بدن انسان
نرخ خالص انتقال حرارت بدن انسان را می‌توان با عبارت زیر نشان داد.
![[تصویر: heat-loss-from-human-body.jpg]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2019/04/heat-loss-from-human-body.jpg)
˙Qbody, total=˙Qskin+˙Qlungs =(˙Qsensible+˙Qlatent)skin+(˙Qsensible+˙Qlatent)lungs =(˙Qconvection+˙Qradiation+˙Qlatent)skin+(˙Qconvection+˙Qlatent)lungs
همان‌طور که ملاحظه می‌کنید، آنالیز و تعیین انتقال حرارت بدن انسان کار ساده‌ای نیست. علاوه بر این، پوشیدن لباس و ساز و کار انتقال حرارت از لابلای روزنه‌های آن نیز کار را دشوارتر کرده و تحلیل‌ها را به سمت اتکا به داده‌های آزمایشگاهی سوق می‌دهد. در شرایط پایدار، نرخ خالص انتقال حرارت بدن را می‌توان با نرخ تولید حرارت متابولیک یکسان دانست. تفاوت بین این دو پارامتر، از حدود 100W
برای کارهای اداری سبک تا 1000W
در کارهای فیزیکی سنگین، متغیر است.
افت حرارت محسوس از طریق پوست، به دمای پوست، محیط، سطوح نزدیک و حتی جریان هوا وابسته است. اما در طرف مقابل، افت حرارت نهان، به خیس بودن پوست و رطوبت نسبی محیط بستگی دارد. لباس مانند عایق عمل کرده و هر دو شکل انتقال حرارت (محسوس و نهان) را کاهش می‌دهد. بدیهی است که انتقال حرارت از طریق ریه‌ها در دم و بازدم نیز از فرکانس تنفس، حجم ریه‌ها و برخی عوامل محیطی تأثیر می‌پذیرد.
حرارت محسوس از پوست پوشیده شده با لباس، ابتدا به لباس و سپس از لباس به محیط منتقل می‌شود. افت حرارت جابجایی و تشعشع از سطح بیرونی لباس به محیط بیرون را می‌توان به ترتیب زیر نشان داد.
˙Qconv=hconvAclothing(Tclothing−Tambient) ˙Qrad=hradAclothing(Tclothing−Tsurr)
در رابطه‌های بالا، hconv
و hrad به ترتیب ضرایب انتقال حرارت جابجایی و تشعشعی را نشان می‌دهند. مساحت بیرونی فرد پوشیده شده با لباس برابر Aclothing و دمای میانگین پوست و لباس برابر Tclothing است. ضمناً Tsurr نیز به دمای میانگین سطوح اطراف اشاره می‌کند. دمای سطوح مختلفی که در نزدیکی انسان قرار دارد، با یکدیگر متفاوتند و این پارامتر، دمای متوسط تشعشع را نشان می‌دهد. Tsurr عبارت است از دمای فرضی یک محفظه هم‌دما که در آن، انتقال حرارت تشعشعی با بدن انسان و انتقال حرارت تشعشعی با محفظه با یکدیگر برابرند. با توجه به اینکه بسیاری از لباس‌ها و ساختمان‌ها، رنگ‌های تیره بیش از سایر رنگ‌ها به کار رفته، دمای متوسط تشعشع در محفظه‌ای که از N
سطح با دماهای مختلف تشکیل شده، به صورت زیر تعریف می‌شود.
Tsurr≅Fperson-1×T1+Fperson-2×T2+…+Fperson-N×TN
در رابطه بالا، دمای سطح i
با Ti نشان داده شده و ضریب دید بین انسان و سطح i برابر Fperson-i
است.
افت حرارت محسوس خالص را می‌توانیم به صورت مجموع دو افت حرارتی جابجایی و تشعشعی بیان کنیم.
˙Qconv+rad=hcombinedAclothing(Tclothing−Toperative) =(hconv+hrad)Aclothing(Tclothing−Toperative)
پارامتر Toperative
را دمای عملکرد (Operative Temperature) می‌نامیم و آن را به عنوان میانگین وزنی دماهای تشعشع و محیط تعریف می‌کنیم. ضرایب به کار رفته در این میانگین وزنی، همان ضرایب انتقال حرارت جابجایی و تشعشع است. به شکل زیر توجه کنید.
![[تصویر: human-body-convection.jpg]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2019/04/human-body-convection.jpg)
Toperative=hconvTambient+hradTsurrhconv+hrad≅Tambient+Tsurr2
اگر ضرایب انتقال حرارت جابجایی و تشعشعی با هم مساوی باشند، میانگین وزنی بالا به میانگین معمولی تبدیل می‌شود. شاخص دیگری که در آنالیز انتقال حرارت بدن انسان اهمیت زیادی دارد، دمای مؤثر (Effective Temperature) است. دمای مؤثر، اثرات دما و رطوبت را تجمیع می‌کند. دو محیط مختلف با دمای مؤثر یکسان، تأثیرات مشابهی در انتقال حرارت بدن انسان دارد. حتی اگر هم دما و هم رطوبت با هم تفاوت داشته باشند.
رابطه انتقال حرارت از طریق لباس به شکل زیر است.
˙Qconv+rad=Aclothing(Tskin−Tclothing)Rclothing
واحد اندازه‌گیری Rclothing
، برابر با m2.∘C/W است و شامل مجموع اثرات هدایت، جابجایی و تشعشع بین پوست و سطح بیرونی لباس می‌شود. مقاومت گرمایی لباس معمولاً برحسب واحدی به نام clo
بیان می‌شود که تعریف آن، به صورت زیر است.
1clo=0.155m2.∘C/W=0.880ft2.∘F.h/Btu
به این ترتیب، به جای اینکه افت حرارتی محسوس خالص را برحسب دمای لباس تعریف کنیم، می‌توانیم آن را به شکل زیر و به عنوان تابعی از دمای پوست بنویسیم.
˙Qconv+ rad=Aclothing(Tskin−Toperative)Rclothing+1hcombined
در وضعیتی که به عنوان آسایش حرارتی (Thermal Comfort) تعریف می‌شود، دمای متوسط پوست بدن در حدود 33∘C
(معادل 91.5∘F) بوده و بازه تغییرات مجاز آن نیز برابر ±1.5∘C (معادل ±2.5∘F
) است. افت حرارت نهان از طریق پوست، با اختلاف بین فشار بخار آب در پوست و هوای محیط و همچنین درجه رطوبت پوست متناسب است. افت حرارت نهان، ناشی از مجموع اثرات تبخیر عرق و تراوش آب از طریق پوست است.
˙Qlatent=˙mvaporhfg
در رابطه بالا، ˙mvapor
نرخ تبخیر آب از بدن است و با واحد kg/s سنجیده می‌شود. hfg نیز آنتالپی تبخیر آب بوده و مقدار آن در دمای 30∘C برابر با 2430kJ/kg
است.
هنگامی که بدن کاملاً خیس باشد، افت حرارت از طریق تبخیر به ماکزیمم مقدار خود می‌رسد. در سوی مقابل، لباس به عنوان عایقی در برابر تبخیر عمل می‌کند و نرخ تبخیر در فردی که لباس به تن دارد، به تراوایی رطوبت در لباس بستگی دارد. نرخ تبخیر ماکزیمم در یک فرد متوسط، در حدود 1L/h
(معادل 0.3g/s) است. بدن انسان می‌تواند در خلال انجام حرکات ورزشی در یک روز گرم، تا 2kg
آب را در هر ساعت از دست بدهد. ولی پس از این مقدار، عرق به صورت مایع روی پوست مانده و تبخیر نخواهد شد.
![[تصویر: average-person-heat-loss.jpg]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2019/04/average-person-heat-loss.jpg)
هنگام دم و بازدم، هوایی که وارد ریه‌ها می‌شود، تقریباً در شرایط محیط است و هوایی که از ریه‌ها خارج می‌شود، در دمایی نزدیک به دمای داخل بدن، در حالتی نزدیک به اشباع قرار دارد. بنابراین، بدن به صورت همزمان، از طریق جابجایی، گرمای محسوس را از دست می‌دهد و همچنین از طریق تبخیر، گرمای نهان را دفع می‌کند. این بخش از اتقال حرارت بدن انسان را می‌توان با روابط زیر نشان داد.
![[تصویر: heat-transfer-from-lungs.jpg]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2019/04/heat-transfer-from-lungs.jpg)
˙Qconv, lungs=˙mair, lungs×Cp,air(Texhale−Tambient) ˙Qlatent, lungs=˙mvapor, lungs×hfg=˙mair, lungs×(wexhale−wambient)hfg
معادله انتقال حرارت بدن انسان
نرخ خالص انتقال حرارت بدن انسان را می‌توان با عبارت زیر نشان داد.
˙Qbody, total=˙Qskin+˙Qlungs =(˙Qsensible+˙Qlatent)skin+(˙Qsensible+˙Qlatent)lungs =(˙Qconvection+˙Qradiation+˙Qlatent)skin+(˙Qconvection+˙Qlatent)lungs
همان‌طور که ملاحظه می‌کنید، آنالیز و تعیین انتقال حرارت بدن انسان کار ساده‌ای نیست. علاوه بر این، پوشیدن لباس و ساز و کار انتقال حرارت از لابلای روزنه‌های آن نیز کار را دشوارتر کرده و تحلیل‌ها را به سمت اتکا به داده‌های آزمایشگاهی سوق می‌دهد. در شرایط پایدار، نرخ خالص انتقال حرارت بدن را می‌توان با نرخ تولید حرارت متابولیک یکسان دانست. تفاوت بین این دو پارامتر، از حدود 100W
برای کارهای اداری سبک تا 1000W
در کارهای فیزیکی سنگین، متغیر است.
افت حرارت محسوس از طریق پوست، به دمای پوست، محیط، سطوح نزدیک و حتی جریان هوا وابسته است. اما در طرف مقابل، افت حرارت نهان، به خیس بودن پوست و رطوبت نسبی محیط بستگی دارد. لباس مانند عایق عمل کرده و هر دو شکل انتقال حرارت (محسوس و نهان) را کاهش می‌دهد. بدیهی است که انتقال حرارت از طریق ریه‌ها در دم و بازدم نیز از فرکانس تنفس، حجم ریه‌ها و برخی عوامل محیطی تأثیر می‌پذیرد.
حرارت محسوس از پوست پوشیده شده با لباس، ابتدا به لباس و سپس از لباس به محیط منتقل می‌شود. افت حرارت جابجایی و تشعشع از سطح بیرونی لباس به محیط بیرون را می‌توان به ترتیب زیر نشان داد.
˙Qconv=hconvAclothing(Tclothing−Tambient) ˙Qrad=hradAclothing(Tclothing−Tsurr)
در رابطه‌های بالا، hconv
و hrad به ترتیب ضرایب انتقال حرارت جابجایی و تشعشعی را نشان می‌دهند. مساحت بیرونی فرد پوشیده شده با لباس برابر Aclothing و دمای میانگین پوست و لباس برابر Tclothing است. ضمناً Tsurr نیز به دمای میانگین سطوح اطراف اشاره می‌کند. دمای سطوح مختلفی که در نزدیکی انسان قرار دارد، با یکدیگر متفاوتند و این پارامتر، دمای متوسط تشعشع را نشان می‌دهد. Tsurr عبارت است از دمای فرضی یک محفظه هم‌دما که در آن، انتقال حرارت تشعشعی با بدن انسان و انتقال حرارت تشعشعی با محفظه با یکدیگر برابرند. با توجه به اینکه بسیاری از لباس‌ها و ساختمان‌ها، رنگ‌های تیره بیش از سایر رنگ‌ها به کار رفته، دمای متوسط تشعشع در محفظه‌ای که از N
سطح با دماهای مختلف تشکیل شده، به صورت زیر تعریف می‌شود.
Tsurr≅Fperson-1×T1+Fperson-2×T2+…+Fperson-N×TN
در رابطه بالا، دمای سطح i
با Ti نشان داده شده و ضریب دید بین انسان و سطح i برابر Fperson-i
است.
افت حرارت محسوس خالص را می‌توانیم به صورت مجموع دو افت حرارتی جابجایی و تشعشعی بیان کنیم.
˙Qconv+rad=hcombinedAclothing(Tclothing−Toperative) =(hconv+hrad)Aclothing(Tclothing−Toperative)
پارامتر Toperative
را دمای عملکرد (Operative Temperature) می‌نامیم و آن را به عنوان میانگین وزنی دماهای تشعشع و محیط تعریف می‌کنیم. ضرایب به کار رفته در این میانگین وزنی، همان ضرایب انتقال حرارت جابجایی و تشعشع است. به شکل زیر توجه کنید.
Toperative=hconvTambient+hradTsurrhconv+hrad≅Tambient+Tsurr2
اگر ضرایب انتقال حرارت جابجایی و تشعشعی با هم مساوی باشند، میانگین وزنی بالا به میانگین معمولی تبدیل می‌شود. شاخص دیگری که در آنالیز انتقال حرارت بدن انسان اهمیت زیادی دارد، دمای مؤثر (Effective Temperature) است. دمای مؤثر، اثرات دما و رطوبت را تجمیع می‌کند. دو محیط مختلف با دمای مؤثر یکسان، تأثیرات مشابهی در انتقال حرارت بدن انسان دارد. حتی اگر هم دما و هم رطوبت با هم تفاوت داشته باشند.
رابطه انتقال حرارت از طریق لباس به شکل زیر است.
˙Qconv+rad=Aclothing(Tskin−Tclothing)Rclothing
واحد اندازه‌گیری Rclothing
، برابر با m2.∘C/W است و شامل مجموع اثرات هدایت، جابجایی و تشعشع بین پوست و سطح بیرونی لباس می‌شود. مقاومت گرمایی لباس معمولاً برحسب واحدی به نام clo
بیان می‌شود که تعریف آن، به صورت زیر است.
1clo=0.155m2.∘C/W=0.880ft2.∘F.h/Btu
به این ترتیب، به جای اینکه افت حرارتی محسوس خالص را برحسب دمای لباس تعریف کنیم، می‌توانیم آن را به شکل زیر و به عنوان تابعی از دمای پوست بنویسیم.
˙Qconv+ rad=Aclothing(Tskin−Toperative)Rclothing+1hcombined
در وضعیتی که به عنوان آسایش حرارتی (Thermal Comfort) تعریف می‌شود، دمای متوسط پوست بدن در حدود 33∘C
(معادل 91.5∘F) بوده و بازه تغییرات مجاز آن نیز برابر ±1.5∘C (معادل ±2.5∘F
) است. افت حرارت نهان از طریق پوست، با اختلاف بین فشار بخار آب در پوست و هوای محیط و همچنین درجه رطوبت پوست متناسب است. افت حرارت نهان، ناشی از مجموع اثرات تبخیر عرق و تراوش آب از طریق پوست است.
˙Qlatent=˙mvaporhfg
در رابطه بالا، ˙mvapor
نرخ تبخیر آب از بدن است و با واحد kg/s سنجیده می‌شود. hfg نیز آنتالپی تبخیر آب بوده و مقدار آن در دمای 30∘C برابر با 2430kJ/kg
است.
هنگامی که بدن کاملاً خیس باشد، افت حرارت از طریق تبخیر به ماکزیمم مقدار خود می‌رسد. در سوی مقابل، لباس به عنوان عایقی در برابر تبخیر عمل می‌کند و نرخ تبخیر در فردی که لباس به تن دارد، به تراوایی رطوبت در لباس بستگی دارد. نرخ تبخیر ماکزیمم در یک فرد متوسط، در حدود 1L/h
(معادل 0.3g/s) است. بدن انسان می‌تواند در خلال انجام حرکات ورزشی در یک روز گرم، تا 2kg
آب را در هر ساعت از دست بدهد. ولی پس از این مقدار، عرق به صورت مایع روی پوست مانده و تبخیر نخواهد شد.
هنگام دم و بازدم، هوایی که وارد ریه‌ها می‌شود، تقریباً در شرایط محیط است و هوایی که از ریه‌ها خارج می‌شود، در دمایی نزدیک به دمای داخل بدن، در حالتی نزدیک به اشباع قرار دارد. بنابراین، بدن به صورت همزمان، از طریق جابجایی، گرمای محسوس را از دست می‌دهد و همچنین از طریق تبخیر، گرمای نهان را دفع می‌کند. این بخش از اتقال حرارت بدن انسان را می‌توان با روابط زیر نشان داد.
˙Qconv, lungs=˙mair, lungs×Cp,air(Texhale−Tambient) ˙Qlatent, lungs=˙mvapor, lungs×hfg=˙mair, lungs×(wexhale−wambient)hfg