[ingegnerismo]

Sistema termoregolatore dell’uomo

Per poter mantenere pressoché costante la temperatura corporea, l’uomo possiede nell’ipotalamo un sofisticato sistema di “termoregolazione” che, sulla base di stimoli provenienti dai termorecettori posti sulla superficie della pelle, mette in azione strategie compensatrici. La termoregolazione può essere di due tipi: vasomotoria (o fisiologica) e comportamentale.

• La regolazione vasomotoria (o fisiologica) è rappresentata dalle reazioni spontanee dell’organismo alle variazioni di temperatura interna: quando la temperatura esterna è elevata i termoricettori (che avvertono variazioni di 0.01°C) inviano un’informazione ormonale che determina un incremento della temperatura della pelle (mediante un maggiore flusso di sangue), la quale a sua volta produce un incremento del flusso termico disperso. Se tale circostanza risulta insufficiente allora si ha la produzione di sudore, che determina un ulteriore incremento del flusso disperso per effetto, principalmente, della evaporazione dello stesso sudore. Quando, invece, la temperatura esterna è bassa i termoricettori diminuiscono l’afflusso di sangue sulle parti esterne del corpo; diminuisce così la temperatura della pelle ed il flusso disperso.
• La regolazione comportamentale è invece volontaria: se la temperatura interna tende ad aumentare (o diminuire) il soggetto decide di diminuire (o aumentare) l’attività fisica e/o la resistenza termica dell’abbigliamento.

La potenza energetica M messa in gioco è detta metabolismo: ad esempio, per una persona normale in condizioni di riposo M ≈ 100 [W]. Nel caso di attività fisiche particolarmente intense M può raggiungere valori fina a circa M ≈ 1000 [W]. I meccanismi adottati dal corpo umano per controllare la temperatura corporea sono svariati, ad esempio, per evitare un decremento:

• si può ridurre il flusso termico disperso verso l’esterno, diminuendo la temperatura della superficie corporea (pelle) \(t_s\) con una vasocostrizione periferica della circolazione sanguigna;
• è possibile aumentare M modificando il comportamento (ad esempio incrementando l’attività fisica, modificando l’abbigliamento o spostandosi in un ambiente meno esposto). Il metabolismo M può essere incrementato anche tramite un tremore incontrollato (brividi).

Per evitare, invece, un incremento della temperatura corporea:

• si può aumentare il flusso termico disperso verso l’esterno con un meccanismo opposto a quello precedentemente accennato e cioè aumentando la temperatura \(t_s\) con una vasodilatazione della circolazione sanguigna periferica;
• si può anche ricoprire la pelle, tramite l’azione di speciali ghiandole sudoripare, con acqua (sudore) che evapora mettendo in gioco un flusso termico \(E_t = g_t\cdot r\) (\(r\) è il calore di vaporizzazione dell’acqua alla temperatura corporea e \(g_t\) è la portata di vapore prodotto).

In generale, come si vedrà, la sensazione di benessere termoigrometrico corrisponderà ad una situazione di equilibrio termico con l’ambiente “naturale” quando, cioè, i meccanismi citati di controllo della temperatura non intervengono.

Da queste considerazioni di carattere generale si evince come per comprendere la complessità e la varietà di questa problematica è opportuno prendere le mosse dagli scambi di energia termica e di vapore d’acqua che si attuano tra il corpo umano e l’ambiente circostante.

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Bilancio termico del corpo umano

La relazione che esprime un bilancio energetico del corpo umano può essere rappresentata come segue:

\[S=M-L-(E_d+E_L)\pm (R_L+R_S)\pm C\pm H\pm R\]

Le grandezze riportate nella relazione sono:

• \(S\) = variazione di energia all’interno del corpo umano (potenza termica accumulata o ceduta dal corpo) [W/m2];
• \(M\) = metabolismo: quantità di energia prodotta, a seguito dei processi chimico-fisici, all’interno del corpo umano [W/m2]. La produzione di energia per effetto del metabolismo aumenta con il livello di attività svolta. L’unità di misura del metabolismo è il met. Ad 1 met corrisponde circa la quantità di calore generata per unità di superficie del corpo di un soggetto in condizioni di riposo e in assenza di alimentazione da almeno 12 – 16 ore. Il valore di 1 met corrisponde a 58 [W/m2]. Il metabolismo basale (energia necessaria a mantenere in temperatura il corpo) costituisce circa il 90% dell’intero metabolismo, mentre in condizioni di notevole moto il metabolismo può assumere valori pari a 10 met.
• \(L\) = energia relativa all’attività svolta (lavoro meccanico scambiato dal corpo con l’esterno nell’unità di tempo) [W/m2];
• \(E_d\) = calore smaltito per diffusione del sudore sulla pelle [W/m2];
• \(E_L\) = calore latente di evaporazione del sudore sulla pelle [W/m2]; la cessione di potenza termica per evaporazione avviene in tre modi: a livello dell’epidermide (sudorazione), dei tessuti e a livello polmonare; il processo più significativo è la sudorazione: complessivamente una persona può produrre fino a 1 litro di liquido per ora, a cui corrisponde una potenza termica di circa 675 [W/m2];
• \(R_L\) = calore latente di evaporazione relativo alla respirazione [W/m2] che corrisponde alla energia persa per far evaporare parte dell’acqua contenuta nell’aria umida;
• \(R_S\) = calore sensibile conseguente alla respirazione [W/m2]; il corpo umano, per effetto dei processi respiratori, cede all’ambiente calore, in quanto l’aria espirata è più calda di quella inspirata. In particolare un soggetto, ad ogni atto respiratorio, introduce nel corpo aria nelle condizioni di temperatura ed umidità relativa dell’ambiente ed espira aria ad una temperatura di circa 34°C ed in condizioni sature; in ambienti con temperatura dell’aria pari a 20°C, la potenza termica ceduta, a seconda del livello di attività, varia tra 2 e 5 [W/m2] e può essere trascurata nell’equazione del bilancio termico;
• \(C\) = calore scambiato per conduzione [W/m2]; lo scambio di calore per conduzione avviene per contatto del corpo umano con oggetti solidi a temperatura diversa, sia in modo diretto sia attraverso i vestiti;
• \(H\) = calore scambiato per convezione [W/m2]; lo scambio di calore per convezione avviene tra la superficie corporea a diretto contatto con l’aria ambiente oppure ricoperta dal vestiario e l’aria. Lo scambio può avvenire in convezione naturale o forzata ed è regolato dal coefficiente di convezione K . La resistenza termica dei vestiti varia con il tipo di abbigliamento e viene valutata attraverso un’unità di misura convenzionale detta clo (1 clo = 0,155 °C m2/W);
• \(R\) = calore scambiato per irraggiamento [W/m2]; lo scambio termico per irraggiamento avviene tra la superficie del corpo umano, nuda o vestita, e le superfici circostanti.