當一個人暴露在溫暖的環境條件下時，生理熱量損失機制會被激活以維持正常體溫。 身體與環境之間的熱通量取決於以下兩者之間的溫差：
- 周圍的空氣和物體，如牆壁、窗戶、天空等
- 人的表面溫度
人的體表溫度受生理機制調節，例如流向皮膚的血流變化，以及汗腺分泌的汗液蒸發。 此外，人可以更換衣服以改變與環境的熱交換。 環境條件越溫暖，周圍溫度與皮膚或衣服表面溫度之間的差異就越小。 這意味著與涼爽條件相比，在溫暖條件下通過對流和輻射進行的“乾熱交換”會減少。 在高於表面溫度的環境溫度下，熱量從周圍環境中獲得。 在這種情況下，這些額外的熱量連同代謝過程釋放的熱量必須通過汗液蒸發散失，以維持體溫。 因此，隨著環境溫度的升高，汗液的蒸髮變得越來越重要。 鑑於汗液蒸發的重要性，風速和空氣濕度（水蒸氣壓力）是炎熱條件下的關鍵環境因素也就不足為奇了。 如果濕度高，仍然會出汗，但蒸發會減少。 不能蒸發的汗水沒有降溫作用； 從體溫調節的角度來看，它會滴落並浪費掉。
人體含有大約 60% 的水，成人約 35 至 40 升。 體內大約三分之一的水，即細胞外液，分佈在細胞之間和血管系統（血漿）中。 身體水的其餘三分之二，即細胞內液，位於細胞內。 體內水室的組成和體積由荷爾蒙和神經機制非常精確地控制。 當體溫升高激活體溫調節中心時，皮膚表面的數百萬個汗腺會分泌汗液。 汗液中含有鹽分（NaCl、氯化鈉），但含量低於細胞外液。 因此，水和鹽都會流失，出汗後必須補充。
汗液流失的影響
在中性、舒適的環境條件下，少量水分會通過皮膚擴散而流失。 然而，在艱苦的工作和炎熱的條件下，活躍的汗腺會產生大量的汗液，在數小時內可達每小時 2 升以上。 即使僅流失體重的 1%（» 600 至 700 毫升）的汗水也會對工作能力產生可衡量的影響。 這可以通過心率 (HR) 的上升（身體水分每損失 40%，心率每分鐘增加約 1 次）和身體核心溫度的上升看出。 如果繼續工作，體溫會逐漸升高，可升至 XNUMXºC 左右； 在此溫度下，可能會導致中暑。 這部分是由於血管系統的液體流失（圖 XNUMX）。 血漿中水分的流失會減少充滿中央靜脈和心臟的血液量。 因此，每次心跳都會泵出較小的每搏輸出量。 結果，心輸出量（心臟每分鐘排出的血液量）趨於下降，並且心率必須增加以維持循環和血壓。
圖 1. 在 2°C 室溫下運動脫水 30 小時前後細胞外隔室 (ECW) 和細胞內隔室 (ICW) 中水的計算分佈。
稱為壓力感受器反射系統的生理控制系統可在所有情況下保持心輸出量和血壓接近正常。 反射涉及心臟和動脈系統（主動脈和頸動脈）中的受體和傳感器，它們監測心臟和血管被充滿它們的血液拉伸的程度。 來自這些的衝動通過神經傳播到中樞神經系統，在脫水的情況下，從中樞神經系統進行調整會導致血管收縮，並減少流向內臟器官（肝臟、腸道、腎臟）和皮膚的血流。 以這種方式，可用的血流被重新分配以有利於工作肌肉和大腦的循環（Rowell 1986）。
嚴重脫水可能導致熱衰竭和循環衰竭； 在這種情況下，此人無法維持血壓，後果是昏厥。 熱衰竭的症狀是身體疲憊，通常伴有頭痛、頭暈和噁心。 熱衰竭的主要原因是血管系統失水引起的循環壓力。 血容量的下降導致反射減少到腸道和皮膚的循環。 皮膚血流量的減少加劇了這種情況，因為表面的熱量損失減少了，所以核心溫度進一步升高。 由於血壓下降和由此導致的大腦血流減少，受試者可能會暈倒。 躺著的姿勢可以改善心臟和大腦的血液供應，在降溫並喝點水後，人幾乎可以立即恢復健康。
如果導致熱衰竭的過程“失控”，就會發展為中暑。 皮膚循環的逐漸減少使溫度越來越高，這導致出汗減少，甚至停止，核心溫度更快上升，導致循環衰竭並可能導致死亡，或對身體造成不可逆轉的損害。腦。 血液變化（例如高滲透壓、低 pH 值、缺氧、紅細胞粘附、血管內凝血）和神經系統損傷是中暑患者的發現。 熱應激期間腸道血液供應減少會引起組織損傷，並且可能會釋放物質（內毒素），從而引起與中暑有關的發燒（Hales 和 Richards 1987）。 中暑是一種危及生命的急性急症，將在“熱病”一節中進一步討論。
與失水一起，出汗會導致電解質流失，主要是鈉（Na+) 和氯化物 (Cl - ), 但也有較小程度的鎂 (Mg++），鉀（K+) 等（見表 1）。 汗液中的鹽分少於體液部分。 這意味著它們在出汗後變得更咸。 增加的鹹味似乎通過影響血管平滑肌對循環產生特定影響，血管平滑肌控制血管開放的程度。 然而，幾位研究人員表明它會干擾出汗的能力，需要更高的體溫才能刺激汗腺——汗腺的敏感性會降低 (Nielsen 1984)。 如果汗液流失僅被水替代，這可能會導致體內氯化鈉含量低於正常狀態（低滲）。 由於神經和肌肉功能障礙，這會導致抽筋，這種情況在早期被稱為“礦工抽筋”或“司爐抽筋”。 可以通過在飲食中添加鹽來預防（喝啤酒是 1920 年代英國建議的預防措施！）。
表 1. 血漿和汗液中的電解質濃度
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電解質及其他 |
血漿濃度 |
汗液濃度 |
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鈉（Na+) |
3.5 |
0.2-1.5 |
|
鉀（K+) |
0.15 |
0.15 |
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鈣（Ca++) |
0.1 |
少量 |
|
鎂（鎂++) |
0.02 |
少量 |
|
氯化物（Cl - ) |
3.5 |
0.2-1.5 |
|
碳酸氫鹽（HCO3 - ) |
1.5 |
少量 |
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蛋白質 |
70 |
0 |
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脂肪、葡萄糖、小離子 |
15-20 |
少量 |
改編自 Vellar 1969。
皮膚循環和汗腺活動減少都會影響體溫調節和熱量損失，因此核心溫度會比完全水合狀態下增加更多。
在許多不同的行業中，工人都暴露在外部熱應力下——例如，鋼鐵廠、玻璃工業、造紙廠、麵包店、採礦業的工人。 煙囪清掃工和消防員也暴露在外部熱量中。 在車輛、船舶和飛機的密閉空間內工作的人也可能會中暑。 但是，必須注意的是，穿著防護服工作或穿著防水服從事艱苦工作的人，即使在適中和涼爽的環境溫度條件下，也可能成為熱衰竭的受害者。 熱應激的不利影響發生在核心溫度升高和大量出汗的情況下。
補液
喝足夠的水來補充汗液，可能會逆轉因汗液流失導致的脫水效果。 這通常發生在工作和鍛煉後的恢復期間。 然而，在炎熱環境中長時間工作期間，通過在活動期間飲水可以提高性能。 因此，常見的建議是口渴時喝水。
但是，這裡面有一些非常重要的問題。 一是飲水的衝動不足以代替同時發生的水分流失； 其次，補充大量缺水所需的時間很長，超過12小時。 最後，水從胃（儲存水的地方）流到發生吸收的腸（內臟）的速度是有限的。 該比率低於在炎熱條件下運動時觀察到的出汗率。
已經有大量關於各種飲料在長時間運動期間恢復運動員身體水分、電解質和碳水化合物儲存的研究。 主要研究結果如下：
- 可以利用的液體量——即通過胃輸送到腸道的液體量——受到“胃排空率”的限制，“胃排空率”的最大值約為 1,000 毫升/小時。
- 如果液體“高滲”（含有比血液濃度更高的離子/分子），則速度會減慢。 另一方面，“等滲流體”（含有與血液相同濃度、滲透壓的水和離子/分子）以與純水相同的速率通過。
- 添加少量的鹽和糖會增加腸道吸收水分的速度（Maughan 1991）。
考慮到這一點，您可以製作自己的“補液”或從大量商業產品中進行選擇。 通常，水和電解質平衡可通過隨餐飲水來恢復。 應鼓勵大量出汗的工人或運動員多喝水。 每升汗液中含有約 1 至 3 克 NaCl。 這意味著每天出汗超過 5 升可能會導致氯化鈉缺乏，除非飲食得到補充。
還建議工人和運動員通過定期稱重來控制他們的水平衡——例如，在早上（在相同的時間和條件下）——並儘量保持恆定的體重。 然而，體重的變化並不一定反映缺水的程度。 水與糖原（肌肉中儲存的碳水化合物）化學結合，並在運動過程中使用糖原時釋放出來。 根據身體的糖原含量，體重可能會發生高達 1 公斤左右的變化。 “每天早上”的體重也顯示出由於水分含量的“生物學變化”而發生的變化——例如，在與月經週期相關的女性中，在經前階段可以保留多達 1 至 2 公斤的水分（“經前緊張”）。
水和電解質的控制
身體水室的容積——即細胞外液和細胞內液的容積——以及它們的電解質濃度通過液體和物質的攝入和流失之間的調節平衡保持非常恒定。
水是從食物和液體的攝入中獲得的，有些是通過代謝過程釋放出來的，包括食物中脂肪和碳水化合物的燃燒。 水的流失發生在呼吸過程中從肺部發生，吸入的空氣在呼出之前從氣道的潮濕表面吸收肺部的水分。 在舒適的休息條件下，水也會通過少量的皮膚擴散。 然而，在出汗期間，水分會以超過 1 至 2 升/小時的速度流失數小時。 控制體內水分含量。 出汗增加的水分流失可通過飲水和減少尿液形成來補償，而多餘的水分則通過增加尿液量來排出。
這種對水的攝入和排出的控制是通過自主神經系統和激素來實現的。 口渴會增加水的攝入，調節腎臟的失水； 尿量和電解質成分均得到控制。 控制機制中的傳感器位於心臟，響應血管系統的“充盈度”。 如果心臟充盈減少——例如，在出汗後——受體會將此信息發送到負責口渴感的大腦中樞，以及誘導抗利尿激素 (ADH) 釋放的區域垂體後葉。 這種激素可以減少尿量。
同樣，生理機制通過腎臟中的過程控制體液的電解質成分。 食物含有營養素、礦物質、維生素和電解質。 在目前情況下，氯化鈉的攝入量是一個重要的問題。 膳食鈉的攝入量因飲食習慣而異，每天在 10 至 20 至 30 克之間。 這通常比需要的多得多，因此多餘的部分由腎臟排泄，由多種激素機制（血管緊張素、醛固酮、ANF 等）的作用控制，這些機制由大腦和腎臟中的滲透壓感受器的刺激控制, 響應主要是 Na 的滲透壓+ 和Cl - 分別存在於血液和腎臟的液體中。
個體差異和種族差異
男性和女性以及年輕人和老年人對熱的反應可能存在差異。 它們在某些可能影響傳熱的特性上有所不同，例如表面積、高度/重量比、絕緣皮膚脂肪層的厚度，以及產生功和熱量的物理能力（有氧能力 » 最大耗氧率）。 現有數據表明，老年人的耐熱性降低。 他們開始出汗的時間比年輕人晚，而老年人在熱暴露期間會出現皮膚血流量增加的反應。
比較兩性後發現，女性比男性更能忍受濕熱。 在這種環境中，汗液蒸發減少，因此女性略大的表面積/質量面積可能對她們有利。 然而，在比較暴露於高溫的個體時，有氧能力是一個需要考慮的重要因素。 在實驗室條件下，如果受試者組具有相同的體力工作能力（“最大攝氧量”-VO最大2) 進行了測試——例如，年輕和年長的男性，或男性與女性（Pandolf 等人，1988 年）。 在這種情況下，某項工作任務（使用自行車測力計進行鍛煉）將導致循環系統承受相同的負荷——即相同的心率和相同的核心溫度升高——與年齡和性別無關。
同樣的考慮也適用於族群之間的比較。 當考慮到體型和有氧能力的差異時，不能指出因種族而導致的顯著差異。 但在日常生活中，老年人的平均攝氧量確實較低2 最大 比年輕人和女性低 VO2 最大 高於同年齡段的男性。
因此，當執行包含一定絕對工作率（例如，以瓦特為單位）的特定任務時，有氧能力較低的人會有較高的心率和體溫，並且不太能夠應對額外的壓力外部熱量，比具有更高 VO2 最大.
出於職業健康和安全的目的，已經開發了許多熱應激指數。 在這些中，考慮了個體對熱量和工作的巨大反應差異，以及構建指數的特定熱環境。 這些將在本章的其他地方處理。
反复暴露在高溫下的人即使在幾天后也會更好地忍受高溫。 他們變得適應了。 出汗率增加，由此產生的皮膚冷卻增加導致在相同條件下工作時核心溫度和心率降低。
因此，預計會暴露在極端高溫下的人員（消防員、救援人員、軍事人員）的人工適應可能有助於減輕壓力。
總而言之，一個人產生的熱量越多，散發的熱量就越多。 在炎熱的環境中，汗液的蒸發是熱量散失的限制因素。 出汗能力的個體差異是相當大的。 雖然有些人根本沒有汗腺，但在大多數情況下，經過體育鍛煉和反复暴露在高溫下，標準熱應激測試中產生的汗液量會增加。 熱應激會導致心率和核心溫度升高。 最大心率和/或大約 40ºC 的核心溫度設定了炎熱環境中工作表現的絕對生理極限 (Nielsen 1994)。