La temperatura a bulbo umido e globo misura più direttamente la temperatura in relazione al rischio di malattie da calore per una persona, prendendo in considerazione gli effetti della temperatura dell'aria, dell'umidità relativa, della velocità del vento e del calore radiante. La temperatura a bulbo umido e globo (WBGT) è la media ponderata della temperatura a bulbo umido, del globo nero e della temperatura dell'aria, dove WBGT = 0,7Tw + 0,2Tg + 0,1Td.
I datori di lavoro che hanno personale a rischio di malattie da calore sono tenuti dall'OSHA a istituire un programma completo di prevenzione delle malattie da calore. In conformità a tale programma, un datore di lavoro deve disporre di mezzi adeguati per misurare e monitorare i fattori di stress termico.
L'OSHA ha pubblicato documenti di orientamento, come il manuale di 42 pagine “Using the Heat Index: A Guide for Employers”; tuttavia, il regolamento specifico che disciplina lo stress termico è l'OSHA 29 U.S.C. § 654, 5(a)1.
“Ogni datore di lavoro deve fornire a ciascuno dei propri dipendenti un'occupazione e un luogo di lavoro privi di rischi riconosciuti che causano o possono causare morte o gravi danni fisici ai propri dipendenti.”
Negli Stati Uniti, 3.442 persone sono morte a causa di malattie legate al calore tra il 1999 e il 2003 e, dal 1992 al 2006, 423 decessi hanno riguardato lavoratori statunitensi. Solo nel 2014, 2.630 lavoratori hanno sofferto di malattie da calore e 18 sono deceduti [Dipartimento del Lavoro degli Stati Uniti].
Tra il 2012 e il 2013, le malattie da calore di 20 persone, 13 delle quali decedute, hanno portato a sanzioni federali. È emerso che 13 dei 20 datori di lavoro non avevano integrato nel loro programma di prevenzione delle malattie da calore alcun approccio per identificare il rischio di malattie da calore (ad es. indice di calore) [CDC].
Le malattie da calore sono causate da uno stress termico non compensabile. Ciò si verifica quando la velocità di generazione del calore supera quella di dissipazione. La “combustione” di ossigeno e adenosina trifosfato è il mezzo principale attraverso il quale il corpo umano converte l'energia chimica in energia cinetica. Tuttavia, fino all'80% viene convertito in calore. Allo stesso modo, quando l'ossigeno e la benzina bruciano in un motore, la maggior parte dell'energia viene convertita in calore.
Durante un lavoro d'ufficio, il corpo umano genera la potenza di due lampadine da 60 Watt (che, come ci ricorda l'impazienza nel sostituirne una, possono diventare piuttosto calde). Tuttavia, durante un lavoro di costruzione pesante, il corpo può generare fino a 500 Watt. Se lo stress termico non è compensabile, la temperatura corporea interna aumenta e si sviluppano malattie da calore.
Il colpo di calore da sforzo è una categoria letale di malattia da calore in cui la temperatura corporea supera i 40 °C. La persona può inizialmente manifestare mal di testa, pelle secca, aumento della respirazione, aumento della frequenza cardiaca, nausea, confusione e vertigini.
Tra molti altri fattori, le condizioni ambientali come la temperatura, la luce solare, il vento e l'umidità determinano la capacità del corpo di dissipare il calore. La temperatura a bulbo umido e globo misura più specificamente la temperatura in relazione a queste condizioni ambientali.
La temperatura dell'aria, solitamente indicata come Td, TA o semplicemente T, è una misura incompleta del calore ambientale. Misura l'energia cinetica associata al movimento delle molecole d'aria. Questo tipo di trasferimento di energia avviene per conduzione. Le misurazioni della temperatura dell'aria non riescono a catturare il trasferimento di calore attraverso vaporizzazione, radiazione e convezione.
La temperatura a bulbo umido, indicata con Tw, è una misura della temperatura che influisce sul potente processo di raffreddamento evaporativo. La traspirazione, e in misura minima la respirazione, è il modo in cui il corpo umano dissipa il calore attraverso il raffreddamento evaporativo. Ciò avviene a causa della forza intermolecolare dell'acqua, nota come forza di Van der Waals. Gli atomi di idrogeno delle molecole d'acqua sono debolmente attratti dagli atomi di ossigeno delle molecole d'acqua adiacenti. Quando avviene l'evaporazione, l'energia associata a questa attrazione deve essere superata per separare le molecole. Questa forza, simile a quella che separa due magneti, è nota come entalpia di vaporizzazione.
L'acqua ha un'entalpia di vaporizzazione molto elevata, pari a 15 chilocalorie per oncia. Teoricamente, ogni oncia di traspirazione che evapora porta con sé 15 chilocalorie di calore. Per riferimento concettuale, una perdita di 15 chilocalorie è sufficiente a raffreddare circa 27,6 kg d'acqua di 1° Fahrenheit.
L'umidità disabilita il processo evaporativo. Esiste una quantità massima di vapore acqueo che può occupare un dato volume d'aria o vuoto. Questa capacità si basa sulla pressione di vapore di equilibrio dell'acqua. L'umidità relativa è il valore percentuale della pressione parziale di vapore rispetto alla pressione di equilibrio a una data temperatura. In altre parole, l'umidità relativa è l'umidità confrontata con la capacità di umidità.
Effettivamente, all'aumentare dell'umidità relativa, il tasso di evaporazione diminuisce e l'efficienza del raffreddamento evaporativo dovuto al sudore cala. Il raffreddamento evaporativo non può verificarsi con un'umidità relativa vicina al 100%.
La temperatura più alta ufficialmente registrata sulla Terra è stata rilevata nella Death Valley, in California, nel 1913. La temperatura dell'aria era di 134° F (56,7° C). Ipoteticamente, se in quel giorno l'umidità relativa fosse stata di un secco 13%, la temperatura a bulbo umido sarebbe stata di 85° F (29,4° C).
Confrontiamo questo dato con l'equivalente temperatura a bulbo umido di 85° F (29,4° C) del 13 luglio 1995 durante la letale ondata di calore a Chicago, che uccise 739 persone. La temperatura dell'aria era di soli 99° F (37,2° C).
La temperatura a bulbo umido è la temperatura che tiene conto della riduzione del raffreddamento evaporativo dovuta all'umidità relativa. Un dispositivo WBGT incorpora anche una strumentazione per catturare il calore acquisito attraverso il calore radiante e cattura parzialmente la perdita di calore attraverso il vento, nota come temperatura del globo, del globo nero o temperatura radiante media, solitamente indicata come Tg.
Poiché la temperatura dell'aria e la temperatura a bulbo umido misurano il trasferimento di energia termica per conduzione e vaporizzazione, il globo nero tiene conto del trasferimento di calore attraverso radiazioni elettromagnetiche e convezione.
Il corpo umano emette radiazioni infrarosse e riassorbe radiazioni dall'ambiente circostante. In ambienti tipici, si verifica una perdita netta di circa 100 Watt di calore corporeo tramite radiazioni IR. Tuttavia, in presenza di luce solare, asfalto caldo o una fornace, le fonti aggiuntive di radiazioni elettromagnetiche provocano un significativo guadagno netto.
L'asfalto nero assorbe oltre il 90% dell'energia luminosa del sole e riemette radiazioni infrarosse. Secondo la legge di Stefan-Boltzmann, un parcheggio a 145° F (62,8° C) emette 650 W/m2. Teoricamente, 650 W/m2 è una potenza sufficiente per riscaldare 45 kg d'acqua di circa 7,8° C in 1 ora (su 2 m2).
Alla luce solare diretta e al livello del mare, una persona può ricevere circa il doppio di questa quantità di radiazioni sotto forma di luce infrarossa, visibile e UV (rispettivamente 53, 42 e 4 percento). L'irradianza solare diminuisce in base all'angolo dovuto alla posizione geografica, alla stagione e all'ora del giorno. Il globo nero misura questo effetto radiativo.
Il vento, tuttavia, contrasta gli effetti del calore accumulato attraverso le radiazioni tramite la convezione. Poiché il vento accelera lo scambio termico tra l'aria e il globo nero, serve a raffreddare il globo così come servirebbe a raffreddare il corpo. Tuttavia, sul corpo, il vento serve anche ad accelerare il processo evaporativo. Pertanto, la temperatura del globo nero cattura solo parzialmente gli effetti di raffreddamento convettivo del vento. Come scegliere un misuratore WBGT adeguato? Valuta lo strumento e valuta il produttore.
Per un vero misuratore WBGT, è importante verificare che lo strumento sia dotato di un parametro globo nero oltre alla funzione bulbo umido. Quando si esaminano le specifiche, ricordare che non è solo una questione di intervallo di umidità e temperatura; è una questione di intervallo di umidità nell'ambito della temperatura. In altre parole, se l'intervallo massimo di Tw è 120° F (49° C) e l'intervallo massimo di Td è 140° F (60° C), ciò potrebbe significare che in condizioni di umidità relativa al 5%, l'intervallo della temperatura a bulbo umido è in realtà solo di 79° F (26° C) e non 120° F (49° C). Chiarire questa specifica con il produttore.
Un misuratore con una funzione di registrazione dati o trasmissione dati wireless è vantaggioso, poiché i dati sono utili con gli organismi di regolamentazione e accreditamento ed essenziali per la convalida e la verifica del proprio programma di prevenzione delle malattie da calore.
Confermare che lo strumento sia dotato di un certificato di taratura tracciabile NIST secondo i criteri di test ISO/IEC 17025. Di conseguenza, assicurarsi che lo strumento sia accompagnato da una garanzia e da una politica di reso sicura.
Determinare se il produttore dispone di un programma di qualità stabilito. Oltre agli accreditamenti e agli anni di attività, indicazioni di un solido programma di qualità includono la capacità del produttore di rispondere a domande scientifiche e normative. Un produttore dovrebbe essere pronto a rispondere prontamente a domande riguardanti funzionalità, qualità, specifiche, convalida e regolamentazione. Un'ulteriore misura di un dipartimento qualità consolidato è la capacità di eseguire tarature, sviluppo di metodi e prove di concetto per i propri clienti.