Чому повітря, що рухається, відчуває холод?

Я брав клас з термодинаміки і у мене було таке питання. Я збирався прямо задати свого професора, але це здається дурним питанням з простою відповіддю, тому я подумав, що спробую тут свою удачу, боячись збентежити.

Коли повітря проходить через трубу, його ентальпія застою не змінюється. Для калорійно досконалого газу ми маємо, що ентальпія змінюється лінійно залежно від температури.

{год}_{0} = постійний = год + \frac{1}{2} у^{2}

$h_0 = \text{constant}= h + \frac12u^2$

год = c_{p} Т

$h = c_pT$

Давайте подивимось на повітря. Повітря має питоме тепло при постійному тиску . Температура повітря в кімнаті близько . Швидкість вітру зазвичай нижче . $1000\ \mathrm{\frac{J}{kg\cdot K}}$ $300 \text{ K}$ $15\ \mathrm{\frac{m}{s}}$

Переписуючи наші рівняння, ми можемо сказати:

c_{p} Т_{0} = c_{p} Т + \frac{1}{2} у^{2}

$c_p T_0 = c_pT + \frac12u^2$

1000 \frac{J}{к г \cdot К} \cdot 300 К = 1000 \frac{J}{к г \cdot К} \cdot Т + \frac{1}{2} (15 \frac{м}{с})^{2}

$1000\ \mathrm{\frac{J}{kg \cdot K}} \cdot 300 \text{ K} = 1000\ \mathrm{\frac{J}{kg \cdot K}} \cdot T + \frac12(15\ \mathrm{\frac{m}{s}})^2$

300000 \frac{J}{к г} = 1000 Т \frac{J}{к г} + 112.5 \frac{J}{к г}

$300000 \frac{J}{kg} = 1000T\ \mathrm{\frac{J}{kg}} + 112.5\ \mathrm{\frac{J}{kg}}$

Т = 299.9 К

$T = 299.9 \text{ K}$

Отже, помірні швидкості вітру взагалі не змінюють температуру. Чому тоді повітря, що рухається на вулиці, відчуває себе значно холоднішим, ніж застояне повітря?

— користувач01101001
джерело

приємне запитання, у мене завжди було таке питання, коли сидів під вентилятором під стелею

— Shirish Herwade

Якщо ми нехтуємо випаровуванням поту на секунду, тоді лише повітря з температурою нижче тіла відчуває холод (ер), коли він рухається. Оскільки зовнішнє повітря зазвичай холодніше 37 градусів Цельсія / 98 градусів Фаренгейта, вітер відчуває холод (ер). Температура повітря, що перевищує цей поріг, як правило, сприймається як незручна, оскільки охолодження тіла відбувається лише випаровуванням (тобто серйозним потовиділенням), а в якийсь момент стає небезпечним. Я був у травні долини смерті; Можу запевнити, що вітер там почувався не прохолодним, але більше нагадував сушильну машину. Переміщення повітря вище певної температури насправді відчуває себе тепліше .

— Пітер - Відновіть Моніку

Ви можете відчувати себе менш дурним :-) - у класі, тобто - якщо перефразувати слово "чому рухається повітря забезпечує більше охолодження машини (комп'ютерні мікросхеми або двигун VW до 1975 року), ніж статичне повітря"?

— Карл Віттофт

Це тому, що це відчуття пов'язане не з температурою повітря, а з передачею тепла, тому Петро почував себе не прохолодно, коли в травні долини смерті. Якщо ваше тіло тепліше, ніж навколишнє повітря, ви відчуєте себе холодним і навпаки. Рецептори в шкірі є ключовими, як пояснено у відповіді

— Ера

Здуйте когось у сауну, і ви побачите, що відчуття холоду відносно температури тіла :)

— Філіп Хаглунд

Відповіді:

Є кілька причин. Перш за все, важливо зауважити, що відчуття тепла чи прохолоди лише опосередковано пов'язане з температурою. Рецептори у вашій шкірі, які мають справу з температурою, в основному чутливі до передачі тепла та змін температури , а не до значень абсолютних температур. Наприклад, ось цікавий уривок зі статті EB про терморецепцію :

Рецептори холоду реагують на раптове охолодження тимчасовим збільшенням частоти розряду (називається динамічною реакцією), що безпосередньо пов'язане з попередньою температурою та величиною та швидкістю зниження температури. Якщо підтримується температура охолоджувача, частота розряду пристосовується до частоти статичного розряду, безпосередньо пов'язаного з температурою охолоджувача.

Таким чином, відчуття прохолоди пов'язане з тим, як швидко тепло передається від шкіри. Передача тепла відбувається в трьох режимах: випромінюванні, кондукції та конвекції. Це саме останнє, що важливо, тому що конвекція залежить від руху; без руху немає лише випромінювання та провідності. Повітря - досить хороший ізолятор, що робить провідність менш ефективною; і він прозорий у широкому спектрі, тобто немає значного радіаційного теплообміну. А у вас на шкірі багато крихітних волосків (а може бути і більш великих волосків, залежно від людини), які працюють проти будь-яких незначних конвективних потоків, як від протягу або невеликого порушення.

В основному, за відсутності конвекції (рухомого повітря), ваша шкіра буде локально нагрівати повітря прямо навколо себе, і це повітря буде не дуже швидко замінене більш прохолодним повітрям . Під час прогрівання він відводить ще менше тепла від вашої шкіри (адже менший перепад температур слабкіший водій).

Але набагато більш значущим фактором у більшості випадків є, мабуть, посилення випарного охолодження . Так само, як цей шар повітря навколо вашої шкіри проводить тепло і зігріває вашу шкіру, він також випаровує вологу і стає більш вологим. (Ваша шкіра завжди може втратити деяку кількість вологи для сухого повітря, навіть якщо ви не відчуваєте пітливість.) Так само, як передача тепла зменшиться, коли повітря прогріється і наблизиться до вашої температури тіла, так і випаровування зменшиться, як повітря, що безпосередньо оточує ваше тіло, стає трохи більш вологим. Але коли повітря рухається, воно стає набагато ефективнішим при випаровуванні вологи з вашої шкіри. Ви можете прочитати про механізм потовиділення ще на одному тлі.

В обох випадках повітря, що рухається, діє відносно більше, як раковина з постійною енергією, оскільки, оскільки ваш організм вносить теплову енергію та / або вологу, ці молекули вищої енергії віддаляються від поверхні інтерфейсу з вашою шкірою і замінюються більш прохолодним сухим повітрям . З аналітичної точки зору, якщо повітря рухається досить швидко, вам не доведеться зважати на те, що він з часом стає теплішим або вологішим, оскільки він обмінюється теплотою і вологою зі своєю шкірою.

Як вказується в цьому коментарі , важливо визнати, що хоча потовиділення є спеціально механізмом охолодження, конвекція працює обома способами; якщо навколишнє повітря тепліше вашої шкіри, вітер змусить відчути себе ще гарячіше. Якщо вас справді цікавить ця тема, Центр побудованого середовища UC Berkeley має акуратний інструмент теплового комфорту, з яким ви можете грати, який розглядає детальніше, що стосується індивідуальних та екологічних змінних.

— Повітря
джерело

Іронічно відповів Airсам.

— JonH

Повітря, який відчуває холод, справді охолоджує вашу шкіру примусовою конвекцією та випаровуванням поту.
При відсутності руху повітря прикордонний шар більш гарячого повітря утворюється над шкірою, і тому через меншу різницю температур швидкість втрат тепла зменшується.
Переміщення повітря над шкірою порушує цю межу пізніше, дозволяючи неопалюваному повітрю контактувати зі шкірою, тим самим збільшуючи швидкість втрати тепла і тим самим шкіра більше охолоджується. Випаровування - це зміна стану, яка вимагає прихованого тепла, яке забезпечується шкірою, яка, таким чином, більше охолоджується. Дивіться холод вітру і для показника теплоти "протилежного" ефекту .

— Ферчер
джерело

У нерухомому повітрі основними механізмами передачі тепла є дифузія та природна конвекція. Якщо об’єкт знаходиться в більш високій температурі, ніж нерухоме повітря, тепло буде надходити від об'єкта до повітря. По суті, повітря, що безпосередньо оточує об'єкт, знаходилося б у більш високій температурі, ніж просто саме повітря.

У рухомому повітрі ви також маєте дифузію та природну та примусову конвекцію як механізми передачі тепла. Примусова конвекція працює для видалення нагрітого повітря в безпосередній близькості від цього об'єкта (за рахунок дифузії) і подає більше повітря при вихідній температурі повітря швидше, ніж інші механізми.

— Пол
джерело

В обох випадках спостерігається конвекція. У нерухомому повітрі (якщо це навіть правильно використовувати такий термін) ви матимете природну конвекцію через циркуляцію навколишнього повітря внаслідок перепадів щільності.

— Альго

@Algo: ти маєш рацію. Я повинен був розрізняти різні типи конвекції. Тим не менш, природна конвекція в цій ситуації відносно незначна як механізм охолодження. Дивіться мою оновлену відповідь.

— Пол,