Фактор ознобу вітру; Рух фізики тіла до метаболізму
За відсутності вітру поруч з шкірою утворюється шар теплого повітря, який ефективно забезпечує додатковий шар ізоляції, відомий як пограничний шар. Теплове зображення під кольором кодує тепле і прохолодне повітря, щоб ми могли візуалізувати утворення теплого прикордонного шару. (У наступному розділі ми дізнаємося, як створюються теплові зображення, подібні до цього.)
Ми бачимо, що утеплений шкірою шар тонкий, але повітря має дуже низьку теплопровідність, тому цей шар може зробити важливий внесок у сповільнення провідності. Вітер, як правило, частково знімає цей ізолюючий шар і замінює його більш прохолодним повітрям. Товщина теплого прикордонного шару, який здатний утворюватися, залежить від швидкості вітру, при цьому вищі швидкості ведуть до більш тонких шарів і спричиняють більший ефект охолодження вітру. Охолодження вітром - це приклад вимушеної конвекції, при якій тепло і холодно обмінюються рідиною внаслідок руху рідини, спричиненого зовнішніми факторами, такими як дме вітер або тече вода.
Повсякденний приклад: гарячі джерела та сауни
Під час занурення в рідину з температурою, що перевищує температуру тіла, наприклад, у гарячому джерелі чи сауні, ви можете помітити, що рідина раптом стає гарячішою, коли ви рухаєтесь. Незалежно від того, рухається рідина навколо вас, чи ви рухаєтесь крізь рідину, в обох випадках відбудеться примусова конвекція. Коли рідина тепліша за ваше тіло, тепло передається з рідини у ваше тіло, залишаючи поруч з шкірою трохи холодніший прикордонний шар рідини. При русі цей прикордонний шар залишається позаду і замінюється новою гарячою рідиною, яка ще не охолоджена вашим тілом.
Швидкість тепловіддачі примусовою конвекцією може бути розрахована за допомогою емпіричного рівняння, яке дуже схоже на рівняння провідності:
(1)
Ще раз швидкість тепловіддачі пропорційна різниці між температурами об’єкта та навколишнього середовища. Площа контактної поверхні (А) знову відіграє певну роль, в даному випадку між предметом та рідиною. Нарешті, конвективний коефіцієнт тепловіддачі (h) враховує властивості рідини та враховує залежність товщини прикордонного шару від швидкості рідини. Коефіцієнт конвективної тепловіддачі часто визначають експериментально. Наприклад, на наступних графіках показані експериментальні дані про коефіцієнт тепловіддачі повітря при діапазоні швидкостей вітру:
Графік даних про коефіцієнт конвективного тепловіддачі для повітря. «М2» в одиницях вертикальної осі означає квадратні метри.
Вправи на підкріплення
Щоденний приклад: виживання в холодну погоду
Скорочення холодного вітру (примусова конвекція) є важливою частиною загальної стратегії виживання в холодну погоду. Давайте оцінимо наслідки примусової конвекції під час виживання в пустелі в 25 років ° F (-3,9 ° С) з 10 миль/год (4.5 РС) вітер. Припустимо, ви носите тонкі тканини, досить проникні для вітру. Тепер ми можемо наблизити ефект конвекції, припустивши, що поверхня тканини така ж, як температура тіла, і застосувавши рівняння конвекції:
Різниця між температурою тіла та температурою повітря становить 37 ° С - (-3,9 ° С) = 40,9 C °. Коефіцієнт тепловіддачі становить приблизно згідно з попереднім графіком. Використовуючи методи з глави 17, ми оцінюємо поверхню верхньої частини тіла. Введення цих значень у рівняння конвекції:
Конвективна втрата тепла в цій ситуації повністю перевершить 100 W теплова сила спокою типової людини і температура тіла швидко впадуть. Щоб побачити, наскільки швидко, перегляньте розділ Теплова потужність. Тремтіння може збільшити теплову потужність до 2,5 разів, до приблизно 250 W [4], але навіть це не могло б збалансувати конвективну втрату тепла. Пошук притулку від вітру є важливою частиною стратегії виживання. Носіння одягу, що зупиняє вітер, є важливою частиною підготовки у пустелі. Навіть великий пластиковий мішок для сміття, який можна носити на більшій частині тіла, значно зменшить втрати тепла конвекцією.
Вітер не буде проникати крізь добре герметичне вікно, тому, здається, примусова конвекція не повинна бути суттєвим фактором втрат тепла через вікно. Однак одна скляна панель погано справляється з попередженням провідності, тому значна теплова енергія все одно перетинає бар’єр. Ця теплова енергія нагріє прикордонний шар на зовнішній стороні вікна, який потім може відвести вітром, тому насправді озноб вітру може впливати на швидкість тепловтрат через вікно. Вікна з подвійними склопакетами зменшують провідність, використовуючи шар затриманого повітря між двома склопакетами.
Зазор у вікні з подвійним склопакетом занадто малий для ефективного формування конвекційних комірок. Заповнення щілини менш провідним, більш в'язким (або повільним) та газом низького тиску ще більше зменшує як провідність, так і конвекцію через газ. Суміш газів криптону та аргону часто використовується як компроміс між тепловими характеристиками та вартістю. Кредит зображення: «Вікна, наповнені газом», Інститут електронної науки Джона Даттона, Державний коледж наук про Землю та мінерали Пенна
Ми знаємо, що провідність зменшується через вікно з подвійним склопакетом, оскільки теплопровідність повітря надзвичайно низька, але повітряний зазор у подвійних вікнах зазвичай становить лише близько 2 см. Враховуючи, що швидкість тепловіддачі провідністю зменшується із збільшенням товщини повітряного шару, чому вікна з двосторонніми стеклами мають набагато більший зазор? Чому б не мінімізувати провідність, зробивши зазор майже на всю товщину стіни? Природна конвекція є відповіддю на це питання. Природна конвекція - це передача тепла внаслідок руху рідини, спричиненого тепловим розширенням самої рідини, а не зовнішніми факторами, такими як вітер. Наприклад, ви зігріваєте повітря біля шкіри, і це повітря розширюється. Після розширення та сама маса повітря тепер має більший об’єм, отже, за визначенням вона має меншу щільність. Будучи менш щільним, ніж навколишнє прохолодне повітря, тепле повітря буде плисти вгору, як ви можете бачити на попередньому тепловому зображенні руки людини. (Щоб нагадати собі, чому підніметься тепліше і менш щільне повітря, дивіться попередню главу про плавучі сили).