Почему движущийся воздух кажется холодным?

Я беру урок термодинамики и у меня возник следующий вопрос. Я собирался спросить своего профессора напрямую, но это кажется глупым вопросом с простым ответом, поэтому я решил попытать счастья здесь, боясь смущения.

Когда воздух проходит через трубу, его энтальпия застоя не меняется. Для идеально калорийного газа энтальпия изменяется линейно с температурой.

{час}_{0} знак равно постоянная знак равно час + \frac{1}{2} U^{2}

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

час знак равно с_{п} T

$h = c_pT$

Давайте посмотрим на воздух. Воздух имеет удельную теплоемкость при постоянном давлении . Комнатная температура воздуха составляет около . Скорость ветра обычно ниже . $1000\ \mathrm{\frac{J}{kg\cdot K}}$ $300 \text{ K}$ $15\ \mathrm{\frac{m}{s}}$

Переписав наши уравнения, мы можем сказать:

с_{п} T_{0} знак равно с_{п} T + \frac{1}{2} U^{2}

$c_p T_0 = c_pT + \frac12u^2$

1000 \frac{J}{К грамм \cdot К} \cdot 300 К знак равно 1000 \frac{J}{К грамм \cdot К} \cdot T + \frac{1}{2} (15 \frac{м}{s})^{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 грамм} знак равно 1000 T \frac{J}{К грамм} + 112,5 \frac{J}{К грамм}

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

T знак равно 299,9 К

$T = 299.9 \text{ K}$

Таким образом, умеренные скорости ветра вообще не меняют температуру. Тогда почему движущийся наружу воздух чувствует себя значительно холоднее, чем застойный?

— user01101001
источник

Хороший вопрос, у меня всегда был этот вопрос, когда я сидел под потолочным вентилятором

— Шириш Хервейд

Если мы пренебрегаем испарением пота в течение секунды, то только воздух с температурой ниже температуры тела ощущается холодным (er), когда он движется. Поскольку наружный воздух обычно холоднее 37 градусов по Цельсию / 98 градусов по Фаренгейту, ветер ощущается холодным (er). Температуры воздуха выше этого порога обычно воспринимаются как неудобные, потому что охлаждение тела происходит только за счет испарения (то есть начинается сильное потоотделение), и в какой-то момент становится опасным. Я был в Долине Смерти в мае; Уверяю вас, ветер там был не прохладным, а скорее феном. Перемещение воздуха выше определенной температуры на самом деле ощущается теплее .

— Питер - Восстановить Монику

Вы можете чувствовать себя менее глупо :-) - в классе, то есть - если вы перефразируете как «почему движущийся воздух обеспечивает больше охлаждения для машины (компьютерные чипы или двигатель VW до 1975 года), чем статический воздух»?

— Карл Виттофт

Именно потому, что это ощущение связано не с температурой воздуха, а с теплопередачей, поэтому Питер чувствовал себя нехорошо, когда в мае в Долине Смерти. Если ваше тело теплее окружающего воздуха, вы почувствуете его холодным и наоборот. Рецепторы в коже являются ключевыми, как объяснено в ответе Air ниже

— raspacorp

Вдохните кого-нибудь в сауну, и вы увидите, что ощущение холода зависит от температуры тела :)

— Филипп Хаглунд

Ответы:

Есть несколько причин. Прежде всего, важно отметить, что ощущение тепла или прохлады только косвенно связано с температурой. Рецепторы в вашей коже, которые имеют дело с температурой, в основном чувствительны к теплопередаче и изменениям температуры , а не к абсолютным значениям температуры. Например, вот интересный отрывок из статьи EB о терморецепции :

Рецепторы холода реагируют на внезапное охлаждение с кратковременным увеличением частоты разряда (называемым динамическим откликом), которое напрямую связано с предшествующей температурой, величиной и скоростью снижения температуры. Если температура охладителя поддерживается, частота разряда адаптируется к частоте статического разряда, которая напрямую связана с температурой охладителя.

Таким образом, ощущение прохлады связано с тем, как быстро тепло отводится от кожи. Теплопередача происходит в трех режимах: излучение, проводимость и конвекция. Это последнее, что важно, потому что конвекция зависит от движения; без движения есть только излучение и проводимость. Воздух является довольно хорошим изолятором, что делает проводимость менее эффективной; и он прозрачен в широком спектре, что означает отсутствие значительного радиационного теплообмена. А у вашей кожи много крошечных волосков (и, возможно, более крупных, в зависимости от человека), которые работают против любых незначительных конвективных потоков, например, от сквозняка или небольшого нарушения.

По сути, в отсутствие конвекции (движущийся воздух) ваша кожа будет локально нагревать воздух вокруг себя, и этот воздух не будет очень быстро заменен более холодным воздухом . Когда он нагревается, он отводит еще меньше тепла от вашей кожи (поскольку меньший перепад температур является более слабым фактором).

Но гораздо более значимым фактором в большинстве случаев, вероятно, является увеличение испарительного охлаждения . Подобно тому, как слой воздуха вокруг вашей кожи проводит тепло и нагревается вашей кожей, он также испаряет влагу и становится более влажным. (Ваша кожа всегда может потерять некоторое количество влаги из-за сухого воздуха, даже если вы не чувствуете потливость.) Как теплообмен будет уменьшаться по мере того, как воздух нагревается и приближается к температуре вашего тела, так и испарение будет уменьшаться по мере того, как воздух, непосредственно окружающий ваше тело, становится немного более влажным. Но когда воздух движется, он становится намного более эффективным при испарении влаги с вашей кожи. Вы можете прочитать о механизме потоотделения для более подробной информации.

В обоих случаях движущийся воздух действует скорее как поглотитель постоянной энергии, потому что, поскольку ваше тело отдает тепловую энергию и / или влагу, молекулы с более высокой энергией удаляются от поверхности раздела с кожей и заменяются более прохладным, сухим воздухом. , С аналитической точки зрения, если воздух движется достаточно быстро, вам не нужно учитывать, что он со временем становится теплее или влажнее, так как он обменивается теплом и влажностью с вашей кожей.

Как отмечается в этом комментарии , важно признать, что хотя потоотделение является именно охлаждающим механизмом, конвекция работает в обоих направлениях; если окружающий воздух теплее вашей кожи, ветерок заставит его чувствовать себя еще жарче. Если вам действительно интересна эта тема, в Центре искусственной среды Калифорнийского университета в Беркли есть удобный инструмент теплового комфорта, с которым вы можете поиграть, который гораздо более детально подходит для индивидуальных переменных и переменных среды.

— Воздуха
источник

По иронии судьбы ответил Airсам.

— Джон

Воздух, ощущаемый как холод, на самом деле ваша кожа охлаждается принудительной конвекцией и испарением пота.
При отсутствии движения воздуха на коже образуется пограничный слой более горячего воздуха, и поэтому из-за меньшей разницы температур скорость потери тепла уменьшается.
Перемещение воздуха по коже позже нарушает эту границу, позволяя не нагретому воздуху контактировать с кожей, увеличивая тем самым потерю тепла и, таким образом, кожа остывает больше. Испарение - это изменение состояния, при котором требуется скрытое тепло, выделяемое кожей, которая, таким образом, охлаждается больше. См. Холод ветра и для " теплового индекса " эффекта "противоположного" .

— Farcher
источник

В неподвижном воздухе основными механизмами теплопередачи являются диффузия и естественная конвекция. Если объект имеет более высокую температуру, чем неподвижный воздух, тепло будет поступать от объекта к воздуху. По сути, воздух, непосредственно окружающий объект, будет иметь более высокую температуру, чем просто сам воздух.

В движущемся воздухе у вас также есть диффузионная и естественная и принудительная конвекция в качестве механизмов теплообмена. Принудительная конвекция работает для удаления нагретого воздуха в непосредственной близости от этого объекта (из-за диффузии) и подачи большего количества воздуха при первоначальной температуре воздуха быстрее, чем другие механизмы.

— Павел
источник

В обоих случаях есть конвекция. В неподвижном воздухе (если даже правильно использовать такой термин) у вас будет естественная конвекция из-за циркуляции окружающего воздуха в результате различий в плотности.

— Алго

@ Алго: ты прав. Я должен был провести различие между различными типами конвекции. Тем не менее, естественная конвекция в этой ситуации относительно незначительна как механизм охлаждения. Смотрите мой обновленный ответ.

— Пол