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?

mechanical-engineering thermodynamics hvac temperature 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