穿衣服與物理的關係

衣服和絕熱

 


當物體和外界的溫度不相一致時,就會有熱的轉換發生。

這種熱能的轉換試圖讓物體與外界達成熱平衡,也就是一致的溫度。

當你坐在火推旁時,火堆的熱能會逐漸傳遞到你身上 ;

此時我們希望有良好的熱量傳遞方式。

當你站在寒冷的高山上時,你身上的熱能也會逐漸散失於四周的環境中。

此時我們希望有良好的隔熱方式,避免流失太多的熱量,於是我們穿起厚重的衣服。

 


想一想:

要是剃光了頭髮,在冬天時頭頂會有什麼特殊的感覺呢?

冬天將衣服拉的更緊是什麼作用呢?

當穿著厚厚的皮衣時,為何身上會覺得越來越暖活呢?這些熱能是那來的呢?

為何人們在熱天運動時特別容易流汗呢?

保溫瓶內 光滑的鏡面是什麼作用呢?

動動手 , 做做看:

當用手直接去拿剛烤好的麵包 和 透過一張紙巾去拿感覺上有何差別?

不妨改換拿 冰塊又如何呢?如果將紙巾改成錫箔紙則又如何呢?

在冬天時穿厚棉襖讓你能夠保暖,

夏天若穿著厚棉襖在短時間內是否也讓你維持比較涼爽呢?

若是穿著厚棉襖在火爐旁取暖有效嗎?可能要特別小心,

或許棉襖不小心碰到火苗,你都還感覺不到呢!

消防隊員穿熱厚重的隔熱衣服,以保護自己不至於過熱。

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體溫的重要性:

良好的隔熱能夠維持屋內一定的暖活,冰箱內一定的冰凍程度,

避免拿起熱茶杯時被燙傷。和我們關係最密切的隔熱的東西便是我們所穿的衣服。

脯乳類動物和鳥類等溫血動物獨特之處便是生存時能維持一定的體溫。

冷血動物(例如魚類)則能容易的和四周的環境交流熱量,

使得身體內的溫度隨著保持與外界溫度一致。

通常化學反應的速率與溫度有著極密切的關係。

尤其與生命現象相關的很多化學反應在低溫下不易進行。

當四周環境溫度便低時,冷血動物的體溫跟著降低,體內的新陳代謝反應也跟著變慢。

每個分子所平均的能量降低,反應也會變得遲緩。

於是通常都成為溫血動物的獵物/食品。

溫血動物則有一套恆溫系統,以維持一定適當的體溫,在不同溫度環境之下,

體內的生理活動依舊,不受外界溫度變化的影響。

於是在寒冷的冬季,也能維持一定的靈活度,容易獵取 冷血動物當食物。

但是身為溫血動物也要付出一些代價以維持一定的體溫。

維持一定溫度所需的熱能必須要有提供的來源。

而我們(溫血動物)很多不自覺的行為也都是為了要維持一定體溫的需求。

我們的身體很謹慎的控制所產生的熱能並且我們也努力控制與外界交換能量的速率。

平常一個休息中的人約每小時產生 80 千卡的熱量。

讓一克的水升高攝氏一度所需的熱量為一卡,以上功率接近於 100W的功率。

即使是在休息時,我們的身體也一直不斷的在產生熱能,

藉由體內的化學反應產生的能量,使我們的血液流通,維持我們的思考,

在未對於外界做任何功的情形下,這些能量最後都轉變為熱能的形式。

所以在人多的室內,每一個人相當於 一個 100 W(瓦) 燈泡的熱源。

這還是靜態時所產生的熱能。

因此室內的溫度會逐漸增高,如果有激烈的活動則會產生更多的熱能。

想想看 :

若室內有 100 個人,相當於有 10000瓦的熱源,難怪缺乏空調時會覺得悶熱。

由於不斷的在產生熱量,我們也必須移走這些熱量才能維持一定的溫度。

由於我們的體溫(約37℃)通常都高於四周的環境,

於是熱量自然的會流向四周的環境之中。

活動中我們體內產生很多熱能,這些熱量的產生速率也通常都很穩定,

重要的協調在於如何適當的 調整熱量的散失。

我們的身體需要以產生熱量相同的速率(約100W)來散失熱能,才能維持一定的體溫。

這樣的熱量散失速率通常是很輕易達成的,除非在很熱的天氣裡或做劇烈運動時,

通常我們必須防止熱量散失過快,所以我們穿起了衣服以保暖。

以下我們分別由熱量傳播的三種主要方式分別討論:傳導,對流與輻射。

這些機致都會導致熱量的流失,因此我們必須同時注意這三種功能的調節。

 


熱傳導:Conduction

 


當物質的兩端存在於不同溫度下時,平均熱能會由高溫流向低溫。

熱能傳導的速率因物質不同而有不同的數值。(物質的基本特性之一)

皮膚比起玻璃或銅鐵等金屬都不易傳導熱能。

1. 熱能傳導的速率 和溫度差成正比例。

溫度差越大同樣的時間內傳導的熱能越多。

2. 若是將有溫差兩面間的截面積增加兩倍,或者說取兩組相同的材料,

則自然 熱傳導的速率也會加倍。因此熱傳導和截面積成正比。

3. 相同溫差材料與截面積,若是將厚度增加兩倍,有如在原來相同厚度的情形下,

溫差只有一半,因此熱傳導速率和溫差間的厚度成反比。

綜合以上三項,熱傳導速率 Q:熱能,A截面積,d 厚度,T2-T1 溫差

dQ/dt = k A*(T2-T1)/d

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而 k 則為比例常數,稱為熱傳導係數

人體皮膚底下的脂肪,熱傳導係數約為水的 20%,銅的 0.03 %

是不良的熱傳導體(不錯的熱絕緣)。

因此脂肪不只是儲存能量,位於皮膚下層更減少熱的散失。

皮膚表層的細毛相當於增加皮膚的等效厚度

所以身上有較厚毛的人比細毛的人更容易保持體溫。

減少與四周環境直接接觸的表面積也是防止熱量散失的好方法。

降低我們皮膚表層的溫度也是很好的方法,皮膚表層的溫度都比體溫低很多。

我們的手溫度低於體溫很多,但是由於血液必須由熱(較高溫)的體內,

逐漸降溫 流向低溫的手指頭後,又在昇溫回到心臟。

體內有個不錯的協調系統:

當血液流向手指時,將多餘的熱量傳到鄰近由手指留回體內的血液,

於是流向手指的血液會降低溫度,而流回體內的血液則獲得能量而增溫。

如右圖所示:

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對流:Convection

 


離開皮膚表面的熱流會將周圍的空氣加溫,空氣溫度變化的快慢取決於

周圍氣體的多寡與氣體的熱容量(讓一公斤氣體升高一度所需的熱量)。

熱容量和物質成分有關,

讓一公斤的水增加一度所需的熱量大約可以用來增加一公斤的空氣四度。

(一立方公尺的水約一公噸,但一立方公尺的空氣約1.29公斤)。

所以在冷水中比在冷空氣中容易冷卻。

由於空氣是不良的熱傳導體。

因此熱傳導所散失的熱量只用來加熱距離皮膚表層一小段的空氣。

若是這一區段的空氣無法移動,則空氣很容易就達到與皮膚表層相同的溫度,

熱傳導的損失自然就減少了!如此則皮膚感覺空氣是溫暖的。

但是空氣並不是靜止不動的,

當皮膚表層的空氣溫度升高時,空氣的密度也跟著減少了!

相同的大氣壓下,密度與絕對溫度成反比--波義耳定律,

或者說由於溫度增高了,氣體的平均動能增加了,因此也增加了彼此間的平均距離,

自然密度便減少了!

密度減少了,『熱』空氣便會往上昇,『冷』空氣進來彌補,

於是形成空氣的流動,同時也將熱能帶走形成對流現象

於是皮膚四周的空氣繼續保持接近於室溫,皮膚內外的溫差繼續傳導熱量至四周空氣,

在藉由對流作用帶走熱量。於是皮膚感覺四周很冷。

若是加上風吹的效應,則熱量散失的更快,於是感覺四周更冷。

冬天起風時感覺特別的冷,便是如此。

為了減少對流所損失的熱量,溫血動物長出了毛髮。

雖然毛髮本身的熱傳導也不好,但是毛髮最主要的功能是

阻礙空氣(氣流)的流動。藉由毛髮對氣流的阻滯作用,降低其速率。

在濃密的羊毛內,空氣幾乎被包圍著,無法流動,於是無法形成對流。

只能藉著由毛髮與空氣的熱傳導來傳熱。

由於毛髮與空氣均不是良好的熱傳導體,因此穿著羊毛衣特別的暖活。

由於人體的毛髮相對減少很多,於是並不適於在寒冷的天候下生存。

也因為如此人們穿上了衣服,以便將空氣包圍住避免對流的形成。

動物的皮革與毛髮作成的衣服,因為細密因此隔絕熱傳導效果不錯。

不能流動的空氣熱傳導係數更低於毛髮,

因此若用很薄的夾層將空氣限制在內部,便可做很良好的衣服。(不見得要厚重)

在水裡游泳也是一樣,在水中靜止不動時,感覺較暖活些。

有些泳衣貼了一層海綿讓貼近身體的水不流動,於是感覺更暖活些。

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熱輻射:Radiation

 


我們的身體也會向四周輻射熱能(熱輻射--電磁波)。

四周的環境也會輻射電磁波讓你的身體所吸收。

一個物體單位面積單位時間內

所輻射出的電磁波能量和 物體絕對溫度的 四次方成正比。

由於 熱輻射和溫度的四次方有關,因此當你四周的環境 有處於極高溫或較低溫的情況時,

熱輻射成為主要影響熱量變化的因素。

當熱輻射射到物體表面時,也只有部份比例的能量被吸收,部份的能量會被反射回去。

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太陽表面由於有極高的溫度(約6000度),

因此太陽溫暖我們皮膚的效果遠超過其他四周的環境。

算一算,太陽表面的溫度約為皮膚溫度的 20 倍。

因此太陽單位面積輻射出的功率是皮膚的 204倍(=160000倍)。

 


太陽的半徑約 6.97×108 m,與地球的平均距離約1.5×1011 m

因此 輻射到地球大氣層外 單位面積的功率減少了 4.6×104

204 / (4.6×104) = 3.45 倍。

因此曬太陽時皮膚吸收太陽輻射的功率遠高於皮膚輻射出的功率。

 


但是夜晚時,由於星空的溫度很低因此熱輻射成為散失熱量重要途徑。

大部份星空的溫度只是絕對溫度幾度而已。

因此在四周空曠的星空下,你的身體平均約散失100瓦的功率,

卻幾乎得不到任何回饋,於是感覺很冷。

若是站在濃密的樹陰下感覺就會差很多。

或許你會奇怪為何四周的空氣不會有熱輻射反射回到我們身上呢?

原因是空氣對於我們所輻射的電磁波(主要為紅外線)可以說是完全透明的,

僅吸收非常微量的電磁波。

水,二氧化碳等氣體則能夠較有效率的吸收紅外線。

並不是所有的物質都能輕易的吸收與輻射電磁波。

鏡子幾乎反射所有到表面的熱輻射,

而白色的表面則將熱輻射散射到各個方向(為什麼呢?)。

因此可以作為熱輻射的較好 絕熱體。

吸收熱輻射強度的比例以 發射率(emissivity) 來表示。

一個理想『黑體』能夠吸收所有輻射到表面的電磁輻射波,

也能夠 最有效率的輻射出電磁波 ,其 發射率為 1.0

而 光滑的『白色』表面則 幾乎反射所有的電磁輻射波,

本身也不對外產生熱輻射,發射率為零。

由於大部份的熱輻射為紅外線,並不是我們人眼所能觀測的範圍,

因此 不容易由眼睛直接判斷 發射率的大小。

可能對可見光完全反射的『白色』物質,

但是對紅外線而言卻是良好的『黑色』吸收體。

綜合以上敘述 輻射功率 P = e σT4 A

e 為發射率,σ= 5.67× 10-8 J/(s-m2k4)為一自然常數,A 為表面積。

以上也可以說明穿不同顏色的衣服有何不同的作用。

在夏天最好穿 淡色的衣服,並盡量在陰涼處。

冬天時穿白色的衣服一樣可以達到保暖的效果是因為白色的衣服也不易產生熱輻射,

因此散失的熱量較少。

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若是四周的環境比起體溫溫度還高時,怎麼辦呢?

 


降低熱的散失速率並不見的永遠是好事,假如隔熱效果太好,身體反而會過熱。

當運動時或在豔陽下,此時就要想法增加 傳導,對流與輻射的效率了!

我們可以讓身體接近冷的空氣甚至冷水中以增加 熱傳導。(改變溫差)

或者利用風扇來增加對流的速率。或者躲在陰涼處。

穿著黑色的衣服雖然可以輻射較多的熱量,但也同時吸收更多的熱輻射。

白色的衣服吸收較少的輻射,倒也是不錯的選擇。

假如四周的溫度高於你的體溫,還是要穿著衣服,這樣熱也較不容易傳導進入體內。

但是也無法持久,因為體內也會不斷的產生熱量。此時該怎麼辦呢?

人體有項很好的機能:『流汗』。

流汗後 藉由水蒸發時,分子間距離增大需要吸收熱量,於是可以帶走相當的熱量。

一克的水從零度增加到一百度需要約 100 卡的熱量。

可是 一克的水蒸發為水蒸氣 需要 539 卡的熱量。

因此流汗可以幫助我們散熱,可是多毛的狗 則由於太多的毛,水氣不易蒸發。

只好藉由張口呼氣來幫助散熱了!

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房屋與其他的絕熱方式

 


房屋希望能達到冬暖夏涼的目標,簡單的說就是維持恆溫,

冬天高於外界的低溫,夏天低於外界的高溫。

由於房屋通常不會移動,因此可以用較重的材料做熱絕緣。採用的原理和人們保溫的方法類似。

雖然很多固體都是不良熱傳導體,但是最好用的還是空氣,但是並需要防止它對流。

因此現代房屋採用 玻璃纖維纏繞 阻絕空氣的流通,塞於四周牆壁內,會是好的隔熱材料。

而且它又不怕火。是良好的選擇。

屋內由於熱空氣上昇,冷空氣下降。頂層天花板與屋頂間的隔熱需要多加以考量。

窗戶由於必須透光中間不好塞東西。而玻璃導熱性還不錯。

因此好的作法是作成數層薄間距的玻璃層,但是窗戶都還是較牆壁容易 散失/跑進 熱量。

裝百葉窗讓陽光射入,但擋住部份輻射的射出,也是不錯的點子。