有一个很多人其实会混淆的概念:
你感受到的所谓“温度”,其实不完全是温度。
本质上,是热流量。
有一个最简单的例子:冬天比夏天冷。
废话,冬天可不就比夏天冷么?
是的——但我的意思是,即使你在屋里,且客观的空气温度一致的情况下,冬天的体感温度依旧比夏天冷。
这是一个生活经验,但很多人会下意识的忽略,认为就是因为环境温度低,但真正原因不是环境温度低。
那是因为什么?
辐射传热。
根据斯特藩 - 玻尔兹曼定律,黑体的总辐射射出射度公式为 M(T)=σT⁴
而物体表面的热辐射功率公式为εσA(T₀⁴-T₁⁴)
其中σ是个常数,大小约为 5.67e-8W·m⁻²·K⁻⁴
按照这个计算,假设人体的体表发射率为 1 近似计算,ε=1
夏季室外温度 30℃,冬季室外温度 0℃
你的体温恒定且处处为 36℃
经计算,你的有效辐射面积为 0.7m²的情况下,因辐射传热损失的热功率,高达 114.2 瓦。
这就是你在环境温度相同时,感受到的“温度”的差异来源!
这是你的神经系统骗了你,它测量的不是温度,是热流量——这两者不同,但有些相似之处。
比如温度决定了热流密度(单位时间内通过单位面积传递的热量),在热导率差不多的情况下,热流密度随温度梯度的增大而增大。
具体表现就是——抽烟的时候反着抽会烫嘴。
电熨斗不能摸底。
炒菜不能用手。
开水不能直接喝。
这些是你的生活经验,所以人会下意识的把“温度高的东西会烫”等价于“烫的东西温度一定高”,再进一步等价为——“不烫的东西温度不高。”、“不冰的东西温度一定不低”,最后变成“我感受到的热的东西一定比冷的东西温度更高。”
但事实上,不是这样的,而且越来越错。
举个反例:桑拿房。
70℃的桑拿房都去过吧?没去过的可以体验体验。
70℃是不是听起来很可怕?但是泡过温泉,进去体验过的人往往会觉得这不像 70℃
这充其量也就 40℃
不是因为桑拿房坏了,而是因为——空气的定压比热容与热导率都太低了。
一个个解释,先看定压比热容。
100℃以内,水的比热容比空气高 3000 倍起步。
什么意思?能够让 1 立方米空气温度上升 30℃的热量,也就能让水升高 0.01℃。
再看热导率——
热导率是什么?
热导率是一种材料传递热量的能力——定义为,单位温度梯度下,单位时间内通过材料单位垂直面积所传导的热量。
定义看起来很绕,不好懂——所以也没必要懂,你就记住,热导率就像导电性
而热导率的反义词,热阻,就像电阻。
你盖棉被是因为棉被保暖,散热能力差,那么棉被的热阻就大,热导率就小。
OK,概念理清了。
可这又和桑拿房有什么关系呢?
好我们还原场景,你泡完一场美滋滋的温泉,抬眼看到了个 70℃的桑拿房,怀揣着好奇心,推门而入。
推门而入的瞬间——你发现自己在温泉馆泡超时了。
……
开个玩笑,推门而入的瞬间,你温度相对较低的身躯,迎面撞上了温度很高的热空气。
在那一瞬间,发生了三件事。
1、你的皮肤与空气形成了温度梯度,开始传热,这一瞬间,满足一阶静态传热模型。
2、靠近你体表的空气将热量传递给你,然后温度下降,在你和离你稍微远一点的热空气之间,形成了一层“冷界面”,这在传热学里被称为“热边界层”。
3、离你稍微远一点的热空气无法直接接触你的体表,只能把热量传递给那个在“热边界层”的冷空气。
因为空气的定压比热容很低,所以在接触到你的体表的时候,你体表表面的那层空气,温度会迅速降低。
此时,边界层出现。
(PS:当然了,为了防止评论区吹毛求疵,我必须先叠甲:这只是一个比较粗略的简化模型,事实上,这个过程中还有质交换,热质交换本质上既有热交换又有质交换,但是我们就假设桑拿房里没风,空气静止,你进去之后也不动了,找了个地方躺着,于是忽略质交换。)
这个边界层就是温度明显变化的薄层。
在这个层外,热空气的温度梯度很缓和,可能离你 5cm 的地方空气温度就能有 65℃,离你 1.05 米的地方空气温度 70℃,那么温度梯度就是 5K/m
但是一旦进入边界层,比如离你皮肤 0.01cm 的地方,空气温度才 40℃,离你皮肤 0.11cm 的地方,空气温度就到了 60℃
那么此时,这一层边界层的温度梯度,就高达 20000K/m
这意味着什么?
这意味着,你拥有一道天然的“隔热层”
这个隔热层,就是空气本身。
静空气的热导率仅约 0.025W/(m·K)
根据傅里叶定律,q=-kΔT/Δx
热空气给你传热的热流密度,其实只有区区 20000*0.025=500W/m²
这个数字其实也挺高,所以这种高温桑拿房也不能长时间待里面。
但是,这个数字还行,没有那么高,而且你本身也在出汗,还有你刚进来的时候可能刚冲完澡,还有一身水,水蒸发 1g 就能通过相变带走 2400J 的热量,所以平衡了这样的热流量。
真的,相比于水 0.6W/(m·K)的热导率,空气已经算是相当温柔的了。
如果你在 70℃的水里,那紧贴着水的薄边界层的热流密度可就高达上万瓦每米每开尔文,那可就是瞬间让你烫伤,蛋白质变性,疼好几天的程度了。
如果是铁——80W/(m·K)
那你好好享受吧。
看到了吗?同样是 70℃,为什么效果天差地别?
因为热流密度、还有热流密度带来的热流量差异。
回到你的问题。
为什么 35℃的环境你会觉得热?
事实上不是你觉得“热”,是你觉得“没法散热”。
事实上,35℃,尤其是湿度大没法排汗的情况下,你的体感温度其实和 70℃的干热桑拿房里差不多,甚至 70℃还“凉快”一点。
原因很简单,贴着你皮肤的,在边界层里的那层空气的温度都差不多,把你包裹起来,外界的热挤不进来,你的热也散不出去。
有什么办法?
解法 1:当流体流过固体表面时,q=hΔT
如果ΔT 固定了,外面就这么热。
那就只能去找 h(对流传热系数)的事了。
强制对流的 h 远大于自然对流,所以你可以找个风扇来。
湍流的 h 远大于层流,所以风猛一点,会让你更凉快。
解法 2:如果ΔT 可变。
那还废什么话?赶紧开空调啊!