Jak koce zapewniają ciepło?

Warto zauważyć, że koce również (zaskakująco) działają jako (termiczne) osłony przed promieniowaniem. To jest powód, dla którego „koce ratunkowe” można czasami znaleźć w zestawach ratunkowych, które wydają się być niczym innym jak cienkim błyszczącym plastikiem. Ale naprawdę robią różnicę w ilości ciepła traconego przez ciepłe (37 ° C) ciało w zimną noc (bezchmurne niebo – przyjmij 0 ° C).

Dla ciała o powierzchni 30 cm x 180 cm zwrócone w stronę nieba, powierzchnia wynosi około 0,5 m ^ 2 $. Zakładając emisyjność 0,3 (wystarczy wybrać liczbę), strata ciepła jest określona wzorem

$$ E = \ epsilon \ sigma (T_1 ^ 4-T_0 ^ 4) = 53 W / m ^ 2 $ $

Lub 25 W dla człowieka, o którym wspomniałem. To niemała ilość ciepła … zwłaszcza jeśli weźmie się pod uwagę, że podstawowa przemiana materii („nic nie robienie”, co jest dobrym przybliżeniem snu) wynosi około 60 W. I to nie liczy ciepła, które stracisz oddychanie (podgrzewanie zimnego powietrza i napełnianie go parą).

Ogrzewanie zimnego powietrza (nadal trwa 0 ° C jako nasz punkt odniesienia):

250 ml na sekundę, pojemność cieplna 1020 J / kg / C, $ \ Delta T = 37 C $, dostajesz około 12 J

Parująca woda:

Nasycona prężność pary wodnej przy 37 ° C około 47 mm Hg oraz oddychając około 250 ml na sekundę (900 litrów na godzinę) przy efektywnym ułamku 47/760 na objętość wody, potrzeba to kolejnych 25 W.

Tak więc, co zaskakujące, te trzy mechanizmy powodują podobne ilości ciepła straty – i ochrona przed promieniującymi stratami ciepła jest rzeczywiście znacząca. Z tego powodu dobry koc (który będzie odzwierciedlał s część tego ciepła z powrotem do Ciebie) jest rzeczywiście „utrzymywaniem ciepła”.

Powyższe podkreśla, że najbardziej znaczącą formą utraty ciepła jest parowanie. Dobry koc zatrzymuje krążenie i utrzymuje „wilgotne” powietrze w pobliżu ciała. Spowoduje to spowolnienie tempa parowania, pomagając zachować ciepło. Zatrzymanie cyrkulacji powietrza zapobiega również odprowadzaniu „ciepła” – ale ilość ciepła przenoszona przez wilgotne powietrze jest znacznie większa niż „tylko powietrze”, jak pokazuje powyższy przykład.

to pytanie niż spotyka się zwykłym okiem …

Komentarze

• Uwzględnienie utraty ciepła spowodowanej oddychaniem jest interesujące, ale konwekcja jest całkiem duża sprawa. Nawet bez wiatru ' będziesz mieć znaczną konwekcję naturalną (pływającą). Mając $ h $ 5, ' stracisz 185 $ W / m ^ 2 $.
• @ user3823992 całkowicie zgadzasz się, że to ma znaczenie. Byłbym zainteresowany porównaniem hz i bez parowania – wpływ gradientu wilgoci. A leżenie przypuszczalnie wpływa na konwekcję termiczną …
• 250 ml / s nie jest jednak szybkością spoczynkową. Minutową objętość w spoczynku szacuje się zwykle na 6 do 8 litrów, co daje utratę około 9 do 13 W w wyniku parowania (zakładając wydychane powietrze o wilgotności 95%).
• @Poprzednia masz rację, mój numer częstość oddechów jest trochę wysoka. To samo skalowanie dotyczy współczynnika nagrzewania się powietrza. Na dużych wysokościach (lub gdy metabolizm jest zwiększony z powodu zimna) tempo znowu wzrośnie … Chodzi bardziej o szacowanie niż twarde wartości.

Przewodność cieplna szeregu materiałów jest podana tutaj . Nie mogę znaleźć danych dotyczących przewodności cieplnej litej wełny lub bawełny (tj. Litego bloku bez pustych przestrzeni powietrznych), ale przewodnictwo cieplne materiałów organicznych wydaje się wynosić około 0,25 USD Wm $ ^ {- 1} $ K $ ^ {-1} $. Z kolei przewodność cieplna powietrza wynosi 0,024 $ Wm $ ^ {- 1} $ K $ ^ {- 1} $, więc przy stałej temperaturze ciała i temperaturze zewnętrznej tracisz dziesięć razy mniej ciepła, gdy izolowane powietrzem niż większość materiałów stałych.

Problem w tym, że powietrze nie pozostaje w statycznej warstwie otaczającej ciało. Prądy powietrza i konwekcja termiczna wytwarzane przez ciepło twojego ciała powodują ruch powietrza. Zastąpi to ciepłe powietrze, które ogrzałeś do temperatury ciała, zimnym powietrzem i zwiększy tempo utraty ciepła.

Idealnie byłoby, gdybyś miał coś, co zatrzyma powietrze wokół ciebie, więc powietrze nie może się poruszać i odprowadzać ciepła. I chcesz, żeby te rzeczy były tak izolujące, jak to tylko możliwe.Najlepszym takim materiałem, jaki znam, jest aerożel krzemionkowy , który jest tak dobrym izolatorem, że został użyty na promie kosmicznym jako osłona termiczna przed ponownym wejściem. Szkło jest właściwie raczej słabym izolatorem, ale aerożel zawiera tylko kilka procent objętości szkła, a pozostałe 90 nieparzystych procent objętości to powietrze. Stąd jego doskonałe właściwości izolacyjne. Jednak aerożel jest kruchym ciałem stałym i kiepskim wyborem do pościeli.

Koce to swego rodzaju kompromis. Zawierają mniejszy procent objętości powietrza niż aerożel, a także zatrzymują powietrze mniej szczelnie, a oba czynniki obniżają właściwości izolacyjne. Jednak „są o wiele bardziej komfortowe niż aerożel.

Komentarze

• Koce aerożelowe lol ☺
• @Geremia: Podejmowano próby wyprodukowania elastycznych aerożeli. Zobacz na przykład ten artykuł . Jeśli wyszukujesz w Google odzież z aerożelu , jest dużo trafień, ale jak skuteczne jest to ' nie jestem pewien … .
• Dlatego odzież puchowa jest ciepła. Pióra mają niewielką masę, ale dobrze zatrzymują powietrze.

Normalnie ciepło ciała byłoby rozpraszane w powietrzu więc kiedy jest zimno, twoje zewnętrzne ciało ochładza się, ponieważ tracisz ciepło ciała na rzecz otaczającego cię powietrza. Kiedy więc okrywasz się kocem, powstrzymujesz ciepło ciała przed ucieczką, a ponieważ jest ono uwięzione, a twoje ciało nadal wytwarza ciepło, czujesz się cieplejszy i cieplejszy pod kocem. Ogólnie koc zapobiega konwekcji ciepła przez powietrze, znacznie spowalniając ruch powietrza. W ten sposób ciepło twojego ciała jest uwięzione wewnątrz koca.

Komentarze

• Konwekcja powietrza to jeden z czynników, ale co ważniejsze, moim zdaniem, są to właściwości termoizolacyjne materiału. Jeśli przykryjesz się słabym izolator cieplny, ale nadal całkowicie zatrzymuje powietrze, nie ' nie będzie skutecznie utrzymywać ciepła.
• @Mara: Tak, myślę, że ' jest tym, czym on jest rgued: zatrzymuje konwekcję, zapobiegając ruchowi powietrza.

To duży temat w naszym domu w ten moment, ponieważ tutaj jest zima, a my nie ogrzewamy całego domu.

Trzęsąc się w łóżku, zastanów się, jak ciepło przenosi się za pomocą jednej z następujących metod:

1) Konwekcja (w ruchu)

2) Przewodzenie (dotyk)

3) Promieniowanie

Idealny super-koc zajmie się wszystkimi trzema:

1) Zatrzymaj ruch powietrza. Może to zrobić, zamykając cię (jak plastikowa torba), ale bardziej praktycznie może być rozmyty. Fuzziness sprawia, że wiele małych kieszeni powietrznych jest trudnych do poruszania.

2) Zmniejsz przewodnictwo – będąc materiałem, który nie przenosi dobrze ciepła (np. Plastik w porównaniu z bawełną), zatrzyma ciepło przy ciele. Nawet lepiej, jeśli jest rozmyty, będzie mniej dotykał twojego ciała. Mniejszy kontakt z powierzchnią oznacza mniejsze przewodzenie.

3) Zmniejsz promieniowanie – jeśli może „skierować” ciepło z powrotem na ciebie, jak te mylarowe koce ratunkowe, wówczas ciepło, które promieniujesz, może zostać zwrócone do ciebie .