Como os cobertores o mantêm aquecido?

Pode valer a pena apontar que os cobertores também (surpreendentemente) agem como escudos de radiação (térmica). Esta é a razão pela qual “cobertores de emergência” às vezes podem ser encontrados em kits de sobrevivência que parecem ser nada mais do que um fino plástico brilhante. Mas eles realmente fazem a diferença na quantidade de calor perdida por um corpo quente (37 ° C) em uma noite fria (céu sem nuvens – suponha 0 ° C).

Para um corpo com uma área de 30 cm x 180 cm voltado para o céu, a área é de aproximadamente $ 0,5 m ^ 2 $. Assumindo uma emissividade de 0,3 (apenas escolhendo um número), a perda de calor é dada por

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

Ou 25 W para o humano que acabei de mencionar. Essa não é uma quantidade insignificante de calor … especialmente quando você considera que a taxa metabólica basal (“não fazer nada”, que é uma boa aproximação do sono) é em torno de 60 W. E isso sem contar o calor que você perderá ao respirar (aquecer o ar frio e enchê-lo com vapor).

Aquecer o ar frio (ainda em andamento com 0 ° C como nossa linha de base):

250 ml por segundo, capacidade de calor de 1020 J / kg / C, $ \ Delta T = 37 C $, você obtém cerca de 12 J

Evaporando água:

Pressão de vapor saturado de água a 37 ° C em torno de 47 mm Hg, e respirando cerca de 250 ml por segundo (900 litros por hora) com uma fração efetiva de 47/760 por volume de água, isso leva outros 25 W.

Então, surpreendentemente, esses três mecanismos resultam em quantidades semelhantes de calor perda – e proteger-se das perdas de calor por radiação é realmente significativo. Por isso, um bom cobertor (que irá refletir (parte desse calor de volta para você) é de fato “manter o calor dentro”.

O que foi dito acima sublinha que a forma mais significativa de perda de calor é a evaporação. Um bom cobertor interrompe a circulação e manterá o ar próximo ao corpo “úmido”. Isso diminuirá a taxa de evaporação, ajudando você a se manter aquecido. Interromper a circulação do ar também impede que ele carregue “calor” – mas a quantidade de calor transportada pelo ar úmido é significativamente maior do que “apenas ar”, como o exemplo acima demonstra.

Há mais a fazer esta questão que parece casual …

Comentários

• A inclusão de perda de calor devido à respiração é interessante de incluir, mas a convecção é uma muito grande. Mesmo sem vento, você ‘ terá convecção natural (flutuante) significativa. Com $ h $ de 5, você ‘ perderá $ 185 W / m ^ 2 $.
• @ user3823992 concorda totalmente que isso importa. Eu estaria interessado em sua comparação de h com e sem evaporação – o impacto do gradiente de umidade. E deitar provavelmente afeta a convecção térmica …
• 250 ml / seg., Entretanto, não é uma taxa de repouso. O volume minuto em repouso é geralmente estimado em 6 a 8 litros, dando uma perda de cerca de 9 a 13 W devido à evaporação (assumindo ar exalado a 95% de umidade).
• @Anterior, você está certo, meu número pois a frequência respiratória é um pouco alta. A mesma escala se aplica ao fator de aquecimento do ar. Em grandes altitudes (ou quando seu metabolismo aumenta porque você está com frio), a taxa aumentará novamente … Trata-se mais de estimativa do que de valores reais.

As condutividades térmicas de uma variedade de materiais são fornecidas aqui . Não consigo encontrar números para a condutividade térmica de lã sólida ou algodão (ou seja, um bloco sólido sem vazios de ar), mas a condutividade térmica de materiais orgânicos parece estar em torno de $ 0,25 $ Wm $ ^ {- 1} $ K $ ^ {-1} $. Em contraste, a condutividade térmica do ar é $ 0,024 $ Wm $ ^ {- 1} $ K $ ^ {- 1} $, portanto, dada uma temperatura corporal e externa constantes, você perderia dez vezes menos calor quando isolado por ar do que quando isolado pela maioria dos materiais sólidos.

O problema é que o ar não fica em uma camada estática que envolve seu corpo. As correntes de ar e a convecção térmica criadas pelo calor do corpo fazem com que o ar se mova. Isso substituirá o ar quente que você aqueceu até a temperatura de seu corpo pelo ar frio e aumentará a taxa de perda de calor.

O ideal é que você queira alguma coisa que possa manter o ar ao seu redor, para o ar não pode se mover e levar o calor embora. E você quer que esse material seja o mais isolante possível.O melhor material que conheço é o aerogel de sílica , que é um isolante tão bom que foi usado no ônibus espacial como escudo térmico para a reentrada. O vidro é, na verdade, um isolante bastante pobre, mas o aerogel contém apenas uma pequena porcentagem de vidro em volume e os outros 90% de seu volume é ar. Portanto, são excelentes propriedades de isolamento. No entanto, o aerogel é um sólido quebradiço e uma escolha ruim para roupas de cama.

Os cobertores são um meio-termo. Eles contêm uma porcentagem menor de ar por volume do que o aerogel, e também prender o ar com menos força e ambos os fatores reduzem as propriedades de isolamento. No entanto, eles são muito mais confortáveis do que o aerogel seria.

Comentários

• Cobertores de aerogel lol ☺
• @Geremia: Tem havido tentativas de fazer aerogéis flexíveis. Veja por exemplo este artigo . Se você pesquisar roupas de aerogel no Google, encontrará muitos resultados, mas não tenho certeza de quão bem-sucedido é ‘. .
• É por isso que as roupas de baixo são quentes. As penas têm pouca massa, mas prendem bem o ar.

Normalmente, o calor do seu corpo se dissiparia no ar , então, quando está frio, seu corpo externo esfria, porque você está perdendo o calor do seu corpo para o ar perto de você. Então, quando você se cobre com um cobertor, você impede que o calor do seu corpo escape, e como fica preso, e seu corpo continua a produzir calor, você se sente mais e mais aquecido sob o cobertor. No geral, o cobertor evita a convecção de calor pelo ar ao diminuir a velocidade do movimento do ar. Assim, o calor do seu corpo fica preso dentro do cobertor.

Comentários

• A convecção do ar é um fator, mas, mais importante, na minha opinião, são as propriedades de isolamento térmico do material. Se você se cobrir com um isolante de calor, mas que ainda retém o ar completamente, não ‘ será eficiente em mantê-lo aquecido.
• @Mara: Sim, acho que ‘ é o que ele é questionado: ele para a convecção evitando o movimento do ar.

Este é um grande tópico em nossa casa em o momento porque é inverno aqui e não aquecemos o lugar inteiro.

Tremendo na cama, pense em como o calor se move por qualquer um dos seguintes:

1) Convecção (movimento do ar)

2) Condução (toque)

3) Radiação

Um super-cobertor ideal irá resolver todos os três:

1) Pare de mover o ar. Ele pode fazer isso envolvendo você (como um saco plástico), mas, de forma mais prática, pode ser confuso. A imprecisão dificulta muito a movimentação das bolsas de ar.

2) Reduza a condução – por ser um material que não transfere bem o calor (por exemplo, plástico x algodão), manterá o calor próximo ao seu corpo. Melhor ainda, se estiver confuso, estará tocando menos seu corpo. Menos contato com a área de superfície significa menos condução.

3) Reduza a radiação – se puder “brilhar” o calor de volta para você, como aqueles cobertores de emergência de mylar, então o calor que você está irradiando pode ser devolvido a você .