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夏天穿衣服是为了啥?让热力学给你一个充分的理由

字号+作者:新浪科技综合 来源:新浪科技 2019-06-23 11:15 我要评论() 收藏成功收藏本文

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  文章来源:中科院物理所

  撰文 Cloudiiink

  热,宏观上来说物体的冷和热,但?#28216;?#35266;上来说其实就是物质中所有无规运动的粒子的动能之和。因为原子核和电子的质量相差悬殊,所以这些动能主要都来自于原子核。提这一点是因为针对不同组分,可以有不同的温度概念,?#28909;?#30005;子温度等。而这个概念在诸如核聚变等场合需要频繁用到。核聚变时内部已经变成了一个等离子体,核外电子摆脱了原子核的束缚。

  估计大家肯定都听过:浙江温州浙江温州,最大皮革厂,江南皮革厂倒闭了!……我们没有办法,拿着钱包抵工资!原价都是一百多、两百多、三百多的钱包,通通二十块!通通二十块!其实在经典热力学里面,分子的无规运动动能也和“钱包”一样,通通打包贱卖……

一个 α 螺旋肽分子的热运动。这种不停的运动是既随机又复杂的,而且任一原子的能?#31185;?#20239;都可?#38498;?#22823;。然而,使用能量均分定理可以计算出每个原子的平均动能,以及许多振动态的平均势能。灰色、红色及蓝色的球分别代表碳、氧及氮原子,而小白球则代表氢原子。?#35745;?#26469;自 wikipedia   一个 α 螺旋肽分子的热运动。这种不停的运动是既随机又复杂的,而且任一原子的能?#31185;?#20239;都可?#38498;?#22823;。然而,使用能量均分定理可以计算出每个原子的平均动能,以及许多振动态的平均势能。灰色、红色及蓝色的球分别代表碳、氧及氮原子,而小白球则代表氢原子。?#35745;?#26469;自 wikipedia

  在玻尔兹曼发展了热力学的统计理论?#38498;螅?#31185;学家们终于可以在理论上计算出特定温度下系统内能的大小。气体处于平衡态时,分子中任何一个自?#21861;?#30340;平均能量都相等,均为 ? kT,这就是能均分定理[1]。这个结论的有趣之处在于统一了分子里面不同的运动自?#21861;齲?#21407;来是振动,转动,平动的能量,统统 ? kT!统统 ? kT!

  虽然玻尔兹曼的统计理论非常完善,解释了实验上的很多现象,但还是面临了很大争论。最大的困难来自当时很多的科学家认为他的研究根基——原子和分子就不存在。这场争论?#20013;?#20102;数年之久,在巨大的精神压力之下,最终玻尔兹曼在情绪失控中自缢身亡[2]。

  热量是怎么自由奔跑的

地球中的大气环流,承担了很重要的热量输运功能,?#35745;?#26469;自 teded.tumblr 地球中的大气环流,承担了很重要的热量输运功能,?#35745;?#26469;自 teded.tumblr

  传导、对流?#22836;?#23556;。这个估计大家都背过,被自然科学老师从小念叨到大。而这里面又可以分为两类,物质内传热和物质外传热。前面也提到了,内能?#23548;?#19978;就是系统内的分子或原子无规运动的平均动能,?#28909;?#22266;体中,原子一个紧挨着一个排列,那么动的更快的原子就会推动动的更慢的那些。而气体里面,这个过程就要难得到,这正是热传导。对流则主要发生在流体中,?#28909;?#21152;热一壶水,从底部加热会比?#30001;?#38754;加热要容易加热地多。因为如果从底部加热,热水上升,冷水下?#31890;?#21152;热会更有效率。

辐射示意图,?#35745;?#26469;自 European Space Agency - ESA 辐射示意图,?#35745;?#26469;自 European Space Agency - ESA

  相比前面两者,辐射则并不那么直观。人们为了能够真正地理解辐射,最后一?#38381;?#20986;来 bug 级别的量子力学这样的存在才完全理解。?#27604;?#22914;果不去管背后太多复杂的东西的话,冬天里的烤火,?#22266;?#38451;,都是通过辐射来获取热量的方式。通过电磁波来携带能量。

  ?#35828;降子?#22810;热?

  回到我们今天在最前面抛出来的问题上。关于人为啥会穿衣服,显然有很多社会学的因素,但是今天我们就从热学上来谈一谈这件事情。

  平时,我们待的环境里面绝大多数都没有超过我们的体温,因此人体一直不?#31995;?#22312;向外辐射热量。这个点其实挺出人意料的。在绝大多数时候,通过汗液蒸发等方式散热的都只是很小一部分,真正的占了最主要的部分,反而是我们平时都忽略掉的辐射散热。传导散热次之,而人体和空气通过热传导散热则几乎可?#38498;?#30053;不计。而辐射这么重要,就是因为其散热的功率,和温度的四次方成正比。

利用卫星探测到的宇宙微波背景辐射,?#35745;?#26469;自 wikipedia 利用卫星探测到的宇宙微波背景辐射,?#35745;?#26469;自 wikipedia

  我们耳熟能详的宇宙里面的微波背景辐射,对应的温度只有 2.7K,需要用巨大的天线才能测量。而人体的体表温度接近 300K,单位面积辐射热量的功率是微波背景辐射的一亿倍。为了更详细地计算 [3],我们使用中国人群平均数据,体表面积约为 1.6㎡,人体核心温度为 37℃,体表温度通常为 33℃,人体站立姿态时有效辐射面积约为体表面积的 0.73 倍,环境温度 25℃,身体裸露时?#29615;?#23556;功率约为 55W。这个数目真的不小了。同样,我们?#37096;?#20197;估计对流散热的功率约为 30W。

  所以衣服到?#23376;?#21861;用?

  很多文章里面都说,衣服的颜色其实很重要,穿不穿衣服也很重要。这在热学里面其实也是很有道理的。前面提到了热辐射占了主要因素,衣服的颜色越?#24120;?#20854;反射电磁波的能力也就越强,因此在户外的时候,大家都比较推荐穿?#25104;?#30340;衣服。

  但其实真?#30331;?#20917;比简单的分析要复杂,一个常常被大家忽略掉的因素是环境中的?#32546;佟?#26366;经有文献系?#36710;?#24635;结了鸟类的羽毛对其散热的影响[4]。鸟类和人类的散热也大致相当,辐射散热占据了半壁江山,另外半壁江?#25509;啥?#27969;占领。讲道理大自然中有这么多黑色的鸟,它们没被太阳晒死,风就占据了很大的功劳。因为黑色吸收了绝大部分的辐射热量,这些热量集中在羽毛的表层,只要环境?#32546;?#36739;大,就可以迅速地把热量全部带走。

  前面提到?#25104;?#30340;衣服反射电磁波的能力也比较强,所?#36816;?#21453;射人体自己的辐射的能力也比较强,更多的热量反而返回给了人体,在外界风较大(>3m/s)的情况下,?#25104;?#34915;服相比深色衣服就没有优势了[5] 。

  不穿衣服直接在户外作业其实一点都不推荐,原因也很简单,宽松的衣服其实起到了很好的隔绝太阳辐射、吸收热量的作用。在空气流动之下,衣服的散热也远比身体表面散热要容易很多。

  完了,?#38498;?#27809;有理由裸奔了。

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