Теплоизлучение и теплопроведение. Роль конвекции в теплообмене
а) Основные физические способы отдачи тепла с поверхности тела. Различные способы отдачи тепла с поверхности кожи окружающей среде представлены на рисунке ниже.
Механизмы теплоотдачи
Они включают теплоизлучение, теплопроведение и испарение.
б) Теплоизлучение. Как показано на рисунке выше, обнаженный человек, сидящий при нормальной комнатной температуре, 60% тепла отдает с помощью теплоизлучения.
Потеря тепла посредством теплоизлучения означает теплоотдачу с помощью инфракрасного излучения, — разновидности электромагнитных волн. Большая часть инфракрасного излучения, испускаемого телом человека, обладает длиной волны от 5 до 20 мкм, т.е. в 10-30 раз большей, чем длина волны луча света. Температура любых предметов окружающей среды не равна абсолютному нулю, поэтому они тоже испускают такое излучение. Тепловые лучи испускают стены комнаты и находящиеся в ней предметы по направлению к телу человека. Тело человека путем инфракрасного излучения отдает тепло во всех направлениях. Если температура тела выше температуры окружающих предметов, тело отдает большее количество тепла, чем получает.
в) Теплопроведение. Как показано на рисунке выше, только небольшое количество тепла (около 3% в норме) отдается телом непосредственно путем теплопроведения от поверхности тела к твердым предметам, таким как стул или кровать. Однако теплоотдача путем проведения через воздух вполне сопоставимо количественно с общими потерями тепла телом (около 15%) даже в обычных условиях.
Напомним, что тепло представляет собой кинетическую энергию молекулярного движения и молекулы кожи постоянно совершают колебательные движения. Большая часть энергии этого движения может передаваться воздуху, если температура воздуха ниже, чем температура кожи, посредством увеличения скорости движения молекул воздуха. Если температура окружающего воздуха и температура кожи одинаковы, дальнейшая теплоотдача таким способом становится невозможной, поскольку количество тепла, отдаваемое телом воздуху, становится равным количеству тепла, отдаваемого воздухом коже. Таким образом, теплопроведение от тела воздуху ограничивается, когда нагретый воздух не уносится от кожи, а холодный — прекращает поступать. Этот феномен получил название конвекции воздуха.
г) Конвекция. Теплоотдачу посредством смещения воздушного потока обычно называют теплоотдачей путем конвекции. В действительности тепло должно сначала передаваться воздуху и только затем уноситься потоком воздуха.
Незначительная конвекция вблизи тела существует всегда, поскольку нагретый вокруг тела воздух поднимается вверх. Именно поэтому обнаженный человек, сидящий в комнате без сквозняков, 15% тепла отдает воздуху путем конвекции.
д) Охлаждающий эффект ветра. Если дует ветер, слои воздуха в непосредственной близости от кожи замещаются новыми потоками воздуха гораздо быстрее, чем обычно. Соответственно тепло путем конвекции отдается быстрее. Охлаждающий эффект ветра при его низкой скорости почти пропорционален квадратному корню скорости ветра. Например, охлаждающий эффект ветра, скорость которого равна 6,5 км/ч, почти в 2 раза превышает таковой у ветра, скорость которого равна 1,6 км/ч.
ж) Теплопроведение и отдача тепла путем конвекции при пребывании человека в воде. Теплоемкость воды в несколько тысяч раз превосходит теплоемкость воздуха, поэтому каждая единица объема воды по соседству с кожей может абсорбировать гораздо больше тепла, чем такая же единица объема воздуха. Кроме того, теплопроводность воды по сравнению с теплопроводностью воздуха очень высока, следовательно, невозможно нагреть тонкий слой воды по соседству с телом и сформировать «изолирующую зону», как это бывает в воздухе. В связи с этим скорость отдачи тепла в воде во много раз выше, чем в воздухе.
