Warum fühlt sich bewegte Luft kalt an?

Ich nehme an einem Thermodynamikkurs teil und hatte folgende Frage. Ich wollte meinen Professor direkt fragen, aber es scheint eine blöde Frage mit einer einfachen Antwort zu sein, also dachte ich, ich würde mein Glück hier versuchen, aus Angst vor Verlegenheit.

Wenn Luft durch ein Rohr strömt, ändert sich seine Stagnationsenthalpie nicht. Für ein kalorisch einwandfreies Gas gilt, dass die Enthalpie linear mit der Temperatur variiert.

h_{0} = Konstante = h + \frac{1}{2} u^{2}

$h_0 = \text{constant}= h + \frac12u^2$

h = c_{p} T

$h = c_pT$

Schauen wir uns die Luft an. Luft hat eine spezifische Wärme bei einem konstanten Druck von . Raumtemperatur Luft ist ungefähr. Windgeschwindigkeiten liegen in der Regel unter $1000\ \mathrm{\frac{J}{kg\cdot K}}$ $300 \text{ K}$ . $15\ \mathrm{\frac{m}{s}}$

Wenn wir unsere Gleichungen umschreiben, können wir sagen:

c_{p} T_{0} = c_{p} T + \frac{1}{2} u^{2}

$c_p T_0 = c_pT + \frac12u^2$

1000 \frac{J}{k G \cdot K} \cdot 300 K = 1000 \frac{J}{k G \cdot K} \cdot T + \frac{1}{2} (15 \frac{m}{s})^{2}

$1000\ \mathrm{\frac{J}{kg \cdot K}} \cdot 300 \text{ K} = 1000\ \mathrm{\frac{J}{kg \cdot K}} \cdot T + \frac12(15\ \mathrm{\frac{m}{s}})^2$

300000 \frac{J}{k G} = 1000 T \frac{J}{k G} + 112.5 \frac{J}{k G}

$300000 \frac{J}{kg} = 1000T\ \mathrm{\frac{J}{kg}} + 112.5\ \mathrm{\frac{J}{kg}}$

T = 299,9 K

$T = 299.9 \text{ K}$

Daher ändern moderate Windgeschwindigkeiten die Temperatur überhaupt nicht. Warum fühlt sich die Außenluft dann wesentlich kälter an als die stehende Luft?

— user01101001
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nette

— frage

Wenn wir die Schweißverdunstung für eine Sekunde vernachlässigen, fühlt sich nur Luft mit einer Temperatur unter dem Körper kalt an, wenn er sich bewegt. Da die Außenluft normalerweise kälter als 37 Grad Celsius ist, fühlt sich der Wind kalt an. Lufttemperaturen oberhalb dieser Schwelle werden im Allgemeinen als unangenehm empfunden, da die Kühlung des Körpers nun allein durch Verdunstung erfolgt (dh es kommt zu starkem Schwitzen) und irgendwann gefährlich wird. Ich war im Mai im Death Valley; Ich kann Ihnen versichern, dass sich der Wind dort nicht kühl anfühlte, sondern eher wie ein Föhn. Das Bewegen von Luft über eine bestimmte Temperatur fühlt sich tatsächlich wärmer an .

— Peter - Reinstate Monica

Sie fühlen sich vielleicht weniger dumm :-) - in der Klasse also - wenn Sie umformulieren: "Warum sorgt bewegte Luft für mehr Kühlung für eine Maschine (Computerchips oder ein VW-Motor vor 1975) als statische Luft"?

— Carl Witthoft

Weil dieses Gefühl nicht mit der Lufttemperatur zu tun hat, sondern mit der Wärmeübertragung, fühlte sich Peter im Mai des Death Valley nicht cool. Wenn Ihr Körper wärmer ist als die umgebende Luft, werden Sie es kalt fühlen und umgekehrt. Die Rezeptoren in der Haut sind der Schlüssel, wie in der Antwort von Air unten erklärt

— raspacorp

Wenn Sie jemanden in der Sauna anlüften, werden Sie feststellen, dass das Gefühl der Kälte im Verhältnis zur Körpertemperatur steht :)

— Filip Haglund

Antworten:

Dafür gibt es ein paar Gründe. Zunächst ist zu beachten, dass das Gefühl von Wärme oder Kühle nur indirekt mit der Temperatur zusammenhängt. Die Rezeptoren in Ihrer Haut, die sich mit der Temperatur befassen, reagieren hauptsächlich auf Wärmeübertragung und Temperaturänderungen , nicht so sehr auf absolute Temperaturwerte. Hier ist zum Beispiel ein interessanter Auszug aus dem EB-Artikel über Thermorezeption :

Kalte Rezeptoren reagieren auf plötzliche Abkühlung mit einer vorübergehenden Erhöhung der Entladungsfrequenz (dynamische Reaktion genannt), die in direktem Zusammenhang mit der vorherigen Temperatur und der Größe und Geschwindigkeit der Temperaturabnahme steht. Wenn die Kühlertemperatur beibehalten wird, passt sich die Entladefrequenz an eine Frequenz der statischen Entladung an, die direkt mit der Kühlertemperatur zusammenhängt.

Das Gefühl der Kühle hat also damit zu tun, wie schnell Wärme von der Haut wegtransportiert wird. Die Wärmeübertragung erfolgt in drei Modi: Strahlung, Leitung und Konvektion. Es ist der letzte, der wichtig ist, weil Konvektion auf Bewegung beruht. Ohne Bewegung gibt es nur Strahlung und Leitung. Luft ist ein ziemlich guter Isolator, der die Leitung weniger effektiv macht. und es ist über ein breites Spektrum transparent, was bedeutet, dass es keinen signifikanten Strahlungswärmeaustausch gibt. Und Ihre Haut hat viele winzige Haare (und möglicherweise größere Haare, je nach Person), die gegen geringfügige konvektive Strömungen wie Zugluft oder kleine Störungen wirken.

Grundsätzlich erwärmt Ihre Haut die Luft ohne Konvektion (bewegte Luft) lokal direkt um sich herum, und diese Luft wird nicht sehr schnell durch kühlere Luft ersetzt . Während es wärmt, leitet es noch weniger Wärme von Ihrer Haut ab (da der geringere Temperaturunterschied einen schwächeren Treiber darstellt).

Der wesentlich bedeutendere Faktor ist jedoch in den meisten Fällen wahrscheinlich eine erhöhte Verdunstungskühlung . So wie diese Luftschicht um Ihre Haut Wärme leitet und von Ihrer Haut erwärmt wird, verdampft sie auch Feuchtigkeit und wird feuchter. (Ihre Haut kann immer etwas Feuchtigkeit an trockene Luft verlieren, auch wenn Sie sich nicht schweißgebadet fühlen.) Ebenso wie die Wärmeübertragung verringert wird, wenn sich die Luft erwärmt und sich Ihrer Körpertemperatur nähert, verringert sich auch die Verdunstung Die Luft, die Ihren Körper unmittelbar umgibt, wird etwas feuchter. Aber wenn sich die Luft bewegt, verdunstet sie viel wirksamer die Feuchtigkeit von Ihrer Haut. Sie können den Mechanismus des Schwitzens nachlesen, um mehr Hintergrundinformationen zu erhalten.

In beiden Fällen wirkt die sich bewegende Luft eher wie eine Senke mit konstanter Energie, da Ihr Körper Wärmeenergie und / oder Feuchtigkeit einbringt. Diese Moleküle mit höherer Energie entfernen sich von der Grenzfläche zu Ihrer Haut und werden durch kühlere, trockenere Luft ersetzt . Wenn sich die Luft aus analytischer Sicht schnell genug bewegt, muss nicht berücksichtigt werden, dass sie mit der Zeit wärmer oder feuchter wird, da sie Wärme und Feuchtigkeit mit Ihrer Haut austauscht.

Wie dieser Kommentar zeigt, ist es wichtig zu erkennen, dass Schweiß zwar speziell ein Kühlungsmechanismus ist, die Konvektion jedoch in beide Richtungen funktioniert. Wenn die Umgebungsluft wärmer als Ihre Haut ist, fühlt sie sich durch eine Brise noch heißer an. Wenn Sie sich wirklich für dieses Thema interessieren, verfügt das Center for the Built Environment von UC Berkeley über ein nützliches Tool für den thermischen Komfort , mit dem Sie spielen können, das viel detaillierter auf einzelne Variablen und Umgebungsvariablen eingeht.

— Luft
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Ironischerweise von ihm Airselbst beantwortet .

— JonH

Die kalte Luft ist wirklich Ihre Haut, die durch erzwungene Konvektion und Verdampfung des Schweißes gekühlt wird.
Ohne Luftbewegung bildet sich eine Grenzschicht heißer Luft über der Haut, und aufgrund des geringeren Temperaturunterschieds nimmt die Wärmeverlustrate ab.
Durch das Bewegen von Luft über die Haut wird diese Grenze später unterbrochen, sodass nicht erwärmte Luft mit der Haut in Kontakt kommt, wodurch die Wärmeverlustrate erhöht wird und die Haut stärker abkühlt. Verdunstung ist eine Zustandsänderung, die latente Wärme erfordert, die von der Haut geliefert wird und somit stärker abkühlt. Siehe wind chill und für den "gegenteiligen" Hitzeindex .

— Farcher
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In ruhender Luft sind die Hauptwärmeübertragungsmechanismen Diffusion und natürliche Konvektion. Befindet sich ein Objekt auf einer höheren Temperatur als die Standluft, strömt Wärme vom Objekt an die Luft. Im Wesentlichen würde die Luft, die das Objekt unmittelbar umgibt, eine höhere Temperatur haben als nur die Luft selbst.

In bewegter Luft haben Sie auch Diffusion und natürliche und erzwungene Konvektion als Wärmeübertragungsmechanismen. Durch erzwungene Konvektion wird die erwärmte Luft in der unmittelbaren Umgebung des Objekts (aufgrund von Diffusion) entfernt und mehr Luft mit der ursprünglichen Lufttemperatur schneller als bei den anderen Mechanismen zugeführt.

— Paul
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In beiden Fällen liegt Konvektion vor. In ruhender Luft (wenn es überhaupt richtig ist, einen solchen Begriff zu verwenden) kommt es aufgrund der Zirkulation der Umgebungsluft aufgrund von Dichteunterschieden zu einer natürlichen Konvektion.

— Algo

@Algo: du hast recht. Ich hätte zwischen den verschiedenen Arten der Konvektion unterscheiden sollen. Dennoch ist die natürliche Konvektion in dieser Situation als Kühlmechanismus relativ vernachlässigbar. Siehe meine aktualisierte Antwort.

— Paul