Фізика тепла I температури тіла та потовиділення; Тут живуть дракони
Навіть якщо сьогодні трохи прохолодніше - останні кілька днів є гарним приводом подумати, чому нам стає так жарко, коли більше 30 або 35 градусів, і яка фізика за цим стоїть.
Спочатку ви можете подумати, що температура близько 35 ° C повинна бути ідеальною для нас - зрештою, це відповідає нашій температурі тіла. (У цьому тексті я в основному маю справу з оцінками - саме тому я не роблю особливої різниці між 35 ° C і 37 ° C; крім того, температура нашого тіла і так не скрізь однакова. 32-35 ° C є досить корисними значеннями для поверхні тіла.) Насправді тому ми повинні знаходитись в ідеальній тепловій рівновазі з навколишнім середовищем при цій температурі.
Звичайно, це не так, адже ми постійно споживаємо енергію. Швидкість метаболізму людини у спокої становить близько 2000 калорій на день - але будьте обережні: Те, що ми зазвичай називаємо "калоріями" у повсякденному житті, насправді є кілокалоріями: 1 ккал = 1000 ккал.
Кілокалорія - це кількість тепла, яке потрібно для нагрівання кілограма води на один градус (хоча це дещо неточне визначення, оскільки теплоємність води, тобто кількість тепла, яке потрібно для нагрівання на один градус, сама по собі трохи залежить від температури - але, як я вже казав, сьогодні такі тонкощі не повинні мене цікавити, я просто жонглюю кількома цифрами). З 2000 ккал ви можете нагріти повних 2000 кілограмів води на один градус, або 1000 кілограмів на два градуси або 65 кілограмів (приблизно масу мого тіла) трохи більше, ніж на 30 градусів.
Ви вже розумієте, чому я не почуватимусь особливо комфортно при температурі 35 градусів, не позбувшись якимось чином тепла - моє тіло виробляло б стільки тепла саме завдяки базальній швидкості обміну речовин, тобто лише для того, щоб продовжувати працювати, що температура мого тіла зростала щогодини збільшиться приблизно на 1 градус. Отже, через 3-4 години у мене буде сильна температура, трохи пізніше це, мабуть, закінчиться. Тож не дивно, що я потію при 35 градусах. (Більше, щоб попітніти за мить.)
Я більше не пітнію, коли трохи прохолодніше. Десь (я думаю, що це було у чудовій книзі Хоймара фон Дітфурта “Querschnitte”) я колись читав, що людина в спокої, роздягнена із зовнішньою температурою близько 30 градусів розсіює стільки тепла через шкіру, що вона ні замерзає, ні потіє. Це значення температури, звичайно, не дуже чітко визначене, оскільки ми можемо використовувати такі фокуси, як розширення кровоносних судин під шкірою або в кінцівках, щоб впливати на поверхневу температуру нашої шкіри і, таким чином, на потік тепла назовні. Крім того, звичайно, роль руху повітря також відіграє роль - як тільки вітряно, більше тепла розсіюється, оскільки тепле повітря швидше транспортується через шкіру.
Отже: спростимо припущення, що ми почуваємось комфортно з температурою шкіри 35 ° C і температурою навколишнього середовища 30 ° C і що потік тепла точно відповідає виробництву тепла в організмі. До речі, перераховано на секунди та одиниці СІ, це майже рівно 100 Вт - людина виділяє стільки тепла, скільки яскрава лампа розжарювання (що, до речі, також пояснює, чому на вечірках у маленьких кімнатах швидко стає досить тепло). Зараз тепловий потік становить 100 Вт - ми генеруємо 100 джоулів теплової енергії в секунду, яка тече назовні.
Тепловий потік між тілом та навколишнім середовищем пропорційний різниці температур. Отже, якщо ми підвищуємо зовнішню температуру лише на 2,5 ° C, різниця температур становить лише 2,5 ° C замість 5 ° C - тепловий потік зменшується вдвічі, і ми повільно підбираємо піт, щоб розсіювати додаткове тепло. І навпаки, якщо ми зменшимо зовнішню температуру до 25 ° C, тепловий потік тепер становитиме 200 Вт - оскільки ми виробляємо лише 100 Вт теплової потужності, ми тоді повільно охолоджуємось і вважаємо за краще трохи одягатися. (Увага! Велика частина тепла тіла також втрачається через випромінювання, але при малих градієнтах температури тут також застосовується, що теплотранспорт пропорційний різниці температур.)