Этот вопрос давно меня терзал. Влияет ли влажность на ощущение холода при низких температурах (<0°C? И если влияет, то каким именно образом? Вооружившись желанием, свободной неделей и школьными знаниями по физике я начал разбираться.
Дальше будет много текста. Кому лень читать все, в конце каждой главы есть краткие выводы.
Начнем с простого, простыми словами — типы теплопередачи
1) Кондукция (теплопроводность) — передача тепла без перемещения вещества. Работает везде, где есть вещество: между твердыми телами, между твердым и жидким, между твердым и газом, между жидкостью и жидкостью и т.д. Способность тела к кондукции характеризуется коэффициентом теплопроводности.
2) Конвекция — передача тепла путем перемещения нагретого вещества. Работает только в газах и жидкостях, причем чем менее вязкая среда, тем большую роль в теплопередаче играет конвекция.
3) Излучение — это передача энергии в форме волн или частиц через пространство или через материальную среду. Вообще все объекты излучают и поглощают излучение, не только солнце, но и каждый камешек, деревце, люди, вообще все.
Теперь рассмотрим нашу ситуацию и спросим «как человек теряет тепло?» Сразу будем рассматривать, как каждый пункт зависит от температуры/влажности/ветра. Рассматривается температура ниже 0°С, т.е. человек практически полностью одет. Ухх… сколько же тут пунктов.
Вот так выглядит схема теплопотерь человека.
Немного пояснений: красным отмечены положительные связи, т.е. чем больше температура кожи, тем больше потери излучением, тем больше потери с открытых участков тела. Синим отмечены отрицательные связи, чем меньше температура среды, тем больше потери излучением ну и т.д. Черным отмечены связи пока неизвестного знака.
Если указана просто влажность — имеется в виду влажность окружающего воздуха, если указана «влажность воздуха» — имеется в виду влажность воздуха в данном процессе(она может меняться в течение процесса). Аналогично с температурой: "температура среды" — это температура окружающего воздуха, если написано «температура воздуха» — это температура воздуха в этом процессе
Откуда эта схема родилась:
1) Открытые части тела. Тепло может теряться за счет излучения, кондукции, испарения
1.1) Излучение: кожа излучает и излучение непосредственно рассеивается в окружающую среду. Зависит только от температуры среды и кожи.
1.2) Кондукция: тепло передается от кожи к воздуху. Тут вообще очень сложный процесс: тепло передается непосредственно от кожи к тоненькому слою воздуха на границе с кожей. Толщина этого слоя сильно зависит от скорости ветра. А скорость передачи тепла будет зависеть от теплопроводности воздуха и разницы температур лица и воздуха. Теплопроводность воздуха зависит от его температуры и состава. По итогу зависит от: температуры среды и кожи, влажности, скорости ветра.
1.3) Испарение: при обычных условиях пот если и выделяется, то в более перегретых частях (спина,грудь, шея, подмышки), но не на лице или руках. Поэтому охлаждение за счет потовыделения будет рассмотрена отдельно и для всего организма сразу.
Итого: тепло передается путем излучения и кондукции
2) Закрытые участки тела. Тепло передается от кожи, через все слои одежды, к поверхности одежды. Оттуда тепло передается в окружающую среду кондукцией и излучением. Также мы теряем тепло из-за конвекции. Испарение рассматривается отдельно.
2.1) Передача тепла в слоях одежды от кожи к поверхности одежды. Здесь я не пишу метод теплопередачи, т.к. там есть все, а именно: тепло внутри каждого слоя одежды передается кондукцией, каждый слой одежды поглощает и излучает для каждого соседнего слоя, воздух внутри одежды нагревается и перемещается между слоями из-за разности плотностей, но в основном за счет движения человека, этот воздух постоянно обменивается теплом со слоями одежды, а это я еще про пот не начал. Короче, оставим это все производителям теплой одежды, а сами скажем, что одежда это твердый слой, с определенным коэффициентом теплопроводности (это не только моя выдумка, так считают для параметров микроклимата, при определении степени тяжести работ. Это достаточно точная и простая модель). А значит влиять будет температура поверхности одежды и кожи, теплопроводность одежды.
2.2) Передача тепла от поверхности одежды в окружающую среду. Ситуация здесь будет аналогична передаче тепла с открытых частей тела. Основную роль играют кондукция и излучение, а значит зависит от температуры среды, влажности, скорости ветра, температуры поверхности одежды.
2.3) Конвекция. можно разделить на 2 составляющие: перемещение воздуха непосредственно через одежду, перемещение воздуха через зазоры/щели в одежде. Практически вся верхняя зимняя/демисезонная одежда делается непродуваемой, поэтому потери непосредственно через одежду из-за конвекции очень маленькие. Потери из-за зазоров или щелей между компонентами одежды просчитать очень сложно, т.к. они сильно варьируются от того, насколько одежда подогнана, насколько активно человек двигается и т.д. Тем не менее, потери зависят от того, насколько быстро меняется воздух(скорость ветра), какой он температуры (температура среды), какая у него теплоемкость (причем теплоемкость в процессе нагревания и увлажнения под одеждой меняется и не так сильно варьируется, поэтому ее изменением можно пренебречь, разумеется, будут расчеты).
Итого: тепло передается кондукцией от кожи к поверхности одежды, затем излучением и кондукцией от поверхности одежды в окружающую среду. Из-за зазоров и щелей в одежде при движении и ветре теплый воздух заменяется холодным.
3) Дыхание. При дыхании мы вдыхаем воздух какой-то температуры и влажности, а выдыхаем воздух с температурой 25-35°С (в зависимости от режима дыхания и температуры окружающего воздуха) и влажностью 70-100% (по разным источникам). Энергия тратиться на обогрев воздуха и на испарение влаги из легких. Соответственно будут влиять температура среды, влажность и теплоемкость воздуха (здесь ситуация аналогичная с конвекцией, теплоемкость меняется от момента вдоха к моменту выдоха)
4) Потовыделение. с самим потом все просто, он выделяется, на его испарение тратится уйма энергии, мы охлаждаемся. Что сложно — как именно он испаряется, что с этим водяным паром дальше происходит и как это все влияет на остывание организма. Т.к. влаги испарится больше чем ее выделилось не может, а сколько ее выделилось зависит от перегрева организма, то рассматривать охлаждение (а меня интересует больше переохлаждение) именно за счет испарения нет смысла. Проблемы и переохлаждение наступают тогда, когда влага не отводится от кожи и уже излишне увеличивает теплопотери. Рассмотрим 2 ситуации:
4.1) Пот выделяется на открытой части тела. Нестандартная ситуация для низких температур, но ладно. Пот сразу начинает испаряться, т.к. поверхность кожи создает приграничный нагретый слой воздуха. При нагревании, относительная влажность воздуха падает, причем очень резко (изменение на 10°С осушает холодный воздух в 2.5-3 раза). Поэтому не важно, какая была влажность окружающего воздуха, при соприкосновении с кожей он нагреется и станет сухим, и если хоть какая-то жидкость и была на вашей коже, она начнет быстро испарятся. Ну и разумеется, не может происходит конденсация пара на вашей коже, т.к. конденсация подразумевает прямо противоположные условия: теплый воздух и холодную поверхность. Это может показаться странным, но наличие воды уменьшает теплопередачу остальными способами (да, вам холодно, очень холодно, но это из-за испарения), путем интенсивного охлаждения поверхности кожи уменьшается теплопередача как кондукцией, так и излучением. Поэтому, в данном случае, излишних теплопотерь быть не может.
4.2) Пот выделяется под одеждой. После выделения пота начинают происходить следующие вещи: пот впитывается одеждой, а то что не впиталось начинает медленно испарятся. Если испаряется недостаточно быстро, то одежда промокает, а вот тут, уже могут возникнуть дополнительные теплопотери, т.к. мокрая одежда значительно увеличивает теплопроводность, за счет замены воздуха в одежде водой (разница в коэффициенте теплопроводности примерно в 25 раз). Скорость испарения напрямую зависит от того, как быстро пар покидает нашу одежду и это в основном зависит от свойств одежды, а не от погоды, но обо всем по порядку.
4.2.1)Рассмотрим этот механизм. Пар может покидать нас 2-умя способами: непосредственно через одежду и через щели/зазоры в одежде. 2-ое относит нас к конвекции в закрытых участках тела, все тоже самое, и в отводе пара он будет играть значительную роль, только если вы расстегнете куртку. Основное количество пара отводится через одежду. Температура и влажность под одеждой практически не зависят от окружающей среды и формируются человеком. Поэтому температура под курткой близка к температуре кожи, а влажность хз какая, но высокая. В итоге, под одеждой создается сильное избыточное давление водяного пара, так например давление водяного пара при 0° и 30°С и 100% влажности отличается в 6.9 раз. Ну а газ, как и любой порядочный гражданин, бежит из области высокого давления в область низкого. Таким образом, происходит отвод влаги из под одежды, без значительных потерь тепла из-за потерь теплого воздуха(сам воздух не стремится выбраться из под одежды, для него и снаружи и внутри атмосферное давление). Разумеется, никакого отсыревания одежды на холоде из-за внешней влаги и быть не может, у нас и своей предостаточно, и все промокание одежды сводится к поглощению пота или адсорбции водяного пара (того же пота).
4.2.2)Но вот тут то влажность влияет! скажите вы. На отвод пара окружающая влажность конечно влияет, так при 0°С разница между 0% влажности и 100% влажности будет 1/6,9*100% = 15%, если учитывать, что реальный разброс влажности не более 20%, то получается 15*0,2 = 3%, и это при 0°. При -10° разброс уменьшится пропорционально давлению пара в холодном воздухе и станет около 1%. Поверьте, если вы будите высыхать после пробежки не 10 минут, а 10 минут и 6 с, вы не замерзнете за эти 6 с.
4.2.3*) При специфической одежде (очень тонкой куртке, например мембранке) возможно образование конденсата на внутренней части куртки, который не будет выводится, а начнет опять смачивать одежду, причем при конденсации будет выделятся тепло, которое будет обогревать именно куртку, а т.к. куртка легкая это будет приводить к увеличению температуры поверхности куртки и дальнейшему увеличению теплопотерь. Данный эффект возможен только при тонкой куртке, в который внутренний слой охлаждается до температуры близкой к уличной (в пуховиках внутренний слой имеет температуру, недалекую от температуры кожи). И чем ниже температура среды, тем более вероятнее образование конденсата. От влажности окружающего воздуха это не зависит, т.к. водяной пар наоборот стремится покинуть нас, аналогично ситуации, разобранной в 4.2.1.
ВЫВОД
Везде отрицательную связь имеет температура среды, оно и ожидаемо. теплопроводность и теплоемкость имеет везде положительную. Влажность имеет положительную связь в потоотделении (рассмотрено выше) и отрицательную в испарении (чем влажнее воздух вдыхается, тем меньше испаряется из легких). Скорость ветра имеет положительную при кондукции и конвекции, но отрицательную в потовыделении, (небольшая шутка, если вас сильно продувает, вы хотя бы будете сухими) которой можно пренебречь.
Подробно про влажность
Теперь, когда понятно как что и куда влияет на теплопотери, рассмотрим как именно влажность влияет на теплопотери. Всего есть 4 пункта: теплопроводность, теплоемкость, дыхание, потовыделение.
0) Содержание водяного пара. Для всех дальнейших расчетов необходимо знать, а сколько этого водяного пара содержится в воздухе при разных температурах. Давление насыщенного водяного пара хорошо аппроксимируется следующей формулой
Используя уравнение Менделеева-Клапейрона выводим зависимость плотности газа от его давления. Подставляем в полученное уравнение зависимость давления от температуры и получаем итоговую формулу. Вот так плотность насыщенного водяного пара зависит от температуры:
Для отрицательных температур от -50°С до 0°С при нормальном атмосферном давлении график зависимости плотности от температуры выглядит так
По табличным значениям можно посмотреть зависимость плотности воздуха от температуры (это точнее, чем просто рассчитывать по Менделееву-Клапейрону). Сравним эти значения и рассчитаем массовое содержание водяного пара в воздухе при 100% влажности (насыщенный пар) и температурах от 0°С до -50°С
Не густо, особенно при -50°С. Сколько пара выяснили, теперь можно перейти к расчету теплоемкости и теплопроводности сухого (0% влажности) и влажного (100% влажности) воздуха.
1) Теплоемкость. Теплоемкость смеси газов рассчитывается как средневзвешенное теплоемкостей всех его частей.
Для начала, узнаем теплоемкость водяного пара и воздуха для нашего диапазона температур. Небольшое отступление: если считать теплоемкость по формулам, то получится, что она не зависит от температуры. Это правда только для идеального газа, теплоемкость реального газа зависит от температуры и измеряется экспериментально, поэтому тут формул не будет.
Для водяного пара при отрицательных температурах я не нашел таблицу (это и понятно, ее хрен измеришь), но можно заметить, что теплоемкость слабо зависит от температуры, и для дальнейших расчетов теплоемкость воздуха принимается за 1005 Дж/(К*кг), а теплоемкость водяного пара = 1861 Дж/(К*кг) — данную теплоемкость водяной пар имеет при 0°С.
Считаем теплоемкость влажного и сухого воздуха и сравниваем.
Но стоит отдать должное, теплоемкость влажного воздуха действительно больше чем сухого… хе хе хе. Но разница теплоемкости из-за температуры куда значительнее, чем из-за влажности. Если еще прикинуть, что теплоемкость влияет на потери через дыхание и через конвекцию, что составляет около трети теплопотерь (основное теряется через одежду) и разница во влажности редко достигает 20-30%, то итоговое будет не более 0,324*0,3*0,25 =0,024%
Кстати его теплоемкость больше не потому, что вода имеет большую теплоемкость. Водяной пар это газ и он чихал на свойства жидкости, все куда проще. Теплоемкость обратно пропорциональна молярной массе. Молярная масса воздуха 29г/моль, а водяного пара 18г/моль. Как можно заметить, отношение этих величин примерно равно отношению теплоемкостей воздуха и водяного пара.
Итог: При большей влажности холоднее, разница составляет менее 0,03%
2) Теплопроводность. Теплопроводность рассчитывается аналогично теплоемкости. Для расчета опять возьмем табличные значения, т.к. они во-первых точнее, во-вторых, я так и не разобрался, как рассчитать теплопроводность по формуле.
Теплопроводность водяного пара при отрицательных температурах я не нашел (та же ситуация, что и с теплоемкостью), поэтому посчитаем, что она изменяется по аналогично воздуху (они оба газы и близки к нормальным условиям, так что это не грубое допущение). Считаем теплопроводность для влажного воздуха.
Разница со знаком минус по простой причине — сухой воздух ЛУЧШЕ проводит тепло. Да да, может быть у воды и выше теплопроводимость в 25 раз по сравнению с воздухом, но тут у нас не вода. Тут водяной пар, и его не волнуют свойства жидкостей. Опять учтем реальные условия: теплопроводность влияет на 2/3 теплопотерь, различие во влажности 25%
Итог: При большей влажности теплее, разница менее 0,02%
3) Дыхание. При дыхании тепло расходуется на обогревание воздуха и на испарение жидкости.
Будем рассматривать затраты энергии при вдыхании 1 кубометра, т.к. мощность легочных потерь очень сильно зависит от нагрузок (более чем в 10 раз) ее будет сложно рассчитать. Температура выдыхаемого воздуха будет равномерно изменяться от 35° при 0° окружающего воздуха, до 25° при -50° (информация о температуре выдыхаемого воздуха нагло украдена с какого-то сайта). Влажность выдыхаемого воздуха по разным источникам составляет от 70% до 100%. Я возьму 85%, чтобы никого не обидеть. Теплоемкость сухого и влажного воздуха будет приниматься равными 1005 Дж/(К*кг), т.к. она слабо зависит и от температуры в данном диапазоне и от влажности (расчеты выше) и погрешность в 0,5% мы можем себе позволить. А вот зависимость плотности воздуха от температуры учитываться будет (таблица выше). Теплота испарения воды при температуре 30° равна 2,42 МДж/кг.
Данные расчета представлены в таблице, ну а чтобы было нагляднее еще и график.
Что можно заметить? При небольшом морозе разница есть, причем хоть немного ощутимая (около 10% по сравнению с долями процента в предыдущих расчетах), однако при -20° и ниже она теряется, и при очень низких температурах не влияет.
Насколько эти 10% значимы? ну, легочные потери составляют 10-30% от всех потерь (это по личным расчетам и по расчетам по этому сайту https://ntm.ru/center/108/7672). По итогу, разница теплопотерь будет составлять 1-3% и это только при 0°, и между абсолютно влажным и абсолютно сухим воздухом. Если взять более реальное различие во влажности (пусть даже 20%), то разница уже будет 0,2-0,6%, возьмем 0,4% как среднюю. Но хоть что-то!
Итог: при большей влажности теплее, разница менее 0,4% Уиииии десятые процента!
4) Потовыделение. Самое сложное для учета. Можно достаточно точно рассчитать разницу скорости отвода пара для разных условий (сделано в главе 4.2.2), однако эта величина очень косвенно влияет на теплопотери. Рассчитать как влага влияет на теплопроводность одежды, практически нереальная задача (в начале описана теплопередача в слоях одежды).
Начнем с цифр: разница в давлении пара под одеждой и улицей для сухого и влажного воздуха в реальных условиях составляет около 3% при 0°, 1% при -10°, ну и дальше уменьшается до 0. Скорость отвода пара прямопропорциональна разнице давлений, ну а время высыхания обратнопропорционально скорости отвода пара. Грубо говоря, вы высыхаете на 3% дольше во влажном воздухе.
Как перевести эти 3% в теплопотери? Надо взять время, в котором вы находитесь в мокром состоянии, умножить на число, показывающее во сколько раз отличаются средние теплопотери вспотевшего человека от сухого, и разделить на время нахождения на улице. Сделать так для сухого и влажного воздуха и сравнить. Это настолько разная величина для разных людей, настолько зависящая от рода деятельности и правильности выбранной одежды, что нормально оценить это не получится. Поэтому оценим ненормально.
Пусть человек промокает сразу и мгновенно и высыхает все время прогулки, если воздух мокрый. А вот если воздух сухой, то он 3% времени прогулки ходит сухой. А промокает он настолько сильно, что его теплопотери связанные с одеждой (2/3) всех теплопотерь) увеличиваются в 2 раза. Тогда при большей влажности теплопотери увеличиваются на 2%.
Итог: Данный фактор может внести самый значимый вклад в увеличение теплопотерь при влажном воздухе.
ИТОГОВЫЙ ИТОГ
Вот и закончилось рассмотрение влияния влажности. Что получилось? в таблице показаны максимальные воздействия факторов. Для всех факторов максимум наблюдается при 0° и резко уменьшается при уменьшении температуры.
Что такое 2% (1,6% если учесть дыхание) разницы? ну если в целом считать что теплопотери прямопропорциональны разнице температур, а кожа человека имеет около 30°, то влажный воздух при 0°С ощущается как -0,5°С при повышенной влажности. Это по максимуму. Если стремно посчитанное потовыделение не учитывать, то получится, что при влажном воздухе даже чуть теплее (доли процента). Так вердикт: ВЛАЖНОСТЬ НЕ ВЛИЯЕТ
А что они говорят?
А что говорят люди, про ощущение влажности? Давайте обратимся к людям на форумах. Здесь приведены примеры из обсуждений вопроса о влажности и холоде.
вырезка №1
Как можно заметить, все говорят о очень солидной разнице между сухим и влажным воздухом, в 20 и более градусов. Я уже написал, почему это не так. Но что еще интересно, некоторые указывают и влажность.
10-20%. Зимой. Влажность. 10-20%. Эээ?
Я брал прогнозируемые данные за 14-27 января (я это делал 14 января) на гисметио по городам, которые были указаны. Желтым указаны «сухие» города, синим «влажные». Жирным выделено среднее значение влажности за 2 недели. Серым выделена средняя температура зимой
Стоит отдать должное, все влажные города действительно более влажные. Помните я говорил про разницу во влажности 25%? ну так вот, это чтобы точно вписаться. Реальный разброс влажности зимой еще меньше. Но я не просто так решил посмотреть среднюю зимнюю температуру. Все сухие города в которых «тепло», на самом деле, П*ЗДЕЦ как холодно!
В этом я считаю и кроется одно из главных объяснений изучаемого заблуждения. Если в городе постоянный дубак и все знают, что тут дубак, все получше одеваются и морально готовы замерзнуть.А когда оказывается, что не так страшен черт как его малюют, наш мозг ищет рационального объяснения — влажность отлично подходит. Ее мало кто смотрит в прогнозе погоды, ничто не запрещает сказать «ухх, как тут холодно, это все влажность высокая», ведь это распространенное мнение, никто косо не посмотрит.
Вторая причина, я думаю, кроется в ассоциациях. Влажность напрямую ассоциируется с водой, а вода с охлаждением. То, что водяной пар и вода имеют ОЧЕНЬ различные свойства много кто забывает.
Спасибо всем, кто дочитал.
