因为,人通过皮肤感受冷暖,当皮肤温度是33℃时,刚好能感受到寒冷。 在30℃的空气中,你的皮肤温度是35.49℃,所以你会觉得热。 而在30℃的水中,你的皮肤温度是30.39℃。你不仅会觉得冷,而且比在空气中冷很多。 探讨和计算过程: 人体核心温度,主要由大脑、肌肉,以及内脏产生。尤其是在静息状态下,内脏产生的热量最多,达到56%,又以肝脏为最。 ◀ 人体对温度的感受 ▶ 人体核心部位的热量,从内到外传递到外,会形成温度梯度。所以皮肤温度,会介于环境和核心温度之间。 而人体的温度感受器,正是位于皮肤中,靠近表皮的位置: 当皮肤温度低于13℃,超过50℃时,人体以痛觉为主; 在33~46℃的范围内,只有温觉; 温度低于33℃时,冷觉感受器被激活,同时感受温觉和冷觉。 在30℃的气温下,人体皮肤温度是多少度? 当人在室内无风,处于静息状态时,机械功为零,所有的新陈代谢能量,全部转化成热量释放出去:
◀ 人体热功率 ▶ 直立状态下,人体新陈代谢率为65−70W/m^2[1]。 根据许文生氏公式: S(m^2)=0.0061×h(cm)+0.0128×m(kg)−0.1529 可得,170cm,60kg的人类表面积为:1.65m^2。 我们再乘以代谢功率,就得到了静立状态下,人体新陈代谢总功率: M=70×1.65×1.15=133W 也就比一个100W的灯泡功率高那么一点点。 ◀ 呼吸散热 ▶ 呼吸散热包括呼吸蒸发散热,直接呼出和吸入的热量差值。 由于呼吸散热的值相对不高,且这不是本篇讨论的重点,不做深入讨论。 我直接给出呼吸散热的计算结果: Qres=0.03336M 也就是说,在30℃环境下,通过呼吸散掉的热量为新陈代谢总功率的3.336%,差不多正好是1/30,不到5W,能点亮一盏小台灯。 剩下的29/30的热量,都是通过皮肤散发的: Qsk=128.56W 皮肤散热,包括三个部分:
空气对流 ◀ 热辐射 ▶ 根据斯特藩-玻尔兹曼定律,物体对外的辐射通量(单位面积对外的辐射功率)为: j∗=εδΤ4
人体损失的辐射热功率,等于向外热辐射减去接受到的热辐射,即: Ts 为皮肤温度, Ta 为空气温度,A 为人体表面积。(下同) ◀ 空气对流散热 ▶ 根据牛顿冷却定律,物体表面的对流换热为: h 为空气对人体的自然对流系数,有经验公式[2]: 也即: ◀ 蒸发散热 ▶ 30℃静息状态下,一般不会出现汗液流下的情况,皮肤上的汗液总是能蒸发,那么: 皮肤蒸发热功率:Qsw=SWr
有经验公式[3]: 此处 ts 是皮肤的摄氏温度。 带入数据,得: Qsw=678.2933ts−678.29 ◆考虑整个人体的皮肤散热平衡,有: 带入空气温度,于是得到体表温度为: 308.64K,也即35.49℃。 这个温度高出体表舒适温度2.5℃左右,所以人体会感到热。 在30℃的洗澡水中,人体皮肤温度又是多少呢?当人泡在30℃洗澡水中时,有同样的热平衡,只不过水的自然对流换热系数比空气大得多,甚至能超过100倍。 水的自然对流系数为:200 ~1000W/m^2·k。 它的大小主要受水的流速影响,在人体静息状态下,我们可以取值200W/m^2·k。 在低于33℃的水温中,人体几乎不发汗,汗液带来的热量流失忽略不计。 那么,此时的热平衡有: 易得,人体在水中的皮肤温度为: 303.54K,也即30.39℃。 这个温度,十分接近水体的温度,比33℃这个人体产生冷觉的温度低了2.61℃。 最后我们得到这样的结果: 人在30℃的空气中,比起在水中,皮肤温度低了: 35.49-30.39=5.1℃ 如此大的温度差,对于人体来说,是相当明显的。
最后:对于30℃的气温,人一定会感到热吗? 答案当然是否定的。 影响人体温度的因素除了环境温度外,还有衣物隔热、空气湿度、空气流速、太阳照射(其它热源)等等。 当吹大风,形成强制对流,空气对流系数可高达100W/m^2·k。 足以让皮肤温度低至31℃,让人感受到冷。 我们不难发现,哪怕吹大风也依旧没有水中冷。 所以,要「30℃洗澡水有点凉,30℃的气温却很热」的问题成立,需要限定条件。 例如:室内、无额外热辐射、无额外空气流动、皮肤裸露、空气湿度50%(人体平均舒适湿度)。 |
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