Factorul Wind-Chill; Fizica corpului Mișcare spre metabolizare
În absența vântului, lângă pielea ta se va forma un strat de aer cald, care oferă efectiv un strat suplimentar de izolație cunoscut sub numele de strat limită. Imaginea termică de mai jos codifică culoarea aerului cald și rece, astfel încât să putem vizualiza formarea stratului de hotar cald. (În capitolul următor vom afla cum sunt create imagini termice ca aceasta.)
Putem vedea că stratul încălzit de piele este subțire, dar aerul are o conductivitate termică foarte scăzută, astfel încât acest strat poate aduce o contribuție importantă la încetinirea conducerii. Vântul tinde să îndepărteze parțial acest strat izolant și să îl înlocuiască cu aer mai rece. Grosimea stratului hot care poate forma depinde de viteza vântului, viteze mai mari ducând la straturi mai subțiri și provocând un efect mai mare de răcire a vântului. Răcirea eoliană este un exemplu de convecție forțată, în care fluidul cald și rece schimbă locuri din cauza mișcării fluidului cauzate de factori externi, cum ar fi vântul care suflă sau apa care curge.
Exemplu zilnic: izvoare termale și saune
Când vă scufundați în fluid cu o temperatură mai mare decât temperatura corpului, cum ar fi într-un izvor fierbinte sau în saună, este posibil să observați că fluidul se simte brusc mai fierbinte atunci când vă deplasați. Fie că un fluid se mișcă în jurul tău, fie că te deplasezi prin fluid, în ambele cazuri se va produce convecție forțată. Când fluidul este mai cald decât corpul dvs., atunci căldura se transferă din fluid în corpul dvs., lăsând un strat limită de lichid puțin mai rece lângă pielea ta. Când vă deplasați, acest strat limită este lăsat în urmă și înlocuit cu un fluid fierbinte nou care nu a fost încă răcit de corpul dumneavoastră.
Rata transferului de căldură prin convecție forțată poate fi calculată folosind o ecuație empirică care arată foarte similar cu ecuația de conducere:
(1)
Din nou, rata de transfer de căldură este proporțională cu o diferență între temperatura obiectului și a mediului ambiant. Suprafața de contact (A) joacă din nou un rol, în acest caz între obiect și fluid. În cele din urmă, coeficientul de transfer termic convectiv (h) încorporează proprietățile fluidului și ține cont de dependența grosimii stratului limită de viteza fluidului. Coeficientul de transfer termic convectiv este adesea determinat experimental. De exemplu, următoarele grafice arată date experimentale privind coeficientul de transfer de căldură pentru aer la o gamă de viteze ale vântului:
Graficul datelor despre coeficientul de transfer termic convectiv pentru aer. „M2” în unitățile axei verticale înseamnă metri pătrați.
Exerciții de întărire
Exemplu zilnic: Supraviețuirea vremii reci
Reducerea frigului de vânt (convecție forțată) este o parte importantă a strategiei generale de supraviețuire a vremii reci. Să evaluăm efectele convecției forțate în timpul unei situații de supraviețuire în sălbăticie la 25 de ani ° F (-3,9 ° C) cu un 10 mph (4.5 Domnișoară) vânt. Să presupunem că purtați țesături subțiri care sunt destul de permeabile la vânt. Acum putem aproxima efectul convecției presupunând că suprafața țesăturii este aceeași cu temperatura corpului și aplicând ecuația convecției:
Diferența dintre temperatura corpului și temperatura aerului este de 37 ° C - (-3.9 ° C) = 40,9 C °. Coeficientul de transfer de căldură este aproximativ conform graficului anterior. Folosind metodele din capitolul 17 estimăm suprafața corpului superior. Introducerea acestor valori în ecuația de convecție:
Rata de pierdere prin căldură convectivă în această situație ar depăși complet 100 W puterea termică de repaus a unei persoane tipice și temperatura corpului ar scădea rapid. Pentru a vedea cât de repede, consultați capitolul Capacitate de căldură. Frisoanele pot crește puterea termică de până la 2,5 ori, până la aproximativ 250 W [4], dar chiar și asta ar fi mult în afara echilibrului ratei de pierdere prin căldură convectivă. Găsirea adăpostului împotriva vântului este o parte importantă a strategiei de supraviețuire. Purtarea de haine care opresc vântul este o parte importantă a pregătirii în pustie. Chiar și o pungă mare de gunoi din plastic care ar putea fi purtată pe cea mai mare parte a corpului ar reduce semnificativ pierderea de căldură prin convecție.
Vântul nu va pătrunde într-o fereastră bine sigilată, deci se pare că convecția forțată nu ar trebui să fie un factor semnificativ în pierderea de căldură printr-o fereastră. Cu toate acestea, un singur geam de sticlă face o treabă slabă de a preveni conducerea, astfel încât o energie termică semnificativă traversează în continuare bariera. Această energie termică va încălzi un strat limită în exteriorul ferestrei, care ar putea fi apoi îndepărtat de vânt, astfel încât, de fapt, răcirea eoliană poate afecta rata pierderii de căldură prin fereastră. Ferestrele cu geam dublu reduc conductia utilizând un strat de aer prins între două geamuri de sticlă.
Decalajul dintr-o fereastră cu panou dublu este prea mic pentru a se forma celule de convecție eficiente. Umplerea decalajului cu un gaz mai puțin conductiv, mai vâscos (sau cu mișcare lentă) și de joasă presiune reduce și mai mult conducerea și convecția prin gaz. Un amestec de gaz de cripton și argon este adesea folosit ca un compromis între performanța termică și cost. Credit de imagine: „Ferestre umplute cu gaz” de John A Dutton e-science Institute, Penn State College of Earth and Mineral Sciences
Știm că conducerea este redusă pe o fereastră dublă, deoarece conductivitatea termică a aerului este excepțional de scăzută, dar decalajul de aer dintr-o fereastră dublă este de obicei de doar 2 cm. Având în vedere că rata transferului de căldură prin conducție scade odată cu creșterea grosimii stratului de aer, de ce nu avem ferestre cu geam dublu un decalaj mult mai mare? De ce să nu minimalizăm conducția făcând decalajul aproape toată grosimea peretelui? Convecția naturală este răspunsul la această întrebare. Convecția naturală este transferul de căldură datorită mișcării fluidului cauzată de expansiunea termică a fluidului în sine, mai degrabă decât de factori externi, cum ar fi vântul. De exemplu, încălziți aerul de lângă piele și aerul respectiv se extinde. După expansiune, aceeași masă de aer are acum un volum mai mare, astfel prin definiție are o densitate mai mică. Fiind mai puțin dens decât aerul mai rece din jur, aerul cald va pluti în sus, așa cum puteți vedea în imaginea termică anterioară a mâinii unei persoane. (Pentru a vă reaminti de ce va crește aerul mai cald și mai puțin dens, consultați capitolul anterior despre forțele plutitoare).