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炎炎夏日,凉席为什么能使你舒爽?-观焦点

来源:中科院物理所©

最近几天,全国各地陆续迎来高温天气:

(华北好热嘞)

在这炎炎的酷暑夏日,能够救小编小命的唯有冰冰的空调加凉凉的西瓜!


(资料图)

除此之外,睡觉时铺盖一床凉席,更是绝佳的夏日避暑神器!

感受着凉席带来的凉爽,也勾起了小编的好奇:

凉席是如何让人感到凉爽的?不同材质的凉席会有什么影响?

今天小编就带大家一探凉席的原理吧!

热量从哪来?到哪去?

我们接触不同温度的物体时会有冷热的感受。能感受到热是因为温度高的物体中的热量流向人体,相反的,我们能感受到冷或凉当然是人体的热量流向更低温度的物体

这容易使人误解温度高的物体具有更多的热量。在19世纪40年代以前,科学家们也是这样认为的,这就是大名鼎鼎的热质说理论。

后来人们才将温度与热量的概念辨别清楚,此后,“科学得到飞速的发展”——爱因斯坦。

这一点在生活中也很好理解:我们接触相同温度的不同物体时,冷热的感觉会不一样。

比如在冬天时,用手触碰铁栏杆比触碰旁边的树木感到更凉。在夏天,同样的室外三十多摄氏度的高温,下雨之前的闷热,或者湿度更大的地区往往会让人感到更热。

从微观上来理解,温度是处于热平衡系统的微观粒子热运动强弱的量度。

所有的宏观物体都是由大量的微观粒子组成的,而这些微观粒子每时每刻都在运动,被称为热运动。微观粒子热运动的平均动能与温度的关系为:

温度高的物体粒子热运动更快,当与温度更低的物体接触时,更快的粒子碰撞慢的粒子使其运动加快,从而完成了热量传递。

分子热运动示意图,图源:维基百科

所以,热量实际上就是不同温度物体间传递的能量。

为了清晰地描述这一现象,傅里叶提出了描述热传导的傅里叶定律。定义Q为单位时间能通过物体横截面的热量:

可以看到热量的传导过程除了与温差dT有关外,还与一个特定的常数κ有关。这个常数是热导率。

不同的材料具有不同的热导率。材料的热导率也会随着温度的变化而变化。

在这里给大家列出一些常见材料的热导率:

常见材料的热导率,来源:参考文献[1]

可以看到,金属的热导率比木材的热导率大得多,所以热量传递更快。

所以冬天时,在相同的时间里,对于相同温度的金属和木材来说,人体向金属比向木材传递更多的热量,这就是我们感受到铁栏杆更凉的原因。

与此同时,由于水蒸气的导热率比空气小。所以,湿度越大,人体向空气中散热越困难,从而感到更热。

除了热传导以外,物体间热量的传递过程还包括热对流和热辐射。热对流主要发生在流体比如空气、液体中,是通过流体流动来实现传热过程。

对流传热和热传导过程类似,其单位时间内传递的热量也与温差呈正比,其经验公式为牛顿冷却定律:

其中h为热适应系数。

把热传走就是凉

回归正题,我们感受到的凉席的凉爽,主要就是来自于人体与凉席之间的热传导。

目前市面上的凉席种类主要有:竹席、再生纤维素纤维凉席、亚麻凉席、皮凉席、草席、藤席等。

以竹席为例,毛竹的导热系数约为0.3~0.5Wm-1K-1,所以相比于空气,人体更容易向竹席中传递热量,从而有冰凉的感觉。

除此之外,凉席的表面结构也会影响热量的传导效率,但是厚度对皮肤与编织物瞬时的热量传递影响不大。

比如说,凉席表面越光滑,其与人体皮肤接触的面积就越大,传导的热量就更多,所以皮肤的接触凉感就越强。

制作凉席的材料除了选用热导率较高的材料以外,还要保证材料自身升温慢。这需要满足两个条件:

第一点是材料的比热较大。比热是指单位质量的物体升高或降低单位温度所吸收或放出的热量:

如果选用的凉席的比热较大,凉席可以从人体吸收更多的热量而升高较少的温度,所以才可以保持长时间的凉爽。

在室温环境下,常见毛竹的比热大小为:0.8~1.6J(goC)-1

作为对比,常见的金属和水的比热为:

参考自文献[1]

所以,相比于金属,竹子的比热更大,更不易受到人的体温影响。

第二点则是保证凉席散热快。这需要合理的结构设计。

编织凉席一般具有很多空隙,对于纤维编织物来说,纤维集合体内部还存在着很多气孔,里面存在空气。所以,凉席内部的热传递过程十分复杂,包括纤维和空气、水分之间的热传导,纤维空隙之间的热对流,凉席自身的热辐射等过程。

例如,通过构造特定的编织结构,可以控制凉席内部空隙、空隙中空气的多少,从而改善导热性能。与此同时,更紧致的编织也会使得凉席内部孔隙变小,从而使导热性能更好。

不同的织物编织结构以及导热性能模拟 来源:[5]

把汗吸走就是爽

夏天炎热的感觉除了直接感受到的温度以外,还有人体分泌出的大量汗水。

出汗可分为非显汗和显汗两种方式。非显汗是指人体皮肤表面蒸发的水分以水蒸气的形式存在,显汗就是肉眼可见的汗液。

人体大量出汗时,由于非显汗的存在,使得皮肤表面附近的空气湿度大。

一方面,如前所述,空气湿度越大,人体散热效率越低,从而感到更热。

另一方面,空气湿度大导致汗液更不容易蒸发,无法通过汗液蒸发带走热量,从而也会感到更热。

所以,一个好的凉席是否令人凉爽,其湿传递性能也尤为重要。也就是凉席对汗液水蒸气和汗液的吸收传递效果。

汗液水蒸气可以通过凉席中的纱线、纤维内以及纤维间的空气,通过热扩散过程从水蒸气分压高的一侧扩散至水蒸气分压低的一侧。

热扩散过程是由于分子的热运动,分子从数密度高的地方迁移到数密度低的地方的过程。

粒子的数密度n就是指单位空间里微观粒子的数目。显然,对于水蒸气来说,空气湿度越大,水蒸气分压越大,水蒸气分子数密度越大。

19世纪法国生理学家菲克描述了扩散过程的规律,某个方向,在单位时间扩散的粒子数为:

其中D为扩散系数,与扩散的粒子有关。

下表给出了常见的气体扩散系数,其中互扩散是指从一种气体向另一种气体的扩散过程。

常见气体的扩散系数 [1]

这就是描述了凉席的透气性能。

水接触不同的物体会有浸润现象和不浸润现象。比如水在清洁的玻璃上会摊开,这就是浸润现象;小水滴在荷叶上形成晶莹的球形水珠,这就是不浸润现象。

这种现象与分子间的作用力有关。

当水接触到物体表面时,我们把固体分子对水中某个水分子A的吸引力的合力称为附着力,把水中其他分子对这个水分子A的吸引力的合力称为内聚力。

如果附着力大于内聚力,附着层液面就会向外扩散,增大附着面积,这就是浸润现象。

反之,如果内聚力大于附着力,附着层液面就会向内收缩,减小附着面积,这就是不浸润现象。

(a)浸润与(b)不浸润示意图 来源:[1]

这时定义固、液、气三者共同接触点处分别作液体表面的切线与固体表面的切线,其夹角被称为接触角θ。可见,接触角小于90度为浸润现象,接触角大于90度小于180度为不浸润现象。

接触角示意图 来源:[1]

与水发生浸润现象的是亲水材料,不浸润的就是疏水材料。

当用亲水材料做成内径细小的毛细管,插入水中,就会发现管内水面升高,这就是毛细现象。

这是由于浸润现象,在细管中的水会形成明显的弯曲面,从而产生一个附加压强,为了满足平衡条件,液面需要升高抵消附加压强的影响。毛细现象使得水更容易进入细小的管道之中。

毛细现象示意图 来源:[1]

由于编织凉席的纤维结构以及纱线结构中存在大量毛细管,汗液则可以通过毛细作用被吸收传递。

我们还可以知道,如果采用纤维编织,则需要用亲水纤维编织毛细管,使液态汗更好地被吸收传递,从而挥发掉。

结语

小小的一床凉席,其背后竟有着如此丰富的物理内涵。每一个环节都是人类对世界基本组成原理理解的体现。

在没有空调、西瓜奢侈的古代,竹席、草席为广大劳动人民在炎炎夏日中带来一丝清凉。

随着进入现代社会,除了凉席以外,在现代科学的指引下,研究着各种夏日凉爽的衣服、织物,正是人们不断追求更高品质的生活的体现!

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