Чем влажнее воздух тем холоднее

Ощущение холода и влажность. Подробный разбор

Этот вопрос давно меня терзал. Влияет ли влажность на ощущение холода при низких температурах (

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).

4.2.3*) 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.

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:

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.

Данные расчета представлены в таблице, ну а чтобы было нагляднее еще и график.

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).

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.

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.

А что говорят люди, про ощущение влажности? Давайте обратимся к людям на форумах. Здесь приведены примеры из обсуждений вопроса о влажности и холоде.

Источник

Что такое влажность

Количество водяного пара, который может содержаться в воздухе, зависит от температуры — чем выше температура, тем больше влаги может в нем находиться. Количество содержащейся в воздухе влаги характеризуется двумя величинами — относительной и абсолютной влажностью. Абсолютная влажность или влагосодержание показывает, сколько грамм водяного пара содержится в одном килограмме воздуха. Несмотря на свою наглядность, абсолютная влажность не дает представления о том, насколько воздух влажен или сух. А для определения «сухости» воздуха используется относительная влажность, которая показывает, насколько воздух далек от насыщения водяным паром: относительная влажность равна отношению содержащейся в воздухе влаги к максимальному количеству влаги, которое может содержаться в воздухе при данной температуре. Например, при температуре воздуха 20°С и относительной влажности 50% в воздухе содержится 8,7 грамм водяного пара — половина от максимального количества (17,4 грамм), которое могло бы содержаться в воздухе при данной температуре. Для нас важна именно относительная влажность, поскольку от нее зависит интенсивность испарения влаги с кожи человека, из растений, деревянной мебели

О причинах низкой влажности зимнего воздуха

Зачем нужно увлажнять воздух

Помимо создания комфортных условий для людей, домашних животных и растений, поддержание нормального уровня влажности бывает необходимо в промышленности и торговле. Многие материалы, такие как бумага, ткани, некоторые виды пластмасс, а также фрукту и овощи являются гигроскопичными, то есть стремятся выровнять уровень своей влажности с окружающей средой. Другими словами, в сухом воздухе они меняют свои свойства, что приводит к нарушению технологических процессов или к преждевременной порче продуктов питания. Другой проблемой, которую создает сухой воздух, является статическое электричество. При падении относительной влажности ниже 35%, предметы начинают накапливать статическое электричество, к которому особенно восприимчивы электронные приборы.

Таким образом, увлажнители воздуха используются на промышленных объектах (производство и микросхем, химическая обработка материалов, покрасочные камеры, деревообработка), при хранении готовой продукции (холодильные склады и овощебазы), а также в музеях, библиотеках, оранжереях и других объектах. Далее мы расскажем о том, как рассчитать и выбрать увлажнитель воздуха в зависимости от типа обслуживаемого объекта.

Источник

Здоровье и климат: как влажность влияет на наше самочувствие

Разбираемся, к каким последствиям для организма может привести высокая влажность воздуха.

Знойные летние дни означают пору коктейлей и купальных костюмов. Но не стоит забывать и о менее приятных моментах: липкое тело, душные ночи и все последствия высокой влажности. Любой, кто чувствует себя не очень хорошо, когда повышается влажность воздуха, знает, что это влияет на наше тело разными способами – от повышения риска обезвоживания до возникновения проблем с сердцем.

«Большинство людей особо чувствительны к жаре и влажности, которые вызывают дискомфорт», – говорит врач скорой помощи Джанет Нешейват.

Доктор Джанет Нешейват

семейный врач и врач скорой помощи, Нью-Йорк

медицинский журналист, директор клиники CityMD

Уровень влажности воздуха, который подходит для большинства людей, составляет от 30 до 60%. А все, что выходит за рамки, может заставить вас чувствовать себя немного хуже. Содержание влаги в воздухе меняет восприятие телом тепла: чем выше влажность, тем жарче мы ощущаем воздух.

Воздух может быть очень влажным и при низких температурах – и это тоже не очень весело. Согласно исследованию 2019 года, опубликованному в научном журнале «Digital Medicine», сочетание прохладной температуры и влажного воздуха может усугубить артрит.

Возвращаясь к главной теме: последствия высокой концентрации влаги в воздухе в теплое время года могут быть куда хуже. Ниже мы расскажем вам о том, как влажный летний воздух может повлиять на наш организм.

1. Влажность влияет на потоотделение

В особо жаркие дни способность нашего тела к самовосстановлению сильно ухудшается. «Вы начинаете чувствовать себя некомфортно, потому что из-за концентрации влаги в воздухе нашему телу сложнее выделять пот, – объясняет Кристина Л. Белицки, сертифицированный ассистирующий медик сети здравоохранения «Northwell Health». – Испарение пота на нашей коже – это способ естественного охлаждения тела при высоких температурах».

В жару и влагу наш пот почти не высыхает, отчего повышается температура тела. Вот почему воздух влажного климата может казаться очень горячим, а такая же температура в местности с сухим климатом переносится гораздо лучше.

Возможно, именно поэтому жаркая и влажная погода оказывает влияние и на психическое здоровье человека. Австралийское исследование, опубликованное в международном научном журнале «PLoS One» в 2016 году, показало, что чем жарче и влажнее воздух, тем больше вероятность того, что люди начнут испытывать психические расстройства.

2. Увеличивает нагрузку на сердце и кровообращение во время тренировок

Scott Halleran / Getty Images

Тренировка на улице в местности с большой концентрацией влаги в воздухе может стать настоящим испытанием для вашего сердца.

«Мало того, что из-за влажности вам начинает казаться, что воздух горячее, чем он есть на самом деле, – нашему телу все труднее поддерживать нормальную температуру», – утверждает Сима Сарин, директор компании «EHE Health» и поставщик медицинских услуг.

По ее словам, под влиянием влаги усиливается кровообращение и учащается дыхание, так как организм изо всех сил старается снизить температуру тела, чтобы чувствовать себя комфортнее.

Доктор Нешейват дополняет, что при занятиях спортом в очень влажную погоду вы можете почувствовать головокружение или тошноту. Исследование марафонцев, опубликованное в «Temperature» в 2016 году, показало, что чем выше была относительная влажность воздуха, тем больше это влияло на работу сердца и кровеносных сосудов спортсменов.

3. Может усугубить астму, но в то же время помочь астматикам

Люди, страдающие от астмы, знают, что вдыхание холодного сухого воздуха может воспламенить их дыхательные пути. Однако то же самое может делать и горячий влажный воздух.

Исследование, опубликованное в «Американском журнале респираторной и интенсивной медицины» в 2012 году, показало, что влажный воздух может вызывать сужение дыхательных путей. Нейтрализовать этот негативный эффект может помочь доза заранее принятых антиастматических препаратов.

mygifdump.tumblr.com

Парадокс заключается в том, что в то же время влажный воздух может оказать астматикам помощь. «Увлажненный воздух часто используется для лечения многих заболеваний, таких как астма, аллергия, простуда и даже заложенность носа, – утверждает Белицки. – Вспомните старый добрый способ избавления от насморка – вы ставите перед собой кастрюлю с картошкой, надеваете полотенце на голову и вдыхаете пар. Влага разрыхляет слизь, облегчая сморкание».

4. Может привести к обезвоживанию

Постоянное потоотделение в жаркую погоду может быть очень неудобным: стоит хотя бы вспомнить прилипание ног к кожаным сиденьям.

Но в то же время это может привести и к более негативным последствиям – обезвоживанию. «Когда вы потеете, то теряете важные для организма электролиты, такие как натрий и хлорид, – объясняет доктор Нешейват. – Поэтому очень важно поддерживать водный баланс в организме, чтобы избежать обморока, мышечных спазмов и перегрева, особенно в летнее время».

Так что не забывайте пить как можно больше воды, когда зашкаливают цифры термометра и повышается влажность воздуха.

5. Может вызвать тепловой стресс

В самом плохом сценарии развития событий высокая влажность воздуха может вызвать состояние, известное как тепловой стресс, при котором ваше тело вообще перестанет охлаждаться. «Тепловое истощение происходит, когда температура тела поднимается выше 40° C, – говорит доктор Сарин. – Вы начинаете чувствовать головокружение и обезвоживание, а сердце бешено бьется».

Исследование, опубликованное в 2020 году в научном журнале «Environmental Research Letters», предполагает, что к 2100 году более 1 миллиарда человек будут испытывать тепловой стресс, связанный с повышением уровня тепла и влажности.

Поэтому любому, кто чувствует себя действительно перегретым, необходимо понижать температуру своего тела с помощью вентиляторов, охлаждающих жидкостей и пребывания в прохладных местах.

К счастью, большинству из нас достаточно небольшой порции холодного воздуха, чтобы почувствовать себя гораздо лучше в жаркий влажный день. «В следующий раз, когда вы начнете ощущать дискомфорт, включите ближайший вентилятор, – советует Белицки. – А при появлении любых нежелательных симптомов незамедлительно обратитесь к врачу»

Источник