冬天穿衣服为了保暖,夏天穿衣服为了什么

原创:中科院物理所

这天热起来以后是真的日子过得一天不如一天……在空调坏掉还没修好的日子里,小编时不时就会闪过一个大胆的想法人为什么要穿衣服呢?你说冬天也就算了,我恨不得把被子都披身上,那夏天为啥还要穿衣服呢?

为了能够有一个更加舒适的夏天!

为了给在宿舍裸奔的自己一个正当的理由!

小编决定从物理学里的热学出发,一探究竟。

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你们城里人 学物理的 真会玩

被打包贱卖的自由度

What's Heat?

热,宏观上来说物体的冷和热,但从微观上来说其实就是物质中所有无规运动的粒子的动能之和。因为原子核和电子的质量相差悬殊,所以这些动能主要都来自于原子核。提这一点是因为针对不同组分,可以有不同的温度概念,比如电子温度等。而这个概念在诸如核聚变等场合需要频繁用到。核聚变时内部已经变成了一个等离子体,核外电子摆脱了原子核的束缚。

我估计大家肯定都听过:浙江温州浙江温州,最大皮革厂,江南皮革厂倒闭了!……我们没有办法,拿着钱包抵工资!原价都是一百多、两百多、三百多的钱包,通通二十块!通通二十块!其实在经典热力学里面,分子的无规运动动能也和「钱包」一样,通通打包贱卖……

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一个
α
螺旋肽分子的热运动。这种不停的运动是既随机又复杂的,而且任一原子的能量起伏都可以很大。然而,使用能量均分定理可以计算出每个原子的平均动能,以及许多振动态的平均势能。灰色、红色及蓝色的球分别代表碳、氧及氮原子,而小白球则代表氢原子。图片来自
wikipedia

在玻尔兹曼发展了热力学的统计理论以后,科学家们终于可以在理论上计算出特定温度下系统内能的大小。气体处于平衡态时,分子中任何一个自由度的平均能量都相等,均为 ½ kT,这就是能均分定理[1] 这个结论的有趣之处在于统一了分子里面不同的运动自由度,原来是振动,转动,平动的能量,统统 ½ kT!统统 ½ kT!

虽然玻尔兹曼的统计理论非常完善,解释了实验上的很多现象,但还是面临了很大争论。最大的困难来自,当时很多的科学家认为他的研究根基,原子和分子就不存在。这场争论持续了数年之久,在巨大的精神压力之下,最终玻尔兹曼在情绪失控中自缢身亡。[2]

热量是怎么自由奔跑的

How Heat Transport

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地球中的大气环流,承担了很重要的热量输运功能,图片来自 teded.tumblr

传导、对流和辐射。这个估计大家都背过,被自然科学老师从小念叨到大。而这里面又可以分为两类,物质内传热和物质外传热。前面也提到了,内能实际上就是系统内的分子或原子无规运动的平均动能,比如固体中,原子一个紧挨着一个排列,那么动的更快的原子就会推动动的更慢的那些。而气体里面,这个过程就要难得到,这正是热传导。对流则主要发生在流体中,比如加热一壶水,从底部加热会比从上面加热要容易加热地多。因为如果从底部加热,热水上升,冷水下沉,加热会更有效率。

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辐射示意图,图片来自 European Space Agency - ESA

相比前面两者,辐射则并不那么直观。人们为了能够真正地理解辐射,最后一直整出来 bug 级别的量子力学这样的存在才完全理解。当然如果不去管背后太多复杂的东西的话,冬天里的烤火,晒太阳,都是通过辐射来获取热量的方式。通过电磁波来携带能量。

人到底有多热?

Heat In Human Body

回到我们今天在最前面抛出来的问题上,关于人为啥会穿衣服,显然有很多社会学的因素,我们就从热学上来谈一谈这件事情。平时,我们待的环境里面绝大多数都没有超过我们的体温,因此人体一直不断地在向外辐射热量。这个点其实挺反三观的。在绝大多数时候,通过汗液蒸发等方式散热的都只是很小一部分,真正的占了最主要的部分,反而是我们平时都忽略掉的辐射散热。传导散热次之,而人体和空气通过热传导散热则几乎可以忽略不计。而辐射这么重要,就是因为其散热的功率,和温度的四次方成正比。

 

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利用卫星探测到的宇宙微波背景辐射,图片来自 wikipedia

我们耳熟能详的宇宙里面的微波背景辐射,对应的温度只有 2.7K,需要用巨大的天线才能测量。而人体的体表温度接近 300K,单位面积辐射热量的功率是微波背景辐射的一亿倍。为了更详细地计算 [3],我们使用中国人群平均数据,体表面积约为 1.6㎡,人体核心温度为 37℃,体表温度通常为 33℃,人体站立姿态时有效辐射面积约为体表面积的 0.73 倍,环境温度 25℃,身体裸露时净辐射功率约为 55W。这个数目真的不小了。同样,我们也可以估计对流散热的功率约为 30W

所以衣服到底有啥用?

Why People Wear Clothes

很多文章里面都说,衣服的颜色其实很重要,穿不穿衣服也很重要。这在热学里面其实也是很有道理的。前面提到了热辐射占了主要因素,衣服的颜色越浅,其反射电磁波的能力也就越强,因此在户外的时候,大家都比较推荐穿浅色的衣服。

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风吹xx凉,所以风的影响还是很重要的

但其实真实情况比简单的分析要复杂,一个常常被大家忽略掉的因素是环境中的风速。曾经有文献 [4] 系统地总结了鸟类的羽毛对其散热的影响。鸟类和人类的散热也大致相当,辐射散热占据了半壁江山,另外半壁江山由对流占领。讲道理大自然中有这么多黑色的鸟,其没被太阳晒死,风就占据了很大的功劳。因为黑色吸收了绝大部分的辐射热量,这些热量集中在羽毛的表层,只要环境风速较大,就可以迅速地把热量全部带走

前面提到浅色的衣服反射电磁波的能力也比较强,所以它反射人体自己的辐射的能力也比较强,更多的热量反而返回给了人体,在外界风较大(>3m/s)的情况下,相比深色就不能发挥更好的作用了。 [5] 

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不穿衣服直接在户外作业其实一点都不推荐,原因也很简单,宽松的衣服其实起到了很好的隔绝太阳辐射,吸收热量的作用。在空气流动之下,衣服的散热也远比身体表面散热要容易很多。

「完了,以后没有理由裸奔了」

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参考资料:

[1] 能均分定理其实也有很大的局限性,比如在解释固体的比热容的时候,只能解释高温时的数据,而不能解释低温时比热趋近于零的行为。这个一直要到 1907 年,爱因斯坦将量子化假设引入以后才部分解释了实验现象,1912 年德拜模型彻底解决了低温下的情形。

[2] Ludwig Boltzmann - Wikipedia 

[3] 康建胜. "从能量角度粗谈人体的几个定量问题." 生命的化学33.5 (2013): 588-595.

[4] Wolf,
Blair O., and Glenn E. Walsberg. "The role of the plumage in heat
transfer processes of birds." American Zoologist 40.4 (2000): 575-584.

[5] https://physics.stackexchange.com/questions/78616/is-dark-clothes-for-winter-light-for-summer-relevant

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