動く空気が寒いのはなぜですか？

私は熱力学のクラスを受講していて、次の質問がありました。私は教授に直接尋ねるつもりでしたが、簡単な答えの馬鹿げた質問のように思えます。

空気がパイプを流れるとき、その停滞エンタルピーは変化しません。カロリー的に完璧なガスの場合、エンタルピーは温度とともに直線的に変化します。

h_{0} = constant = h + \frac{1}{2} u^{2}

$h_0 = \text{constant}= h + \frac12u^2$

h = c_{p} T

$h = c_pT$

空気を見てみましょう。空気は一定圧力で比熱を持ちます。室温の空気は約です。風速は通常未満です。 $1000\ \mathrm{\frac{J}{kg\cdot K}}$ $300 \text{ K}$ $15\ \mathrm{\frac{m}{s}}$

方程式を書き換えると、次のようになります。

c_{p} T_{0} = c_{p} T + \frac{1}{2} u^{2}

$c_p T_0 = c_pT + \frac12u^2$

1000 \frac{J}{k g \cdot K} \cdot 300 K = 1000 \frac{J}{k g \cdot K} \cdot T + \frac{1}{2} (15 \frac{m}{s})^{2}

$1000\ \mathrm{\frac{J}{kg \cdot K}} \cdot 300 \text{ K} = 1000\ \mathrm{\frac{J}{kg \cdot K}} \cdot T + \frac12(15\ \mathrm{\frac{m}{s}})^2$

300000 \frac{J}{k g} = 1000 T \frac{J}{k g} + 112.5 \frac{J}{k g}

$300000 \frac{J}{kg} = 1000T\ \mathrm{\frac{J}{kg}} + 112.5\ \mathrm{\frac{J}{kg}}$

T = 299.9 K

$T = 299.9 \text{ K}$

したがって、中程度の風速でも温度はまったく変化しません。では、なぜ外気の移動は停滞空気よりもかなり冷たいと感じるのでしょうか？

— user01101001
ソース

素敵な質問、シーリングファンの下に座ったとき、私はいつもこの質問を持っていた

— Shirish Herwade

汗の蒸発を無視すると、体温が体の温度より低い場合にのみ、体が動くときに冷たく感じます。外気は通常、摂氏37度/華氏98度よりも冷たいため、風は冷たく感じられます。そのしきい値を超える気温は、体の冷却が蒸発のみによって行われるため（つまり、深刻な発汗が始まる）不快であると一般に認識され、ある時点で危険になります。私は5月にデスバレーにいました。そこの風は冷たくはないが、ブロードライヤーのように感じられたことを保証できます。一定の温度以上で空気を移動すると、実際には暖かく感じます。

— ピーター-モニカの復活

あなたは愚かではないかもしれません:-)-クラスで、つまり-「静止空気よりも動く空気が機械（コンピューターチップ、または1975年以前のVWエンジン）により多くの冷却を提供する理由」と言い換えれば？

— カール・ウィットフト

それは、その感覚が気温ではなく熱伝達に関係しているためです。そのため、ピーターはデスバレーの5月に冷たく感じませんでした。あなたの体が周囲の空気よりも暖かい場合、あなたはそれを冷たく感じ、逆に感じます。以下のAirの回答で説明されているように、皮膚の受容体が重要

— です-raspacorp

サウナで誰かに空気を吹きかけると、寒さの感覚が体温に関連していることがわかります:)

— フィリップハグランド

回答:

いくつかの理由があります。まず第一に、暖かさや冷たさの感覚は温度に間接的にのみ関係していることに注意することが重要です。温度を扱う皮膚の受容体は、主に熱伝達と温度の変化に敏感であり、絶対的な温度値ではありません。たとえば、熱受容に関するEBの記事からの興味深い抜粋を次に示します。

コールドレセプターは、突然の冷却に応答して、放電周波数の一時的な増加（動的応答と呼ばれます）を起こします。これは、以前の温度と温度低下の大きさと速度に直接関係しています。冷却器の温度が維持される場合、放電周波数は、冷却器の温度に直接関連する静電気放電の周波数に適合します。

したがって、冷たさの感覚は、熱が皮膚からどれほど速く伝達されるかに関係しています。熱伝達は、放射、伝導、対流の3つのモードで発生します。対流は運動に依存するため、重要なのは最後の1つです。動きがなければ、放射と伝導しかありません。空気は非常に優れた絶縁体であるため、伝導の効果が低下します。そして、それは広いスペクトルにわたって透明です。つまり、大きな放射熱交換はありません。また、肌には多くの小さな毛があり（人によっては大きな毛もあります）、ドラフトや小さな乱れなどの小さな対流に逆らって働きます。

基本的に、対流（空気の移動）がない場合、肌は自分の周りの空気を局所的に温め、その空気は冷たい空気にすぐに置き換わりません。温まると、皮膚からの熱伝導がさらに少なくなります（温度差が小さいほどドライバーが弱くなるため）。

しかし、ほとんどの場合、はるかに重要な要因はおそらく蒸発冷却の増加でしょう。皮膚の周りの空気層が熱を伝導し、皮膚によって温められるように、水分も蒸発してより湿気が多くなります。（汗をかいていない場合でも、皮膚は常に空気を乾燥させるとある程度の水分を失います。）空気が温まり、体温に近づくにつれて熱伝達が減少するのと同様に、蒸発も減少します。体のすぐ周囲の空気は少し湿気が多くなります。しかし、空気が動いているときは、皮膚から水分を蒸発させる効果がはるかに高くなります。汗のメカニズムについては、さらに背景を読むことができます。

どちらの場合も、体が熱エネルギーや水分に寄与すると、これらの高エネルギーの分子は皮膚との界面から遠ざかり、より涼しく乾燥した空気に置き換わるので、移動する空気は比較的一定のエネルギーシンクのように機能します。分析の観点から見ると、空気が十分に速く動いている場合、皮膚と熱と水分を交換するため、時間の経過とともに空気が暖かくなったり湿気が増えたりすることを考慮する必要はありません。

このコメントが指摘し、それは汗が特に冷却機構である一方で、対流が両方の方法を動作することを認識することが重要です。周囲の空気が肌よりも暖かい場合、風が吹くとさらに暑くなります。このトピックに本当に興味があるなら、UC Berkeley's Center for the Built Environmentには、一緒に遊ぶことができるきちんとした温熱快適性ツールがあります。これは、個々の変数と環境変数に関してより詳細になります。

— 空気
ソース

皮肉にAirも自分で答えた。

— JonH

冷気を感じるのは、汗の強制対流と蒸発によって実際に肌が冷めていることです。
空気の移動がないと、より熱い空気の境界層が皮膚上に形成されるため、温度差が小さくなるため、熱損失率が減少します。
皮膚上で空気を移動させると、この境界が後で乱れ、加熱されていない空気が皮膚と接触するため、熱損失率が増加し、皮膚がより冷却されます。蒸発は状態の変化であり、皮膚により提供される潜熱を必要とし、したがって潜熱はより冷却します。風の寒さと「反対」効果の熱指数を参照してください。

— ファーチャー
ソース

静止空気では、主な熱伝達メカニズムは拡散と自然対流です。物体が静止空気よりも高い温度にある場合、熱は物体から空気に流れます。本質的に、オブジェクトのすぐ周囲の空気は、空気そのものよりも高い温度になります。

移動する空気では、熱伝達メカニズムとして拡散と自然対流および強制対流もあります。強制対流は、そのオブジェクトのすぐ近くにある加熱された空気を除去し（拡散により）、元の温度の空気を他のメカニズムよりも速く供給します。

— ポール
ソース

両方の場合に対流があります。静止空気では（このような用語を使用するのが正しい場合でも）、密度差の結果として周囲の空気が循環するため、自然対流が発生します。

— アルゴ

@Algo：そのとおりです。対流の種類を区別する必要がありました。それにもかかわらず、この状況での自然対流は、冷却メカニズムとしては比較的無視できます。更新された回答をご覧ください。

— ポール