用熱力學告訴你,為什麼夏天就算再熱也絕對要「穿衣服」?

衣服還有一個重要的功能:保護別人的「眼睛」(除非你的身材跟照片中的帥哥一樣好)

夏天來了!在這種熱到爆汗的天氣裡,一定會有不少人想:「如果可以不用穿衣服的話,夏天就更涼快。」我們用熱力學的角度,帶你分析衣服的功用:除了在冬天保暖,夏天還可以幫你散熱和擋輻射。

熱有三種傳遞方式:傳導、對流、輻射

熱,從宏觀的角度來看是物體的溫度,但從微觀的角度來看,是粒子的平均動能,包含了移動、轉動和震動。該理論的提出者是奧地利物理學家波茲曼(Ludwig Eduard Boltzmann),他最大的貢獻就是用統計的觀點,將宏觀的物理性質(例如溫度)用粒子的微觀性質(例如動能)解釋。

相信大家在國小自然都學過,熱有三種傳遞方式:傳導、對流、輻射,波茲曼的理論協助科學家用統計熱力學的角度,計算這三種熱傳導方式的相關性質。我們今天不討論背後的複雜公式,我們只需要用這三種傳導方式,定性探討衣服的散熱功用。

人體主要透過輻射散熱,散熱功率可以在 11 分鐘內充飽 iPhone X

人體的核心溫度大概是 37 度,在大多數的環境下,體溫都比環境溫度高,因此人體是個「發熱源」。由於人體是固體,不可能用對流的方式散熱,因此我們只需要探討傳導和輻射的狀況。

人類會透過流汗來散熱,這是透過傳導的方式散熱。汗水在皮膚表面上吸收熱量,蒸發時帶走皮膚表面的熱,達到散熱的效果。

然而在多數情況下,人類的體溫是透過「輻射」散掉的,傳導反而是其次,而輻射的散熱功率和溫度的四次方成正比;也就是說,人體與環境的溫差愈大,身體的熱散失得愈快。

根據中國科學媒體環球科學的 數據 ,人體表面積約為 1.6 平分公尺,站立的時候,有效輻射面積約為人體表面積的 0.73 倍。人體核心溫度是 37 度,體表溫度約 33 度,在 25 度的環境下,人體的輻射功率約為 55W。

55W 是多大的數字?我們拿 iPhone X 舉例,該手機的電池電量約為 2700mAh,電壓約 3.7V,如果用 55W 的功率對一個完全沒電的 iPhone X 充電,只需要 10.9 分鐘就可以充滿。也就是說,人體的輻射散熱功率,可以在 11 分鐘以內充滿一支完全沒電的 iPhone。

衣服的功用:幫助人體散熱,並擋掉環境的熱輻射

至於衣服,不但可以吸收身體的熱量並且散射到空氣中,還可以擋掉環境的熱輻射。衣服的顏色也很重要,淺色衣服可以更有效反射環境的輻射,不讓熱量進入體內;這也是天然氣槽會漆成白色的原因。

天然氣槽。圖片來源:Flickr

但如果考慮風的話,狀況會不太一樣。因為風會帶走人體周圍的熱空氣,帶來較低溫的空氣,並提升汗水的蒸發速度,若穿衣服的話,反而妨礙風與皮膚的接觸。

此外,衣服除了反射長波長的紅外線,也可以阻擋短波長的紫外線,避免皮膚曬傷。

結論是,衣服可以吸收並散出身體的熱量,也可以反射環境的熱輻射,並吸收對皮膚有害的紫外線;雖然在有風的環境下,衣服會降低風的散熱效率,但真的強烈建議大家要穿衣服。

如果想體驗有穿和沒穿衣服的差別,可以選個大太陽的日子,11:00 到 12:00 穿衣服曬太陽,12:00 – 13:00 打赤膊,就可以感受箇中差異了。(以上文字純屬玩笑,千萬不要真的嘗試,以免中暑和皮膚癌。)

參考資料來源:
1.《環球科學》:〈 夏天也不能裸体出门的热力学理由
2.《維基百科》:〈 路德維希·波茲曼
(本文提供合作夥伴轉載。圖片來源:Pexel CC Licensed)

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