隨著冷空氣的到來，最近幾天北方是氣溫驟降??！不知道大家有沒有感受到寒冬將至的訊息呢？反正小編已經(jīng)是抱著被子瑟瑟發(fā)抖了。

不過考慮到立冬之后天氣還會(huì)更冷，本著“春捂秋凍”的指導(dǎo)思想，小編決定靠著一身正氣，再堅(jiān)持（茍?。┮欢螘r(shí)間。

瑟瑟發(fā)抖的同時(shí)，小編突然想到，從物理學(xué)的角度出發(fā)，究竟什么時(shí)候換厚衣服比較合適呢？要不要穿秋褲，衣服加多少合適？不如讓我們來探索一下這個(gè)問題。（省流：結(jié)論在末尾）

人體的產(chǎn)熱

眾所周知，正常沒有發(fā)燒的人體深部的體溫大概在37±1 °C的范圍，作為恒溫動(dòng)物的人要保持自己的體溫，就要不斷產(chǎn)生熱量。人體的“發(fā)熱機(jī)”主要依靠骨骼肌和肝臟，他們倆分別在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和安靜狀態(tài)承擔(dān)了機(jī)體大部分的產(chǎn)熱。在安靜時(shí)所產(chǎn)生的熱量是83.72W?（每小時(shí)?72 kcal），在運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的熱量是安靜時(shí)的3倍。而冷環(huán)境刺激可引起骨骼肌的寒顫反應(yīng)，使產(chǎn)熱量增加4～5倍。所以我們?cè)趧×疫\(yùn)動(dòng)大汗淋漓的時(shí)候，通常不會(huì)覺得冷。

燃燒吧我的小肝臟！丨圖片由BingAI生成此外，人還有一套體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，人體溫度的調(diào)節(jié)主要由大腦中的下丘腦調(diào)節(jié)，下丘腦通過神經(jīng)和激素等途徑來調(diào)節(jié)體溫，能夠在寒冷的時(shí)候增加產(chǎn)熱減少散熱。

人體的散熱

常看物理所公眾號(hào)的大家一定知道，熱的傳遞方式有三種：熱輻射、熱傳導(dǎo)以及熱對(duì)流。我們?nèi)梭w也有四種不同的散熱途徑來調(diào)節(jié)人體的體溫：熱輻射、熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱、蒸發(fā)散熱。

1 熱輻射

任何溫度高于絕對(duì)零度的物品都會(huì)產(chǎn)生熱輻射，以電磁波的形式輻射能量。根據(jù)斯忒藩-玻爾茲曼定律，面積為A、溫度為T的物體輻射產(chǎn)生的熱量Q：

熱輻射與溫度的四次方成正比，σ是常數(shù)，系數(shù)ε與物體自身的性質(zhì)有關(guān)。物理學(xué)中的絕對(duì)黑體能夠在任何溫度下將輻射到它表面上的任何波長(zhǎng)的能量全部吸收，對(duì)于絕對(duì)黑體來說ε=1，對(duì)于其他物體ε<1。

由于我們天冷裹著嚴(yán)實(shí)的衣服，輻射散熱大都被衣物直接吸收，只有裸露在外的頭和手腳直接通過輻射散熱。

2 熱傳導(dǎo)

兩個(gè)物體互相接觸，只要介質(zhì)內(nèi)或者介質(zhì)之間存在溫度差，就一定會(huì)發(fā)生傳熱。熱傳導(dǎo)傳熱量Q滿足：

ΔT是兩個(gè)介質(zhì)的溫度差，熱阻R的定義是當(dāng)有熱量在物體上傳輸時(shí)，在物體兩端溫度差與熱源的功率之間的比值，單位為開爾文每瓦特(K/W)。熱阻也可以通過串并聯(lián)來計(jì)算，串聯(lián)熱阻是指多個(gè)熱阻依次串聯(lián)在一起，熱量需要依次通過每個(gè)熱阻層才能傳遞到下一個(gè)熱阻層；并聯(lián)熱阻是指多個(gè)熱阻同時(shí)存在，熱量可以同時(shí)通過多個(gè)熱阻層傳遞。一個(gè)有趣的點(diǎn)是，研究發(fā)現(xiàn)人坐姿的熱阻相對(duì)于人體站立狀態(tài)下的熱阻要小4％到18％，坐著散熱更多，所以覺得冷了，但是又不想運(yùn)動(dòng)，不妨從座位上站起來，可以讓你稍稍暖和一點(diǎn)點(diǎn)。

3 熱對(duì)流

熱對(duì)流，是指通過流動(dòng)介質(zhì)熱微粒由空間的一處向另一處傳播熱能的現(xiàn)象，只能發(fā)生在流體之中。對(duì)流散熱滿足牛頓冷卻公式:

其中Q是熱流量（W），h是對(duì)流換熱系數(shù)[W/(m2?K)]。

穿上衣服阻斷皮膚直接接觸空氣，我們可以穿著貼身的衣服，皮膚絕大部分與衣服直接接觸，這樣達(dá)到保暖的效果。對(duì)于裸露的皮膚，皮膚跟空氣直接接觸的地方首先發(fā)生的是熱傳導(dǎo)，發(fā)生熱傳導(dǎo)之后，緊挨皮膚表層的那部分空氣溫度升高，而離皮膚表層較遠(yuǎn)的空氣溫度較低，這樣發(fā)生對(duì)流。

4 蒸發(fā)散熱

當(dāng)氣溫高于于體表溫度的時(shí)候，或是體內(nèi)產(chǎn)生大量熱量的時(shí)候，輻射和對(duì)流的方式以及不能滿足散熱的需要，就需要啟動(dòng)蒸發(fā)的方式來帶走熱量。出汗就是蒸發(fā)散熱的主要興水。不過，冬天冷且不運(yùn)動(dòng)的時(shí)候我們汗液比較少，蒸發(fā)帶走的熱量也很少，可以忽略不計(jì)了。

什么是人體熱舒適？

人體熱舒適是個(gè)很復(fù)雜的系統(tǒng)，需要衡量的指標(biāo)有很多。其中比較知名的PMV指標(biāo)是由Fanger教授于70年代提出的，該指標(biāo)是以熱舒適平衡方程為基礎(chǔ)而建立的，代表了同一環(huán)境中大多數(shù)人冷熱感覺的平均，綜合了影響人體熱舒適的空氣溫度、輻射溫度、空氣濕度、空氣流速、人體活動(dòng)程度和衣服熱阻。在熱舒適領(lǐng)域中，學(xué)者們主要關(guān)注服裝熱阻對(duì)人體熱平衡及人體熱舒適方面的影響。?

學(xué)會(huì)了PMV指標(biāo)，如果出門發(fā)現(xiàn)降溫了，經(jīng)過一通計(jì)算以后，就可以不用說“今天稍微有點(diǎn)冷”，可以具體描述為“我感到-1.1451個(gè)單位的冷”。這么看來想要確切找到舒服的溫度環(huán)境還挺不容易！我們現(xiàn)在就僅僅考慮其中空氣溫度和服裝熱阻的影響，認(rèn)為其他條件保持不變且是屬實(shí)的條件。只考慮舒適溫度的話，人感到舒適的室溫溫度大概的范圍是在在18 ~ 23度，而由于需要散熱，人體表的溫度要比室溫更高一些，33～34度時(shí)最為適宜。

不同衣物的熱阻

在一般環(huán)境中，尤其是偏冷的環(huán)境中，服裝在維持人體溫度方面意義重大。為了定量描述人體和環(huán)境之間通過服裝進(jìn)行的換熱量，人們提出了“服裝熱阻”的物理參數(shù)，這個(gè)熱阻與物理上的熱阻定義略有不同，是熱阻乘上穿衣服的面積。服裝熱阻的單位為Clo。1Clo=0.155m2·K/W。其值越大，衣物的保暖性越好。不同衣服的熱阻可以通過多種方法來測(cè)量估計(jì)，這個(gè)量不僅與衣服的材料、制作工藝等等本身?xiàng)l件有關(guān)，也會(huì)受到環(huán)境因素的影響，例如濕度大衣服保暖性能就會(huì)差很多。當(dāng)然我們不可能只穿一件衣服，由于衣服覆蓋不到全身，多件衣服疊穿也會(huì)對(duì)總的熱阻有不同的影響。在有效熱阻中已經(jīng)考慮到了這些，總熱阻可以按熱阻的串聯(lián)、并聯(lián)計(jì)算。下面給出一些常見服裝的熱阻：

說了這么多，我需要換多厚的衣服？

我們換厚衣服即改變主要影響的是熱阻R，理論上講，只要穿著合適的衣服，讓人體皮膚表面達(dá)到舒適溫度，并且產(chǎn)熱和散熱達(dá)到平衡，這時(shí)候人就會(huì)覺得不冷不熱啦！

那么我們不妨以我自身為例，來做個(gè)非常簡(jiǎn)單的模型估計(jì)：假設(shè)我因?yàn)榕吕涔煤車?yán)實(shí)，身體的絕大部分80%都被衣物覆蓋，只有頭的20%面積裸露在空氣中。衣服內(nèi)表面緊貼我的身體，已經(jīng)被焐熱到溫度等于我的體表溫度，因此不考慮這部分身體的輻射散熱和對(duì)流散熱。衣服外表面是室溫。這時(shí)我身上的熱量一部分通過裸露在外的部分熱輻射、熱傳導(dǎo)散失，一部分通過熱傳導(dǎo)傳給了衣服，再通過衣服的散熱散失。

我已出艙，感覺良好我在達(dá)到產(chǎn)熱-散熱平衡時(shí)，我的身體：

當(dāng)天氣變冷時(shí)，要繼續(xù)維持體表溫度不變，溫度不變，因此Q熱輻射不變。溫度改變但是產(chǎn)熱不變，就有

體表舒適溫度取33°C，昨天的溫度是16°C，我感覺穿現(xiàn)在的衣服還是舒適的，因此我認(rèn)為ΔT1=17K。今天的溫度降到14°C，此時(shí)ΔT2=19K。取空氣對(duì)流換熱系數(shù)h=5W/(m2·K)不妨認(rèn)為我的上半身跟下半身面積相同，我現(xiàn)在穿的是長(zhǎng)袖T恤、外套、長(zhǎng)褲，其中T恤、外套都在上半身是串聯(lián)關(guān)系，然后再與褲子并聯(lián)。不穿衣服面積是A，穿衣服部分占4A的面積。總的熱阻（這里是物理上的熱阻）為R1=0.11clo/4A?。代入計(jì)算那么要繼續(xù)保持舒服要求，算得R2=0.12clo/4A，服裝熱阻是0.12clo，查表發(fā)現(xiàn)只需要多穿一雙襪子就可以繼續(xù)快樂玩耍了（不過按我們的模型要用襪子把整個(gè)身體套進(jìn)去），真是好用??！

那么換個(gè)思路，什么時(shí)候需要穿秋褲呢？秋褲的服裝熱阻是0.14Clo,T恤、外套串聯(lián)，秋褲、褲子串聯(lián)，然后再并聯(lián)。那么可以算出全部這些衣服的總熱阻R2=0.17clo/4A。代入公式，得到ΔT2=26K，那么對(duì)應(yīng)的外界氣溫降低到7°C。這樣看來下周暫時(shí)還能堅(jiān)持一下！

小伙伴們你們學(xué)會(huì)了嗎？這下再也不用媽媽提醒我穿秋褲啦！
（對(duì)于服裝熱阻的測(cè)量原理和成套服裝熱阻計(jì)算問題還請(qǐng)以專業(yè)人士為準(zhǔn)，這里僅為說明物理原理作簡(jiǎn)單處理）所以，到底什么時(shí)候能來暖氣啊！

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編輯：Childe