Начнём с того, что комфортные условия для нашего организма зависят не только от температуры окружающей среды. Так, 30 градусов в средней полосе России или где-нибудь в юго-восточной Азии ощущаются и переносятся по-разному. Наш организм охлаждается при помощи процесса испарения, а его интенсивность зависит ещё и от относительной влажности воздуха. Поэтому при одинаковой температуре в разных частях света мы чувствуем себя по-разному.
А мы о бане!
Вы могли заметить, что чем суше баня, тем выше в ней максимальная комфортная температура, и наоборот. Это связано и с тем, насколько интенсивно человек может в ней охлаждаться. И всё же температура в какой бы то ни было бане выше, чем та, при которой на коже могут появиться ожоги. Так почему же их нет?
Дело в механизме передачи тепла. Из школьного курса физики мы помним, что всего их три: теплопроводность, конвекция и излучение. В бане мы в основном получаем тепло от «ударов» о нас нагретых молекул воздуха, то есть посредством теплопроводности. Воздух, как и любой другой газ, имеет низкую плотность, из-за чего обладает относительно небольшой способностью к передаче тепла.
Все мы используем это качество газов в быту: воздушная прослойка в оконных рамах отлично теплоизолирует наши дома.
Как кипяток опасен
Иначе дело обстоит с жидкостями. Из-за более высокой плотности скорость теплопередачи посредством теплопроводности в воде выше, чем в воздухе, почти в 25 раз. И кипяток отдаст вашей коже тепло намного быстрее, чем воздух. К тому же вода обладает очень высокой теплоёмкостью — запасает тепла на единицу массы гораздо больше, чем другие вещества на Земле.
Если вы случайно подставили руку под кран с горячей водой, дело усугубляется и тем, что механизм передачи тепла становится конвективным — то есть происходящим в движущихся средах, а в таких условиях теплопередача становится ещё интенсивнее.
В бане, кстати, конвективный механизм тоже присутствует. Из-за меньшей плотности тёплый воздух поднимается вверх, к потолку. Холодный воздух скапливается ближе к полу. Образуются воздушные потоки, интенсифицирующие теплопроводность вблизи поверхности вашего тела, «подмешивая» новые порции горячего воздуха. Если пройтись в парной, этот эффект станет ощутимее, и вам будет ещё жарче.
Пара фактов
№1. Помимо теплопроводности вы можете получать тепло в парилке посредством излучения от нагретых поверхностей. Есть отдельные виды саун — инфракрасные — работающие на этом принципе. В паровой сауне нагретые камни тоже излучают в ИК-диапазоне, и если их разогреть слишком сильно, тепловой поток за счёт излучения становится сопоставимым с теплопроводностью, из-за чего вы можете перегреться и почувствовать себя плохо.
№2. Внимательный (или с горьким опытом) читатель может задаться вопросом, почему ожог от горячего пара сильнее, чем от кипящей воды. Во-первых, пар может иметь температуру выше 100 градусов. А ещё дело в теплоте фазового перехода. Когда горячий пар соприкасается с вашей кожей, он конденсируется, а затем, в жидкой фазе, отдаёт тепло вашей коже. То есть сначала происходит фазовый переход с выделением тепла. Именно это дополнительное тепловыделение приводит к более сильному ожогу.
Для разминки
- Возможно, вы помните из школьного курса физики формулу под названием «полтора кота». Чтобы рассчитать кинетическую энергию молекул идеального газа, нужно умножить коэффициент 3/2 (переводя в десятичную дробь — полтора) на константу Больцмана и температуру. Из неё вы можете определить скорость молекул, бьющихся о вас в бане или комнате, где вы читаете ответ на вопрос. Делитесь результатами в комментариях.
- Теперь, вспомнив о понятии теплопроводности, ответьте на вопрос, что обладает большей теплопроводностью — железо или дерево? (Подсказка: на скамейке из какого материала вы сможете усидеть в бане?)
На вопрос ответил старший научный сотрудник Политехнического музея, кандидат физико-математических наук Майя Коршунова. Если у вас тоже есть вопросы, связанные с устройством мира или человека, вы можете задать их в комментариях или в письме по адресу question@polytech.one
