Mengapa udara yang bergerak terasa dingin?

Saya mengambil kelas termodinamika dan memiliki pertanyaan berikut. Saya akan bertanya kepada profesor saya secara langsung, tetapi sepertinya ini adalah pertanyaan bodoh dengan jawaban sederhana, jadi saya pikir saya akan mencoba keberuntungan saya di sini karena takut malu.

Ketika udara mengalir melalui pipa, entalpi stagnasinya tidak berubah. Untuk gas yang sempurna secara kalori, kita memiliki entalpi yang bervariasi secara linear dengan suhu.

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

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

h = c_{p} T

$h = c_pT$

Mari lihat udara. Udara memiliki panas spesifik pada tekanan konstan . Udara suhu kamar sekitar . Kecepatan angin biasanya di bawah . $1000\ \mathrm{\frac{J}{kg\cdot K}}$ $300 \text{ K}$ $15\ \mathrm{\frac{m}{s}}$

Menulis ulang persamaan kami, dapat kami katakan:

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

$T = 299.9 \text{ K}$

Jadi, kecepatan angin sedang tidak mengubah suhu sama sekali. Lalu, mengapa udara yang bergerak di luar terasa lebih dingin dari pada udara yang mandek?

— pengguna01101001
sumber

pertanyaan yang bagus, saya selalu memiliki pertanyaan ini ketika duduk di bawah kipas langit-langit

— Shirish Herwade

Jika kita mengabaikan penguapan keringat sebentar, hanya udara dengan suhu di bawah tubuh terasa dingin ketika bergerak. Karena udara luar biasanya lebih dingin dari 37 derajat Celcius / 98 derajat Fahrenheit, angin terasa dingin (er). Suhu udara di atas ambang batas itu umumnya dianggap tidak nyaman karena mendinginkan tubuh sekarang dengan penguapan saja (yaitu keringat yang serius), dan pada titik tertentu menjadi berbahaya. Saya berada di Death Valley pada bulan Mei; Saya dapat meyakinkan Anda bahwa angin di sana terasa tidak sejuk tetapi lebih seperti pengering rambut. Memindahkan udara di atas suhu tertentu sebenarnya terasa lebih hangat .

— Peter - Reinstate Monica

Anda mungkin merasa kurang bodoh :-) - di kelas, yaitu - jika Anda mengubah kata menjadi "mengapa udara yang bergerak menyediakan lebih banyak pendinginan untuk sebuah mesin (chip komputer, atau mesin VW pra-1975) daripada udara statis"?

— Carl Witthoft

Itu karena sensasi itu tidak ada hubungannya dengan suhu udara tetapi dengan perpindahan panas, itulah sebabnya Peter merasa tidak sejuk ketika di Death Valley's May. Jika tubuh Anda lebih hangat dari udara di sekitarnya maka Anda akan merasakannya dingin dan sebaliknya. Reseptor di kulit adalah kuncinya seperti yang dijelaskan dalam jawaban Air di bawah ini

— raspacorp

Hembuskan udara ke seseorang di sauna dan Anda akan melihat bahwa sensasi dingin relatif terhadap suhu tubuh :)

— Filip Haglund

Jawaban:

Ada beberapa alasan. Pertama-tama, penting untuk dicatat bahwa sensasi kehangatan atau kesejukan hanya secara tidak langsung berkaitan dengan suhu. Reseptor di kulit Anda yang berurusan dengan suhu terutama sensitif terhadap perpindahan panas dan perubahan suhu , tidak begitu banyak nilai suhu absolut. Sebagai contoh, berikut adalah kutipan menarik dari artikel EB tentang termoreception :

Reseptor dingin merespons pendinginan mendadak dengan peningkatan frekuensi pelepasan sementara (disebut respons dinamis) yang berkaitan langsung dengan suhu sebelumnya dan besarnya serta laju penurunan suhu. Jika suhu pendingin dipertahankan, frekuensi debit menyesuaikan dengan frekuensi pelepasan statis yang terkait langsung dengan suhu pendingin.

Jadi sensasi kesejukan berkaitan dengan seberapa cepat panas dipindahkan dari kulit. Perpindahan panas terjadi dalam tiga mode: radiasi, konduksi dan konveksi. Yang terakhir itulah yang penting, karena konveksi bergantung pada gerakan; tanpa gerakan, hanya ada radiasi dan konduksi. Udara adalah isolator yang cukup baik, membuat konduksi menjadi kurang efektif; dan transparan di seluruh spektrum luas, artinya tidak ada pertukaran panas radiasi yang signifikan. Dan kulit Anda memiliki banyak rambut kecil (dan mungkin rambut lebih besar, tergantung orangnya) yang bekerja melawan aliran konvektif kecil, seperti dari angin atau gangguan kecil.

Pada dasarnya, dengan tidak adanya konveksi (udara yang bergerak), kulit Anda akan secara lokal menghangatkan udara di sekitarnya, dan udara itu tidak akan terlalu cepat diganti oleh udara yang lebih dingin . Saat hangat, ia melakukan lebih sedikit panas dari kulit Anda (karena perbedaan suhu yang lebih kecil adalah driver yang lebih lemah).

Tetapi faktor yang jauh lebih signifikan dalam banyak kasus mungkin peningkatan pendinginan evaporatif . Seperti halnya lapisan udara di sekitar kulit Anda melakukan panas dan dihangatkan oleh kulit Anda, ia juga menguapkan kelembaban dan menjadi lebih lembab. (Kulit Anda selalu dapat kehilangan sejumlah uap air ke udara kering, bahkan jika Anda tidak merasa berkeringat.) Sama seperti perpindahan panas akan berkurang saat udara menghangat dan mendekati suhu tubuh Anda, demikian juga penguapan akan berkurang ketika udara yang langsung mengelilingi tubuh Anda menjadi sedikit lebih lembab. Tetapi ketika udara bergerak, ia menjadi jauh lebih efektif untuk menguapkan kelembaban dari kulit Anda. Anda dapat membaca tentang mekanisme keringat untuk latar belakang yang lebih banyak.

Dalam kedua kasus tersebut, udara yang bergerak bertindak relatif lebih seperti wastafel berenergi konstan karena ketika tubuh Anda menyumbangkan energi panas dan / atau kelembaban, molekul berenergi lebih tinggi itu menjauh dari antarmuka dengan kulit Anda dan digantikan oleh udara kering yang lebih sejuk dan kering. . Dari perspektif analitis, jika udara bergerak cukup cepat, Anda tidak harus memperhitungkannya menjadi lebih hangat atau lebih lembab seiring waktu karena pertukaran panas dan kelembaban dengan kulit Anda.

Seperti yang ditunjukkan oleh komentar ini , penting untuk mengenali bahwa meskipun keringat secara khusus merupakan mekanisme pendinginan, konveksi bekerja dua arah; jika udara di sekitarnya lebih hangat dari kulit Anda, semilir angin akan membuatnya terasa lebih panas. Jika Anda benar-benar tertarik dengan topik ini, Pusat Lingkungan Buatan UC Berkeley memiliki alat kenyamanan termal yang rapi yang dapat Anda mainkan, yang lebih detail sejauh variabel individual dan lingkungan.

— Udara
sumber

Ironisnya dijawab Airsendiri.

— JonH

Udara terasa dingin benar-benar kulit Anda didinginkan oleh konveksi paksa dan penguapan keringat.
Tanpa pergerakan udara, lapisan batas udara yang lebih panas terbentuk di atas kulit dan karena perbedaan suhu yang lebih kecil, laju kehilangan panas berkurang.
Udara yang bergerak di atas kulit mengganggu batas ini kemudian memungkinkan udara yang tidak dipanaskan bersentuhan dengan kulit sehingga meningkatkan laju kehilangan panas dan kulit menjadi lebih dingin. Evaporasi adalah perubahan keadaan yang membutuhkan panas laten yang disediakan oleh kulit yang karenanya lebih dingin. Lihat angin dingin dan untuk indeks panas efek "berlawanan" .

— Farcher
sumber

Di udara diam, mekanisme perpindahan panas utama adalah difusi dan konveksi alami. Jika suatu benda berada pada suhu yang lebih tinggi dari udara diam, panas akan mengalir dari benda ke udara. Intinya, udara yang mengelilingi objek akan berada pada suhu yang lebih tinggi daripada hanya udara itu sendiri.

Di udara yang bergerak, Anda juga memiliki difusi dan konveksi alami dan paksa sebagai mekanisme transfer panas. Konveksi paksa bekerja untuk menghilangkan udara panas di sekitar objek itu (karena difusi) dan memasok lebih banyak udara pada suhu asli udara lebih cepat daripada mekanisme lainnya.

— Paul
sumber

Ada konveksi dalam kedua kasus. Di udara diam (jika itu benar untuk menggunakan istilah seperti itu) Anda akan memiliki konveksi alami karena sirkulasi udara di sekitarnya sebagai akibat dari perbedaan kepadatan.

— Algo

@Algo: Anda benar. Saya seharusnya membedakan antara berbagai jenis konveksi. Meskipun demikian, konveksi alami dalam situasi ini relatif dapat diabaikan sebagai mekanisme pendinginan. Lihat jawaban saya yang diperbarui.

— Paul