有一种冷，叫做妈妈觉得你该穿秋裤了
隨著冷空氣的到來，最近幾天北方是氣溫驟降啊！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（茍住）一段時間。
瑟瑟發(fā)抖的同時，小編突然想到，從物理學(xué)的角度出發(fā)，究竟什么時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。在安靜時所產(chǎn)生的熱量是 83.72W （每小時 72 kcal），在運(yùn)動時所產(chǎn)生的熱量是安靜時的 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。所以我們在劇烈運(yùn)動大汗淋漓的時候，通常不會覺得冷。
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，能夠在寒冷的時候增加產(chǎn)熱減少散熱。
人體的散熱
常看物理所公眾號的大家一定知道，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)、對流換熱、蒸發(fā)散熱。
1 熱輻射
任何溫度高于絕對零度的物品都會產(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)中的絕對黑體能夠在任何溫度下將輻射到它表面上的任何波長的能量全部吸收，對于絕對黑體來說 ε=1，對于其他物體 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，就一定會發(fā)生傳熱。熱傳導(dǎo)傳熱量 Q 滿足：
ΔT 是兩個介質(zhì)的溫度差，熱阻 R 的定義是當(dāng)有熱量在物體上傳輸時，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)熱阻是指多個熱阻依次串聯(lián)在一起，熱量需要依次通過每個熱阻層才能傳遞到下一個熱阻層；并聯(lián)熱阻是指多個熱阻同時存在，熱量可以同時通過多個熱阻層傳遞。
一個有趣的點(diǎn)是，研究發(fā)現(xiàn)人坐姿的熱阻相對于人體站立狀態(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，不妨從座位上站起來，可以讓你稍稍暖和一點(diǎn)點(diǎn)。
3 熱對流
熱對流，是指通過流動介質(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。對流散熱滿足牛頓冷卻公式:
其中 Q 是熱流量（W），h 是對流換熱系數(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)生對流。
4 蒸發(fā)散熱
當(dāng)氣溫高于于體表溫度的時候，或是體內(nèi)產(chǎn)生大量熱量的時候，輻射和對流的方式以及不能滿足散熱的需要，就需要啟動蒸發(fā)的方式來帶走熱量。出汗就是蒸發(fā)散熱的主要途徑。不過，冬天冷且不運(yùn)動的時候我們汗液比較少，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)注服裝熱阻對人體熱平衡及人體熱舒適方面的影響。
學(xué)會了 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量估計(jì)，這個量不僅與衣服的材料、制作工藝等等本身?xiàng)l件有關(guān)，也會受到環(huán)境因素的影響，例如濕透的大衣服保暖性能就會差很多。當(dāng)然我們不可能只穿一件衣服，由于衣服覆蓋不到全身，多件衣服疊穿也會對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，這時候人就會覺得不冷不熱啦！
那么我們不妨以我自身為例，來做個非常簡單的模型估計(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流散熱。衣服外表面是室溫。這時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。
我在達(dá)到產(chǎn)熱-散熱平衡時，我的身體：
當(dāng)天氣變冷時，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 ΔT2=19K。取空氣對流換熱系數(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)在穿的是長袖 T 恤、外套、長褲，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身體套進(jìn)去），真是好用啊！
那么換個思路，什么時候需要穿秋褲呢？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，那么對應(yīng)的外界氣溫降低到 7°C。
這樣看來下周暫時還能堅(jiān)持一下！
小伙伴們你們學(xué)會了嗎？這下再也不用媽媽提醒我穿秋褲啦！
（對于服裝熱阻的測量原理和成套服裝熱阻計(jì)算問題還請以專業(yè)人士為準(zhǔn)，這里僅為說明物理原理作簡單處理）
所以，到底什么時候能來暖氣啊！
參考文獻(xiàn)
[1] 李敏.適用于中國地區(qū)的熱舒適服裝熱阻的計(jì)算方法研究 [D].清華大學(xué)，2016.
[2] 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004 [11] 總后勤部軍需裝備研究所. GB / T 18398-2001 服裝熱阻測試方法暖體假人法 [S].
[3] 雷丹妮.服裝對人體熱舒適影響的實(shí)驗(yàn)研究 [D]. 重慶大學(xué)，2012.
[4] 黑賞罡等，F(xiàn)anger PMV 熱舒適模型發(fā)展過程及適用性分析.低溫建筑技術(shù)，2017. 39 (10)
[5]Havenith，G．，R．Heus，and W．A．Lotens．A Resultant clothing insulation：A function of body movement，posture，wind，clothing fit，and ensemble thickness．Ergonomics，1990,V01．33，npt 1，pp．67-84
本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Childe
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總結(jié)
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