¿Por qué el aire en movimiento se siente frío?

Estoy tomando una clase de termodinámica y tuve la siguiente pregunta. Iba a preguntarle a mi profesor directamente, pero parece una pregunta estúpida con una respuesta simple, así que pensé en probar suerte aquí por temor a la vergüenza.

Cuando el aire fluye a través de una tubería, su entalpía de estancamiento no cambia. Para un gas calórico perfecto, tenemos que la entalpía varía linealmente con la temperatura.

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

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

h = c_{p} T

$h = c_pT$

Miremos el aire. El aire tiene un calor específico a una presión constante de . Aire a temperatura ambiente es de aproximadamente. La velocidad del viento suele ser inferior a $1000\ \mathrm{\frac{J}{kg\cdot K}}$ $300 \text{ K}$ . $15\ \mathrm{\frac{m}{s}}$

Reescribiendo nuestras ecuaciones, podemos decir:

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

$T = 299.9 \text{ K}$

Entonces, las velocidades moderadas del viento no cambian la temperatura en absoluto. ¿Por qué, entonces, el movimiento del aire exterior se siente significativamente más frío que el aire estancado?

— user01101001
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buena pregunta, siempre tuve esta pregunta cuando estaba sentado debajo del ventilador de techo

— Shirish Herwade

Si descuidamos la evaporación del sudor por segundos, solo el aire con una temperatura por debajo del cuerpo se siente frío (er) cuando se mueve. Como el aire exterior suele ser más frío que 37 grados Celsius / 98 grados Fahrenheit, el viento se siente frío (er). Las temperaturas del aire por encima de ese umbral generalmente se perciben como incómodas porque el enfriamiento del cuerpo ahora es solo por evaporación (es decir, se produce una sudoración grave), y en algún momento se vuelve peligroso. Estuve en el Valle de la Muerte en mayo; Les puedo asegurar que el viento no se sintió frío, sino más bien como un secador de pelo. Mover el aire por encima de cierta temperatura en realidad se siente más cálido .

— Peter - Restablece a Mónica el

Es posible que se sienta menos estúpido :-), en clase, es decir, si reformula como "¿por qué el aire en movimiento proporciona más enfriamiento para una máquina (chips de computadora o un motor VW anterior a 1975) que el aire estático"?

— Carl Witthoft

Es porque esa sensación no tiene que ver con la temperatura del aire sino con la transferencia de calor, es por eso que Peter no se sintió bien cuando estuvo en el Valle de la Muerte en mayo. Si su cuerpo es más cálido que el aire que lo rodea, lo sentirá frío y viceversa. Los receptores en la piel son la clave, como se explica en la respuesta de Air a continuación

— raspacorp

Sopla un poco de aire sobre alguien en la sauna y verás que la sensación de frío es relativa a la temperatura corporal :)

— Filip Haglund

Respuestas:

Hay un par de razones. En primer lugar, es importante tener en cuenta que la sensación de calor o frío solo está relacionada indirectamente con la temperatura. Los receptores en su piel que se ocupan de la temperatura son principalmente sensibles a la transferencia de calor y los cambios de temperatura , no tanto a los valores absolutos de temperatura. Por ejemplo, aquí hay un extracto interesante del artículo de EB sobre termorrecepción :

Los receptores fríos responden al enfriamiento repentino con un aumento transitorio en la frecuencia de descarga (llamada respuesta dinámica) que está directamente relacionada con la temperatura previa y la magnitud y la tasa de disminución de la temperatura. Si se mantiene la temperatura del refrigerador, la frecuencia de descarga se adapta a una frecuencia de descarga estática que está directamente relacionada con la temperatura del refrigerador.

Entonces, la sensación de frescura tiene que ver con la rapidez con que el calor se transfiere de la piel. La transferencia de calor ocurre en tres modos: radiación, conducción y convección. Es el último lo que importa, porque la convección depende del movimiento; sin movimiento, solo hay radiación y conducción. El aire es un buen aislante, lo que hace que la conducción sea menos efectiva; y es transparente en un amplio espectro, lo que significa que no hay intercambio de calor radiativo significativo. Y su piel tiene muchos pelos pequeños (y tal vez pelos más grandes, dependiendo de la persona) que funcionan contra cualquier flujo convectivo menor, como una corriente de aire o una pequeña perturbación.

Básicamente, en ausencia de convección (aire en movimiento), su piel calentará localmente el aire a su alrededor, y ese aire no será reemplazado muy rápidamente por aire más frío . A medida que se calienta, conduce incluso menos calor lejos de su piel (porque el diferencial de temperatura más pequeño es un conductor más débil).

Pero el factor mucho más significativo en la mayoría de los casos es probablemente el aumento del enfriamiento por evaporación . Así como esa capa de aire alrededor de su piel conduce calor y es calentada por su piel, también evapora la humedad y se vuelve más húmeda. (Su piel siempre puede perder una cierta cantidad de humedad en el aire seco, incluso si no se siente sudado). Así como la transferencia de calor se reducirá a medida que el aire se caliente y se acerque a la temperatura de su cuerpo, también se reducirá la evaporación a medida que El aire que rodea su cuerpo se vuelve ligeramente más húmedo. Pero cuando el aire se mueve, se vuelve mucho más efectivo para evaporar la humedad de la piel. Puede leer sobre el mecanismo de la transpiración para obtener más información.

En ambos casos, el aire en movimiento actúa relativamente más como un sumidero de energía constante porque a medida que su cuerpo aporta energía térmica y / o humedad, esas moléculas de mayor energía se alejan de la interfaz con su piel y son reemplazadas por más aire fresco y seco. . Desde una perspectiva analítica, si el aire se mueve lo suficientemente rápido, no tiene que tener en cuenta que se calienta o se humedece más con el tiempo, ya que intercambia calor y humedad con su piel.

Como señala este comentario , es importante reconocer que si bien la transpiración es específicamente un mecanismo de enfriamiento, la convección funciona en ambos sentidos; Si el aire circundante es más cálido que su piel, una brisa hará que se sienta aún más caliente. Si está realmente interesado en este tema, el Centro para el entorno construido de UC Berkeley tiene una herramienta de confort térmico ordenada con la que puede jugar, que entra en mucho más detalle en cuanto a variables individuales y ambientales.

— Aire
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Irónicamente respondió por Airsí mismo.

— JonH

El aire que se siente frío es realmente que su piel se enfría por convección forzada y evaporación del sudor.
Sin movimiento de aire, se forma una capa límite de aire más caliente sobre la piel y, por lo tanto, debido a la menor diferencia de temperatura, la tasa de pérdida de calor disminuye.
El movimiento del aire sobre la piel altera este límite y permite que el aire no calentado entre en contacto con la piel, lo que aumenta la tasa de pérdida de calor y la piel se enfría más. La evaporación es un cambio de estado que requiere calor latente que es proporcionado por la piel, lo que enfría más. Vea la sensación térmica y el índice de calor del efecto "opuesto" .

— Farcher
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En el aire quieto, los principales mecanismos de transferencia de calor son la difusión y la convección natural. Si un objeto está a una temperatura más alta que el aire quieto, el calor fluirá del objeto al aire. En esencia, el aire que rodea inmediatamente al objeto estaría a una temperatura más alta que solo el aire mismo.

En el aire en movimiento, también tiene difusión y convección natural y forzada como mecanismos de transferencia de calor. La convección forzada funciona para eliminar el aire calentado en las inmediaciones alrededor de ese objeto (debido a la difusión) y suministrar más aire a la temperatura original del aire más rápidamente que los otros mecanismos.

— Pablo
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Hay convección en ambos casos. En el aire quieto (si es correcto usar ese término), tendrá convección natural debido a la circulación del aire circundante como resultado de las diferencias de densidad.

— Algo

@Algo: tienes razón. Debería haber distinguido entre los diferentes tipos de convección. No obstante, la convección natural en esta situación es relativamente insignificante como mecanismo de enfriamiento. Ver mi respuesta actualizada.

— Paul