冬天穿衣服為了保暖,夏天穿衣服為了什麼_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2019-06-16 22:13
原創:中科院物理所
這天熱起來以後是真的日子過得一天不如一天……在空調壞掉還沒修好的日子裏,小編時不時就會閃過一個大膽的想法,**人為什麼要穿衣服呢?**你説冬天也就算了,我恨不得把被子都披身上,那夏天為啥還要穿衣服呢?
為了能夠有一個更加舒適的夏天!
為了給在宿舍裸奔的自己一個正當的理由!
小編決定從物理學裏的熱學出發,一探究竟。
你們城裏人 學物理的 真會玩
被打包賤賣的自由度
What’s Heat?
熱,宏觀上來説物體的冷和熱,但從微觀上來説其實就是物質中所有無規運動的粒子的動能之和。因為原子核和電子的質量相差懸殊,所以這些動能主要都來自於原子核。提這一點是因為針對不同組分,可以有不同的温度概念,比如電子温度等。而這個概念在諸如核聚變等場合需要頻繁用到。核聚變時內部已經變成了一個等離子體,核外電子擺脱了原子核的束縛。
我估計大家肯定都聽過:浙江温州浙江温州,最大皮革廠,江南皮革廠倒閉了!……我們沒有辦法,拿着錢包抵工資!**原價都是一百多、兩百多、三百多的錢包,通通二十塊!通通二十塊!**其實在經典熱力學裏面,分子的無規運動動能也和「錢包」一樣,通通打包賤賣……

一個 α 螺旋肽分子的熱運動。這種不停的運動是既隨機又複雜的,而且任一原子的能量起伏都可以很大。然而,使用能量均分定理可以計算出每個原子的平均動能,以及許多振動態的平均勢能。灰色、紅色及藍色的球分別代表碳、氧及氮原子,而小白球則代表氫原子。圖片來自 wikipedia
在玻爾茲曼發展了熱力學的統計理論以後,科學家們終於可以在理論上計算出特定温度下系統內能的大小。氣體處於平衡態時,分子中任何一個自由度的平均能量都相等,均為 ½ kT,這就是能均分定理。[1] 這個結論的有趣之處在於統一了分子裏面不同的運動自由度,原來是振動,轉動,平動的能量,統統 ½ kT!統統 ½ kT!
雖然玻爾茲曼的統計理論非常完善,解釋了實驗上的很多現象,但還是面臨了很大爭論。最大的困難來自,當時很多的科學家認為他的研究根基,原子和分子就不存在。這場爭論持續了數年之久,在巨大的精神壓力之下,最終玻爾茲曼在情緒失控中自縊身亡。[2]
熱量是怎麼自由奔跑的
How Heat Transport

地球中的大氣環流,承擔了很重要的熱量輸運功能,圖片來自 teded.tumblr
傳導、對流和輻射。這個估計大家都背過,被自然科學老師從小念叨到大。而這裏面又可以分為兩類,物質內傳熱和物質外傳熱。前面也提到了,內能實際上就是系統內的分子或原子無規運動的平均動能,比如固體中,原子一個緊挨着一個排列,那麼動的更快的原子就會推動動的更慢的那些。而氣體裏面,這個過程就要難得到,這正是熱傳導。對流則主要發生在流體中,比如加熱一壺水,從底部加熱會比從上面加熱要容易加熱地多。因為如果從底部加熱,熱水上升,冷水下沉,加熱會更有效率。

輻射示意圖,圖片來自 European Space Agency - ESA
相比前面兩者,輻射則並不那麼直觀。人們為了能夠真正地理解輻射,最後一直整出來 bug 級別的量子力學這樣的存在才完全理解。當然如果不去管背後太多複雜的東西的話,冬天裏的烤火,曬太陽,都是通過輻射來獲取熱量的方式。通過電磁波來攜帶能量。
人到底有多熱?
Heat In Human Body
回到我們今天在最前面拋出來的問題上,關於人為啥會穿衣服,顯然有很多社會學的因素,我們就從熱學上來談一談這件事情。平時,我們待的環境裏面絕大多數都沒有超過我們的體温,因此人體一直不斷地在向外輻射熱量。這個點其實挺反三觀的。在絕大多數時候,通過汗液蒸發等方式散熱的都只是很小一部分,真正的佔了最主要的部分,反而是我們平時都忽略掉的輻射散熱。傳導散熱次之,而人體和空氣通過熱傳導散熱則幾乎可以忽略不計。而輻射這麼重要,就是因為其散熱的功率,和温度的四次方成正比。
利用衞星探測到的宇宙微波背景輻射,圖片來自 wikipedia
我們耳熟能詳的宇宙裏面的微波背景輻射,對應的温度只有 2.7K,需要用巨大的天線才能測量。而人體的體表温度接近 300K,單位面積輻射熱量的功率是微波背景輻射的一億倍。為了更詳細地計算 [3],我們使用中國人羣平均數據,體表面積約為 1.6㎡,人體核心温度為 37℃,體表温度通常為 33℃,人體站立姿態時有效輻射面積約為體表面積的 0.73 倍,環境温度 25℃,身體裸露時淨輻射功率約為 55W。這個數目真的不小了。同樣,我們也可以估計對流散熱的功率約為 30W。
所以衣服到底有啥用?
Why People Wear Clothes
很多文章裏面都説,衣服的顏色其實很重要,穿不穿衣服也很重要。這在熱學裏面其實也是很有道理的。前面提到了熱輻射佔了主要因素,衣服的顏色越淺,其反射電磁波的能力也就越強,因此在户外的時候,大家都比較推薦穿淺色的衣服。

風吹xx涼,所以風的影響還是很重要的
但其實真實情況比簡單的分析要複雜,一個常常被大家忽略掉的因素是環境中的風速。曾經有文獻 [4] 系統地總結了鳥類的羽毛對其散熱的影響。鳥類和人類的散熱也大致相當,輻射散熱佔據了半壁江山,另外半壁江山由對流佔領。講道理大自然中有這麼多黑色的鳥,其沒被太陽曬死,風就佔據了很大的功勞。因為黑色吸收了絕大部分的輻射熱量,這些熱量集中在羽毛的表層,只要環境風速較大,就可以迅速地把熱量全部帶走。
前面提到淺色的衣服反射電磁波的能力也比較強,所以它反射人體自己的輻射的能力也比較強,更多的熱量反而返回給了人體,在外界風較大(>3m/s)的情況下,相比深色就不能發揮更好的作用了。 [5]

不穿衣服直接在户外作業其實一點都不推薦,原因也很簡單,寬鬆的衣服其實起到了很好的隔絕太陽輻射,吸收熱量的作用。在空氣流動之下,衣服的散熱也遠比身體表面散熱要容易很多。
「完了,以後沒有理由裸奔了」
參考資料:
[1] 能均分定理其實也有很大的侷限性,比如在解釋固體的比熱容的時候,只能解釋高温時的數據,而不能解釋低温時比熱趨近於零的行為。這個一直要到 1907 年,愛因斯坦將量子化假設引入以後才部分解釋了實驗現象,1912 年德拜模型徹底解決了低温下的情形。
[2] Ludwig Boltzmann - Wikipedia
[3] 康建勝. “從能量角度粗談人體的幾個定量問題.” 生命的化學33.5 (2013): 588-595.
[4] Wolf, Blair O., and Glenn E. Walsberg. “The role of the plumage in heat transfer processes of birds.” American Zoologist 40.4 (2000): 575-584.