что значит плохая теплопроводность одежды
Кто согревает теплую одежду?
Общие принципы действия утеплителей
Муки выбора
Выбирая одежду, обувь, белье или головные уборы, мы почти всегда стараемся оценить, насколько вещь теплая. Иногда, например при выборе летней рубашки, такая оценка происходит почти незаметно и вряд ли сильно влияет на покупку. Но часто способность одежды согревать выходит на первый план, и тогда этому вопросу мы уделяем немало времени. Ведь нам необходимо убедиться, что мы не замерзнем, когда полезем штурмовать Эверест или попытаемся добраться на велосипеде до Северного полюса.
Мы придирчиво рассматриваем одежду, оцениваем ее фактуру, толщину и плотность, разглядываем изнаночную сторону, щупаем и мнем, чтобы понять, что у нее внутри. Что же мы ищем, производя эти почти шаманские манипуляции? Неужели секретные источники тепла, которые, словно добрый самаритянин, спасут нас в непогоду? Конечно, большинство из нас, выбирая одежду для города, может вообще не задумываться об этом. Какая разница, почему одежда греет. Тепло, и ладно. А будет холодно — наденем что-нибудь другое.
Но ситуация меняется, когда необходимо подобрать одежду для похода, экспедиции, восхождения или длительного путешествия. В этом случае правильный выбор экипировки становится задачей номер один, ведь мы не можем взять с собой слишком много верблюжьих одеял, бабушкиных носков, овчинных тулупов и шаляпинских шуб. Они, конечно же, гарантированно согреют нас в любую погоду если не порознь, то вместе, но сколько шерпов надо нанять, чтобы они весь этот груз хотя бы спустили на лифте, прежде чем мы потащим его в горы?
Согрей самого себя
Разумеется, мало кто из нас действительно думает, что греющая одежда греет сама по себе, если, конечно, речь не идет о довольно экзотичных видах экипировки с электроподогревом.
Источником тепла человеческого организма является сам организм, а задачей теплой одежды является пассивное удержание этого тепла рядом с телом. Или, иными словами, роль теплой одежды заключается в замедлении теплообмена между организмом человека и окружающей средой, чтобы исключить чрезмерные потери тепла и предотвратить переохлаждение.
Мерзнущий человек — это тот, чье тело слишком активно делится с окружающей средой своим теплом.
Для обычного человека, обладающего гомеостазом, — то есть способностью поддерживать температуру тела неизменной при незначительных колебаниях температуры окружающей среды, — нормальным является температурный диапазон этой среды от 27 до 32 °C. То есть для человека одинаково плохи как переохлаждение, так и перегрев.
Источником тепла человеческого организма является сам организм, а задачей теплой одежды является пассивное удержании этого тепла рядом с телом
Заметим, что если температура тела в норме слегка колеблется вокруг известных с детства тридцати шести и шести, то температура окружающей среды — это сплошной акт творческой непредсказуемости Юпитеров, Посейдонов и прочих Кецалькоатлей. Поэтому одежды, подходящей для любых климатических условий, не существует, если вы, конечно, не степной кочевник, спасающийся и от холода, и от солнцепека одной и той же меховой шапкой — малахаем. Да, от жары, оказывается, тоже можно спастись с помощью теплой одежды. Ведь если шуба замедляет отток тепла от тела, то точно так же она поступает и с теплом, стремящимся проникнуть в обратном направлении — от чрезмерно нагретой окружающей среды к организму человека. Такую же работу выполняет забавная войлочная панамка, которая, наряду с березовым веником, является одним из важнейших предметов экипировки любителя попариться в сауне.
Из всего этого следует важный факт: никакая одежда не должна полностью блокировать теплообмен организма с окружающей средой. В противном случае она станет похожа на непроницаемый космический скафандр, к которому подключают специальный кондиционер для поддержания нормального микроклимата. Несчастный космонавт вынужден всюду волочить за собой этот ящик со шлангами, пока не сядет в ракету для совершения подвига. Но мы подвиги космического масштаба пока не совершаем, поэтому вряд ли потащим с собой на восхождение бытовой кондиционер.
Если парень в горах — не ах…
Итак, одежда, какой бы теплой она ни была, должна, с одной стороны, препятствовать излишнему оттоку тепла от организма, а с другой — все-таки позволять этому оттоку происходить в контролируемых объемах для избежания перегрева.
Обычно это решается комплексно. Во-первых, существенное значение имеет базовый выбор одежды, подходящей для планируемых условий ее эксплуатации. Во-вторых, такая одежда должна быть по возможности модифицируемой, то есть она должна позволять использовать дополнительные утепляющие слои или подстежки. В-третьих, такая одежда должна иметь эффективные средства вентиляции: расстегивающиеся клапаны, специальные вентиляционные отверстия, дышащие материалы и т. д. Все это необходимо для того, чтобы расширить температурный диапазон, при котором данный вид одежды обеспечивал бы человеку комфортные условия.
Мерзнущий человек — это тот, чье тело слишком активно делится с окружающей средой своим теплом
Немного физики для лириков
Но вернемся к вопросу, который мы сформулировали в начале: как греет теплая одежда? Ответ на него дает физика, точнее один из ее разделов — термодинамика, — изучающий, в частности, процессы переноса тепла от одного тела к другому. Так как в этой статье мы рассматриваем принципы действия утеплителей, то нас интересует не общий случай переноса тепла от более нагретого к менее нагретому телу, а частный случай переноса тепла от человеческого организма в окружающую среду, имеющую существенно более низкую температуру.
Физика утверждает — и мы не будем с ней спорить, — что существует три основных способа теплопередачи. Два из них — теплопроводность и конвекция — осуществляются при прямом или опосредованном контакте участвующих в теплообмене тел, а один — тепловое излучение — для переноса тепла использует электромагнитные волны.
На практике это выглядит следующим образом. Прямой контакт теплого тела с холодным приводит к тому, что молекулы более нагретого тела передают свою энергию молекулам менее нагретого тела напрямую, при непосредственном взаимодействии. Так, например, происходит, когда мы берем голой рукой холодный камень или кусок льда. Молекулы более теплого тела, то есть руки, передают свою энергию менее «энергичным» молекулам льда до тех пор, пока их температура не сравняется. При этом лед лишь слегка подтает, а вот руке придется несладко. Многие, наверное, знают жестокую детскую шутку про язык и металлический поручень на морозе: достаточно лишь на мгновение прикоснуться языком к сильно охлажденному металлу, как влага, содержащаяся на языке, передаст свое тепло железке, охладится, замерзнет и ужасно трагично, смешно и нелепо приморозит язык к какому-нибудь предмету посреди заснеженного двора — турнику или качелям.
Перенос тепла при непосредственном контакте тел с различной температурой
Опосредованный контакт предполагает, что между телами, участвующими в теплопередаче, есть посредник — вода, воздух или другая более или менее плотная среда, через которую осуществляется передача. В этом случае молекулы более нагретого тела сначала вступают в контакт с молекулами посредника и передают им часть своей энергии. Затем « горячие » молекулы посредника достигают поверхности менее нагретого тела и делятся с его молекулами энергией, полученной от первого тела. Иными словами, молекулы посредника передают тепло перемещаясь от одного тела к другому.
Транспортировка тепла посредником
Скорость передачи тепла зависит от материала тела посредника и называется теплопроводностью. Чем выше теплопроводность материала, тем быстрее он нагревается и остывает и тем эффективнее транспортирует тепло.
Теплая одежда — это одежда, которая создает между поверхностью человеческого тела и окружающей средой зону с низким коэффициентом теплопроводности
От теплой одежды требуется замедлить отток тепла от организма человека в окружающую среду. Для этого необходимо выполнить два условия:
Таким образом, перенос тепла от более нагретого тела к менее нагретому через посредника тем медленнее, чем меньше молекул посредника участвуют в передаче энергии. Иными словами, человеку тем теплее, чем ниже коэффициент теплопроводности K посредника. Учитывая это, можно предположить, что самая теплая одежда-посредник — это вакуум, то есть среда, в которой отсутствуют молекулы, переносящие тепло.
Вот такой забавный вывод: самая теплая одежда — это полное ее отсутствие, прослойка полной молекулярной пустоты, вакуума, между телом человека и окружающей средой. Изобретатель, который откроет способ удержания небольшого слоя вакуума вокруг живого и активного человека, наверное, получит Нобелевскую премию, но пока ничего более подходящего, чем обычный термос, в этой области не изобретено. Представить восхождение на Монблан в термосе так же трудно, как и штурм Эвереста с кондиционером, поэтому до появления нобелевского варианта придется рассмотреть более трезвые решения этой задачи.
Кто-нибудь хочет полезть в этом на Эверест?
Итак, теплая одежда — это одежда, которая создает между поверхностью человеческого тела и окружающей средой зону с низким коэффициентом теплопроводности.
Мы уже знаем, что самым низким K обладает вакуум — среда, практически не содержащая частиц какого-либо вещества. Коэффициент теплопроводности вакуума равен нулю. Единственный вид теплопередачи, возможный в вакууме, — это электромагнитное излучение. Именно поэтому колбы термоса делают зеркальными. Зеркальное покрытие отражает излучение, и теплопередача внутри вакуумной зоны термоса становится еще менее интенсивной. Но поскольку надеть термос на себя мы пока не можем, остается рассмотреть другие варианты.
Такие материалы известны. На сегодняшний день лидером по удерживанию тепла, то есть материалом, обладающим наиболее низким K, считается гагачий пух. Его значение K =0,008 Вт/(м·К) — и это даже меньше, чем у воздуха. Для сравнения: вата, широко использовавшаяся ранее в качестве утеплителя, имеет K = 0,055 Вт/(м·К), это почти в семь раз выше, чем у пуха гаги.
Конечно, такие экстремальные значения K требуются в основном для снаряжения, эксплуатируемого в не менее экстремальных условиях. В обычных обстоятельствах достаточно теплой одеждой будет та, в которой K наполнителя не сильно отличается от K воздуха, а таких материалов немало — от искусственных утеплителей до обычной перопуховой смеси, используемой в большинстве пуховых изделий. Величина K для всех этих материалов лежит в примерном диапазоне от 0,024 до 0,039 Вт/( м·К), поэтому все они подходят для изготовления теплой одежды.
На сегодняшний день лидером по удерживанию тепла, то есть, материалом, обладающим наиболее низким коэффициентом теплопроводности, считается гагачий пух
Если мы обратим внимание на то, какие материалы человечество использовало исторически для сохранения тепла, то при всем их разнообразии — от шерсти животных до современных синтетических материалов и даже аэрогелей — обнаруживается, что их основным свойством является способность связывать и удерживать в неподвижности объемы содержащегося в них воздуха, сохраняя при этом структурную целостность. Эту способность мы и оцениваем, тщательно ощупывая одежду перед покупкой. Меховой ворс шубы, толстые шерстяные свитера, упругие валики пуховика или бутерброды синтетических утеплителей — все подвергается анализу на способность удерживать теплый воздух у горячо любимого организма.
Кроме того, чтобы теплая одежда сохраняла свои греющие характеристики, требуется обеспечить такие условия ее эксплуатации, которые кардинально не изменяют К утепляющего наполнителя. Например, не рекомендуется допускать увлажнения утеплителя, так как вода, во-первых, обладает К = 0,6 Вт/( м·К), что в десятки раз выше К воздуха, а во-вторых, может изменить пространственную структуру утеплителя. Современные утеплители при увлажнении сохраняют свою структуру, но в случае с пухом его намокание и слипание приводят к тому, что про ставшие бесполезными промокший пуховый спальник или куртку легче на время забыть, чем пытаться высушить их в походных условиях.
Резюме
Теплая одежда греет человека его собственным теплом.
Чем меньше коэффициент теплопроводности утеплителя К , тем теплее одежда при прочих равных условиях. Лучшим утеплителем по этому показателю считается гагачий пух.
Для одежды с эффективным утеплителем нужна такая же эффективная система вентиляции, предотвращающая перегрев.
Следует избегать увлажнения утеплителя, особенно утеплителей на основе натурального пуха.
Физические свойства тканей
При подборе тканей, трикотажа или нетканых материалов для тех или иных видов одежды и в процессах их влажно-тепловой обработки имеют особое значение теплозащитные свойства (теплоемкость, температуропроводность и теплостойкость), которые характеризуют отношение этих материалов к действию на них тепловой энергии.
Через материалы для одежды тепло передается главным образом теплопроводностью. Теплопроводностью называется способность любого вещества проводить тепло:
Степень теплопроводности материала численно характеризуется коэффициентом теплопроводности %:
Коэффициент теплопроводности показывает количество тепла, которое проходит за 1 ч через 1 м 2 однородного слоя толщиной в 1 м при разности температур на ее поверхностях в 1°С.
О теплозащитных свойствах материалов при их фактической толщине судят по коэффициенту теплопередачи К, определяемого по формуле :
Материалы для одежды не являются однородными слоями, а представляют собой систему из большого количества волокон, отделенных друг от друга порами различной формы и размеров, заполненных воздухом.
Рис. 11-63. Зависимость теплопроводности от числа слоев в одежде
Из графика видно, что с увеличением количества слоев одежды теплопроводность снижается и повышаются ее теплозащитные свойства.
Чем больше тепловое сопротивление материала, тем выше его теплоизоляционные свойства. Тепловое сопротивление сложного слоя равно сумме сопротивлений каждого из составляющих слоев, т. е.
Ткани, трикотаж и нетканые материалы представляют собой дисперсную систему, в которой волокна относительно равномерно распределены в дисперсной среде (воздухе). Основной особенностью структуры этих материалов является высокая пористость и сравнительно малая величина контактных площадей между отдельными волокнами в материале. Поэтому теплопередача в материалах одежды осуществляется в значительной степени через слой сравнительно неподвижного воздуха, заключенного в материале.
Таблица 11-15. Коэффициент теплопроводности различных материалов при различном объемном весе.
Объемный вес В кг/см 3
Коэффициент теплопроводности в ккал/м-ч-град
Тепловое сопротивление текстильных материалов представляет собой некоторую среднюю величину от теплового сопротивления волокна и воздуха, находящегося в порах. В табл. 11-15 представлены данные о коэффициенте теплопроводности различных материалов при разном объемном весе
Как видно из таблицы, различные материалы при резко отличающемся объемном весе имеют близкий по значению коэффициент теплопроводности. Однако объемный вес материалов для одежды не оказывает существенного влияния на их тепловое сопротивление только в определенном интервале значений. При дальнейшем увеличении объемного веса и уменьшении пористости тепловое сопротивление уменьшается, а теплопроводность увеличивается. Так, при увеличении объемного веса ткани (бобрика) в 2,5 раза ее тепловое сопротивление снизилось более чем на 45%.
Рис. 11-64. Зависимость теплового сопротивления тканей от их толщины (в условиях спокойного воздуха)
Рис. 11-65. Влияние избыточной влажности пакета одежды на его тепловое сопротивление
Исходя из этого, сделаны выводы: 1) ткани с меньшим объемным весом являются более теплозащитными; 2) структура ткани при заданной толщине в условиях неподвижного воздуха непосредственно не влияет на тепловое сопротивление. Зато структура ткани оказывает существенное влияние на ее толщину и воздухопроницаемость, которые тоже непосредственно влияют на тепловое сопротивление материалов для одежды. Толщина ткани является одним из главных факторов, влияющих на тепловое сопротивление одежды независимо от ее волокнистого состава и плотности (рис. 11-64). С увеличением толщины материалов одежды пропорционально возрастает и их тепловое сопротивление. С повышением влажности материалов для одежды резко падает их тепловое сопротивление. На рис. 11-65 представлена зависимость теплового сопротивления материалов одежды от их влажности.
Резкое падение теплового сопротивления материалов одежды от их влажности объясняется тем, что коэффициент теплопроводности воды, проникающей в поры материала, равен 0,5 ккал/м-ч-град (в 20 раз больше, чем воздуха в порах среднего размера). Кроме того, наличие воды в порах материала увеличивает размеры контактных площадок между волокнами материала, что также оказывает влияние на снижение теплового сопротивления.
Рядом исследователей установлено, что увеличение коэффициента теплопроводности прямо пропорционально увеличению влажности. Степень влияния влажности текстильных материаллов на их теплопроводность неодинакова для различных тканей и зависит от рода волокон и объемного веса тканей. Так, теплопроводность тканей хлопчатобумажных более резко увеличивается с увеличением влажности, чем шерстяных тканей. Зависимость коэффициента теплопроводности тканей от их влажности может быть выражена следующей формулой:
где λвл — коэффициент теплопроводности влажной ткани; λСух — коэффициент абсолютно сухой ткани; W — объемная влажность ткани в %;
а —постоянный коэффициент, равный, приблизительно, для шерстяных тканей 0,0024 и для хлопчатобумажных — 0,0039. Зависимость теплового сопротивления от вида и объемного веса волокнистого материала приведена в табл. 11-16.
Таблица 11-16. Зависимость теплового сопротивления от вида и объемного веса материала
Суммарное тепловое сопротивление в м 2 Ч-град1ккал при объемном весе в г/см 3
Изучение теплопроводности различных видов утеплителей одежды
Онлайн-конференция
«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Описание презентации по отдельным слайдам:
Рассмотреть классификацию утеплителей одежды их преимущества и недостатки Экспериментально исследовать теплопроводность различных видов утеплителей и их массу Изучить теоретическую основу понятие теплопроводности Обобщить результаты теоретических и экспериментальных исследований, сделать выводы
Сбор информации Сравнительный анализ Методы исследования Моделирование Изучение литературы Эксперимент Анкетирование Сравнительный анализ
Актуальность В условиях холодного климата у людей возникает проблема соответствующей одежды, которая должна хорошо сохранять тепло, для этого она должна обладать малой теплопроводностью. Чтобы правильно выбрать теплую одежду, нужно иметь представление о том, какие материалы используются в ней в качестве утеплителя, знать их преимущества и недостатки.
Зачем человеку одежда? Основное назначение одежды — защита нашего организма от неблагоприятных воздействий внешней среды. Одежда создана для того, чтобы создать многочисленные прослойки воздуха между нашим телом и окружающей средой, этот воздух нагревается от тела и не дает нам замерзнуть.
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА Процесс изменения внутренней энергии тела без совершения работы ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ КОНВЕКЦИЯ ИЗЛУЧЕНИЕ Теплопередача и её способы изменения
Теплопроводность это один из способов передачи тепла, при котором более нагретые части тела передают тепло менее нагретым. Движение, а, следовательно, и энергия, передаётся от частичек частичкам. При этом сами частички не перемещаются, они лишь начинают быстрее колебаться на своём месте. То есть механизм теплопроводности заключается в том, что усиление колебаний одних частиц вещества передаётся соседним частицам.
Теплопроводность различных веществ Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство). Теплопроводность воздуха ниже теплопроводности воды более чем в 25 раз. Поэтому комфортное теплоощущение обнаженного человека в воздушной среде наблюдается при температуре 22 — 23°С, тогда как в воде — при 34-36°С.
Теплозащитные свойства тканей — это способность их сохранять тепло, выделяемое теплом человека.
Натуральные Пух Ватин Холллфайбер Шерсть и мех Синтепон Классификация утеплителей Синтетические
Анкетирование Вопросы анкеты 1. На какие виды делятся утеплители одежды? 2.Какие натуральные утеплители одежды вы знаете? 3. Какие синтетические утеплители одежды вы знаете? 4.Носите ли вы одежду с синтетическими утеплителями? Назовите, с какими? 5. Какие преимущества синтетических утеплителей вы можете назвать? 6. Какие недостатки синтетических утеплителей вы можете назвать?
Показания температуры воды Эксперимент №1 «Сравнение теплопроводности различных утеплителей одежды» Время Температура, оС Ватин (№1) Синтепон (№2) Холлофайбер (№3) Вода (№4) 14:10 50 50 50 50 14:15 48,7 49 49,5 48 14:20 48 48,2 49 46,7 14:25 47,3 47,5 48,5 45,4 14:30 46,4 47 48 44,5
Результаты эксперимента №1
Эксперимент № 2 «Измерение массы различных утеплителей одежды»
Результаты эксперимента №2 Масса, г Ватин (№1) Синтепон (№2) Холлофайбер (№3) 10,810 6,340 5,540
Вывод Теплопроводность утеплителей играет важную роль в одежде человека, а следовательно в его жизнедеятельности. Современная промышленность чаще используют утеплители, изготовленные из синтетических волокон. Преимущество таких утеплителей заключаются в их плохой теплопроводности, поэтому, они хорошо сохраняют наше тепло, а также в их лёгкости.
Виды синтетических утеплителей
Использование одежды с синтетическими утеплителями
Преимущества синтетических утеплителей
Курс повышения квалификации
Дистанционное обучение как современный формат преподавания
Курс профессиональной переподготовки
Физика: теория и методика преподавания в образовательной организации
Курс профессиональной переподготовки
Методическая работа в онлайн-образовании
Ищем педагогов в команду «Инфоурок»
Номер материала: ДВ-162124
Не нашли то что искали?
Вам будут интересны эти курсы:
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.
Путин поручил не считать выплаты за классное руководство в средней зарплате
Время чтения: 1 минута
Трехлетнюю олимпиаду среди школ запустят в России в 2022 году
Время чтения: 1 минута
Педагогам Северной Осетии в 2022 году будут выплачивать надбавки за стаж
Время чтения: 2 минуты
Учителям предлагают 1,5 миллиона рублей за переезд в Златоуст
Время чтения: 1 минута
Госдума приняла закон об использовании онлайн-ресурсов в школах
Время чтения: 2 минуты
Исследования вакцины для детей младше 12 лет начнутся с 2022 года
Время чтения: 1 минута
Подарочные сертификаты
Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.
Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.