Что холоднее вода или воздух

Почему погода в 30° кажется нам жаркой, а вода той же температуры — холодной? Объясняю!

Меня тут однажды спросили: «а как так, при погоде в 25-30° мы чувствуем невыносимую жару, а воду той же температуры мы считаем еле тёплой?» Хороший вопрос, не так ли? Как бы вы на него ответили? Наверняка каждый замечал это, но не задавался вопросом, почему так. Почему различные поверхности кажутся для нас разной температуры, от чего это зависит?

Подумайте, прежде чем читать ответ!

Итак : как мы знаем, воздух — отвратительный переносчик и удерживатель тепла (около 1000 Дж/(кг*К)). Он ужасно плохо нагревается — и ещё хуже умеет отводить тепло. Вода же обладает отличной теплоёмкостью (4200 Дж/(кг*K)) и теплопроводимостью! Она прекрасно отводит тепло и с тем же успехом может его подвести. Не зря её используют в химическом оборудовании, на производстве и даже в гейминге (водное охлаждение)!

Теперь вспомним II закон термодинамики, одна из трактовок которого звучит так: «менее нагретое тело не может передать тепло более нагретому — лишь наоборот». Именно поэтому вода так прекрасно «забирает» у нас тепло, и мы чувствуем её холод. Воздух же просто неспособен нормально отвести от нас тепло. Подобного эффекта можно было бы достигнуть, если бы смогли набрать ванну и поплавали в таких веществах как гелий, молоко, вино и водород — последний во много раз быстрее «отобрал» бы у вас тепло — ведь его теплоёмкость составляет 14270 Дж/(кг*К), в 3 раза больше, чем у воды!

Источник

Эффект Мпембы. Длиннотекст.

И так, что это и с чем его едят?

Эффект Мпембы (Парадокс Мпембы) — парадокс, который гласит, что горячая вода при некоторых условиях замерзает быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания. Данный парадокс является экспериментальным фактом, противоречащим обычным представлениям, согласно которым при одних и тех же условиях более нагретому телу для охлаждения до некоторой температуры требуется больше времени, чем менее нагретому телу для охлаждения до той же температуры.

Этот феномен замечали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт, однако лишь в 1963 году танзанийский школьник Эрасто Мпемба установил, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная.

Будучи учеником Магамбинской средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу. Ему нужно было изготовить самодельное мороженое — вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был особо усердным учеником и промедлил с выполнением первой части задания. Опасаясь, что не успеет к концу урока, он поставил в холодильник еще горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной технологии.

После этого Мпемба экспериментировал не только с молоком, но и с обычной водой. Во всяком случае, уже будучи учеником Мквавской средней школы он задал вопрос профессору Деннису Осборну из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе (приглашенному директором школы прочесть ученикам лекцию по физике) именно по поводу воды: «Если взять два одинаковых контейнера с равными объемами воды так, что в одном из них вода имеет температуру 35°С, а в другом — 100°С, и поставить их в морозилку, то во втором вода замерзнет быстрее. Почему?» Осборн заинтересовался этим вопросом и вскоре в 1969 году они вместе с Мпембой опубликовали результаты своих экспериментов в журнале «Physics Education». С тех пор обнаруженный ими эффект называется эффектом Мпембы.

До сих пор никто точно не знает, как объяснить этот странный эффект. У учёных нет единой версии, хотя существует много. Всё дело в разнице свойств горячей и холодной воды, но пока не понятно, какие именно свойства играют роль в этом случае: разница в переохлаждении, испарении, формировании льда, конвекции или воздействии разжиженных газов на воду при разных температурах.

Парадоксальность эффекта Мпембы в том, что время, в течение которого тело остывает до температуры окружающей среды, должно быть пропорционально разности температур этого тела и окружающей среды. Этот закон был установлен еще Ньютоном и с тех пор много раз подтверждался на практике. В данном же эффекте вода с температурой 100°С остывает до температуры 0°С быстрее, чем такое же количество воды с температурой 35°С.

Тем не менее, это еще не предполагает парадокс, поскольку эффекту Мпембы можно найти объяснение и в рамках известной физики. Вот несколько объяснений эффекта Мпембы:

Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объём, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. Нагретая до 100 С вода теряет 16% своей массы при охлаждении до 0 С.

Эффект испарения – двойной эффект. Во-первых, уменьшается масса воды, которая необходима для охлаждения. И во-вторых, снижается температура из-за того, что уменьшается теплота испарения перехода из фазы воды в фазу пара.

Из-за того, что разница температур между горячей водой и холодным воздухом больше — следовательно теплообмен в этом случае идет интенсивнее и горячая вода быстрее охлаждается.

Когда вода охлаждается ниже 0 С она не всегда замерзает. При некоторых условиях она может претерпевать переохлаждение, продолжая оставаться жидкой при температурах ниже температуры точки замерзания. В некоторых случаях вода может оставаться жидкой даже при температуре –20 С.

Причина этому эффекту в том, что для того, чтобы начали формироваться первые кристаллы льда нужны центры кристаллообразования. Если их нет в жидкой воде, тогда переохлаждение будет продолжаться до тех пор, пока температура не понизится настолько, что кристаллы начнут формироваться спонтанно. Когда они начнут формироваться в переохлаждённой жидкости, они начнут расти быстрее, формируя лёдовую шугу, которая замерзая, будет образовывать лёд.

Горячая вода больше всего подвержена переохлаждению поскольку её нагревание устраняет растворённые газы и пузырьки, которые в свою очередь, могут служить центрами образования кристаллов льда.

Почему же переохлаждение заставляет горячую воду застывать быстрее? В случае с холодной водой, которая не переохлаждается происходит следующее. В этом случае тонкий слой льда будет образовываться на поверхности сосуда. Этот слой льда будет действовать как изолятор между водой и холодным воздухом и будет препятствовать дальнейшему испарению. Скорость формирования кристаллов льда в этом случае будет меньше. В случае с горячей водой, подвергающейся переохлаждению, переохлаждённая вода не имеет защитного поверхностного слоя льда. Поэтому она теряет тепло намного быстрее через открытый верх.

Когда процесс переохлаждения заканчивается и вода замерзает, теряется намного больше тепла и поэтому формируется больше льда.

Многие исследователи этого эффекта считают переохлаждение главным фактором в случае с эффектом Мпемба.

Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу.

Объясняется этот эффект аномалией плотности воды. Вода имеет максимальную плотность при 4 С. Если охладить воду до 4 С и положить её при более низкой температуре, поверхностный слой воды замерзнет быстрее. Потому что эта вода менее плотная чем вода при температуре 4 С, она останется на поверхности, формируя тонкий холодный слой. При этих условиях тонкий слой льда будет формироваться на поверхности воды в течение короткого времени, но этот слой льда будет служить изолятором, защищающим нижние слои воды, которые будут оставаться при температуре 4 С. Поэтому дальнейший процесс охлаждения будет проходить медленнее.

В случае с горячей водой ситуация совершенно иная. Поверхностный слой воды будет охлаждаться более быстрее за счёт испарения и большей разницы температур. Кроме того, холодный слои воды более плотные, чем слои горячей воды, поэтому слой холодной воды будет опускаться вниз, поднимая слой тёплой воды на поверхность. Такая циркуляция воды обеспечивает быстрое падение температуры.

Но почему этот процесс не достигает точки равновесия? Для объяснения эффекта Мпембы с этой точки зрения конвекции следовало бы принять, что холодные и горячие слои воды разделены и сам процесс конвекции продолжается после того, как средняя температура воды опустится ниже 4 С.

Однако, нет экспериментальных данных, которые подтверждали бы эту гипотезу, что холодные и горячие слои воды разделены в процессе конвекции.

Растворённые в воде газы

Вода всегда содержит растворённые в ней газы – кислород и углекислый газ. Эти газы имеют способность уменьшать точку замерзания воды. Когда вода нагрета, эти газы выделяются из воды, поскольку их растворимость в воде при высокой температуре ниже. Поэтому когда горячая вода охлаждается, в ней всегда меньше растворённых газов, чем в не нагретой холодной воде. Поэтому точка замерзания нагретой воды выше и она замерзает быстрее. Этот фактор иногда рассматривается как главный при объяснении эффекта Мпембы, хотя никаких экспериментальных данных, подтверждающих этот факт нет.

Этот механизм может играть существенную роль когда вода помещается в морозильник холодильной камеры в небольших контейнерах. В этих условиях замечено, что контейнер с горячей водой протаивает под собой лёд морозильной камеры, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозилки и теплопроводность. В результате чего, тепло отводится от контейнера с горячей водой быстрее, чем от холодного. В свою очередь контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег.

Все эти (а также другие) условия изучались во многих экспериментах, но однозначного ответа на вопрос — какие из них обеспечивают стопроцентное воспроизводство эффекта Мпембы — так и не было получено.

Так, например, в 1995 году немецкий физик Давид Ауэрбах изучал влияние переохлаждения воды на этот эффект. Он обнаружил, что горячая вода, достигая переохлажденного состояния, замерзает при более высокой температуре, чем холодная, а значит быстрее последней. Зато холодная вода достигает переохлажденного состояния быстрее горячей, компенсируя тем самым предыдущее отставание.

Кроме того, результаты Ауэрбаха противоречили полученным ранее данным, что горячая вода способна достичь большего переохлаждения из-за меньшего количества центров кристаллизации. При нагревании воды из нее удаляются растворенные в ней газы, а при ее кипячении выпадают в осадок некоторые растворенные в ней соли.

Утверждать пока можно только одно — воспроизводство этого эффекта существенно зависит от условий, в которых проводится эксперимент. Именно потому, что воспроизводится он далеко не всегда.

Источник

Чем выше влажность тем холоднее или теплее

Часто понятие «влажность» ассоциируют с явлениями, имеющими негативную окраску.

В действительности многие наши представления о влажности ошибочны и основываются на поверхностных знаниях, что это такое на самом деле.

Цель статьи – рассмотреть наиболее распространенные «ложные мифы» относительно влажности, понять, что она важнее (и даже ценнее), чем мы думаем.

На деле, нередко возникает потребность в создании и поддержании этого параметра воздуха с помощью увлажнителей.

На улице туманно

Один кубический метр наружного воздуха при температуре 0°С и относительной влажности 75% содержит 2,9 граммов водяного пара; тот же самый воздух, нагретый до 20°С (средняя температура в доме) без добавления водяного пара имеет относительную влажность 20%, что слишком низко для хорошего самочувствия! На самом деле, минимальная относительная влажность, необходимая для комфорта и здоровья человека, составляет около 45% -50%.

Относительная влажность зависит от температуры: чем больше нагревается воздух, тем ниже относительная влажность.

Например, зимой наружный воздух при температуре 0°С в туманный день (100% относительная влажность воздуха), нагретый в помещении до 22°С, выдает относительную влажность 23%. В местах с очень сухой зимой, скажем, при наружной температуре 0°С и относительной влажности до 30%, при нагреве воздуха до 22°С, относительная влажность опускается до 7%.

В результате, даже если снаружи туманно (много влаги в воздухе), это не гарантия того, что внутри отапливаемого помещения уровень влажности будет правильным.

Чтобы достичь оптимального значения влажности, воздухнеобходимо увлажнить.

Влажность и ощущение холода

Существует также физиологический эффект влажности, который часто игнорируется: влияние на восприятие тепла или холода. Все мы знаем, что потоотделение является важной частью процесса терморегуляции организма: испарение пота снимает тепло, тем самым охлаждая нас.

Летом, когда жарко, повышенное потоотделение обеспечивает нашей коже комфортную температуру. Высокая влажность препятствует испарению (духота), в то время как сухой воздух благоприятствует этому процессу.

Зимой сухой воздух способствует испарению и таким образомохлаждает кожу. Непосредственный эффект этого явления заключается в том, что при одинаковой температуре чем суше воздух, тем холоднее он нам кажется.

В типичных условиях обогреваемого помещения «кажущаяся температура» (то есть субъективное восприятие температуры, связанное с личным комфортом) увеличивается примерно на 2 °C, если относительная влажность растет с 25% до 50%. Другими словами, если влажность находится на правильном уровне, в дополнение ко всем другим преимуществам, мы можем сэкономить на отоплении помещения.

Влияние сухого воздуха на людей и предметы

Влажность также очень важна для здоровья человека.

Одной из проблем, вызванных низкой влажностью, является ощущение раздражения глаз, то есть сухость роговицы, что часто является серьезной проблемой для людей, которые носят контактные линзы. Количество влаги в воздухе влияет на нашу кожу,руки и лицо высыхают и обветриваются при низкой влажностив первую очередь, так как находятся в непосредственном контакте с сухим воздухом.

Еще одна проблема-сухость слизистой в дыхательных путях, которая может привести к обострениюу страдающих астмой и аллергией, и в целом снижает защитные силы организма.

Примеры негативного влияния пониженной влажности на предметы и вещи можно приводить бесконечно. «Гигроскопичность»- термин, характерный для материалов, частицы которых поглощают влагу, что приводит к изменению их размеров.К таким материалам можно отнести бумагу, ткани, некоторые виды пластика, дерево, фрукты, овощи и другие материалы, которые имеют свойство поглощать или выделять влагу.

Кроме того, влажность влияет на физические характеристики материалов, такие как вязкость (например, фоторезист в микроэлектронике), механическую прочность/хрупкость (текстильная промышленность, табачная промышленность, деревообработка) и вероятность электростатических разрядов (бумага, текстиль и электроника).

Источники влажности в нашем доме

У нас дома есть много источников влаги: от одежды, вывешенной для высыхания, до кипящей воды, используемой для приготовления пасты.

Более того, люди входят и выходят из дома, открываются окна, стены источают влагу, не говоря о появлении мелких трещин и отверстий. Один малоизвестный факт состоит в том, что небольшое количество свежего воздуха, поступающего в дом при открытии окна, оказывает незначительное влияние на температуру в помещении, но вызывает сильное снижение относительной влажности.

Другими словами, водяной пар «ускользает» гораздо быстрее, чем тепло, из-за физических свойств газов.

Парадокс заключается в том, что проветривание помещения зимой без дополнительного увлажнения снижает качество воздуха, делая его слишком сухим.

Кроме того, емкости с водой, расставленные в помещении или прикрепленные к радиаторам, бесполезны, поскольку испаряется слишком мало воды.

Чтобы это проверить, измерьте влажность с помощью простого настенного гигрометра, с дополнительной ёмкостью с водой и без таковой – разница будет незначительной.

Когда я приехал в Краснодар, то реально стал замерзать на улице. Но замечу, что в северных широтах я не замерзал и при более сильных морозах.

Автор публикации

Борода

Достижение получено 04.12.2018

Похожее:

Действительно , привыкнув к своему климату, в других широтах мы обычно чувствуем себя не комфортно, будь то жаркий климат или наоборот, холодный.
Если влажность воздуха повышена, то-есть количество частичек воды в воздухе больше, то чувствуется холоднее. Даже не смотря на то, что климат допустим, теплый.
Ведь эта влага оседает на нашей коже, а потом испаряется и конечно же, с собой забирает часть тепла, которое наше тело производит и сохраняет.
Сухой воздух не допускает испарения влаги с кожи, поэтому на севере при сильных морозах все таки можно находиться, по крайней мере, не смертельно.
отсюда и ощущения холода там где тепло и воздух влажный.
Но такой влажный воздух позволяет легче переносить жару, которая в южных широтах намного чувствительнее, ведь испаряясь, опять же, влага с кожи, охлаждает немного нас.
А если жара появляется в средних широтах, то это переносится очень тяжело, сухость воздуха как будто увеличивает жару.
одно спасение, это речка, кондиционер или бассейн во дворе.

А тут работает интересная вещь. Вы знаете, по какому принципу работают холодильники? Вспомните. В компрессоре есть фреон, когда он выбрасывается поршнями под давлением в трубки, он тут же начинает закипать. происходит испарение. В этом случае испаряющаяся внутри трубок жидкость забирает на себя тепло, и в холодильнике становится холодно.

Так вот: чем выше влажность, тем будет казаться, будто холоднее, поскольку вода испаряется, и забирает тепло из окружающей среды. Далеко ходить не надо: на улице тридцать градусов тепла, и тут проливается дождь. Сразу становится холоднее, так как капелки воды испаряясь забирают тепло из окружающего воздуха и охлаждают его.

Кстати, мой покойный отец служил на севере, и рассказывал, что ихние сорок градусов мороза переносятся лучше, чем наши двадцать. Плохо бывает на ветру, а не в тиши. А у нас даже в тиши уже колотит. Там воздух сухой, поэтому и не кажется таким холодным.

Ведь в Краснодаре высокая влажность, вот вы и замерзали при этом. Причём, когда происходит явление, которое мы называем “парит”, то жарко от пара, именно, что густота пара, а не влажность воздуха.

Помню, мы были в Сочи на экскурсии, в дендрарии, так я там, при своём весе тогдашнем, чуть не задохнулся, так парило. Хоть воду из себя выжимай!

1. В стопроцентно влажном воздухе при 0°С содержится порядка 0,3% (масс.) воды, при -25°С – 0,03% (масс). В сухом воздухе (с относительной влажностью скажем 30%) – соответственно 0,1 и 0,01%. На мой взгляд разница не может быть ощутимой.
2. При повышении температуры с -25°С до -20°С при постоянном содержании воды относительная влажность падает со 100% до 55% – т.е. воздух становится из «влажного» – «сухим».
3. При +25°С в воздухе содержится более чем в 4 раза больше воды ,чем при нуле, и в пятьдесят раз больше, чем при -25°С.

Затем еще несколько соображений, которые на мой взгляд поясняют возникновение общепринятого заблуждения о влиянии влажности на ощущение холода при низких температурах:

– не думаю, что кто-либо из делающих утверждения о влиянии влажности когда-либо имел в руках гигрометр, чтобы обоснованно утвержать о том, высокая влажность в данный момент или нет.
– 100% влажность бывает только при наличии жидкой воды при стабильной температуре – т. е. в дождь или непосредственно после него. Снег в принципе тоже может быть источником влажности, ибо способен сублимироваться.
– во время понижения температуры неизбежно повышается относительная влажность, если появляются туман и иней – то влажность эта достигает 100%.
– любой, даже самый слабый ветер должен влиять гораздо сильнее на ощущаемую температуру, чем какие-либо колебания уровня влажности.

Посему все рассказы о том, что «холодно потому что влажно» считаю антинаучными и субъективно обоснованными.

1. В стопроцентно влажном воздухе при 0°С содержится порядка 0,3% (масс.) воды, при -25°С – 0,03% (масс). В сухом воздухе (с относительной влажностью скажем 30%) – соответственно 0,1 и 0,01%. На мой взгляд разница не может быть ощутимой.
2. При повышении температуры с -25°С до -20°С при постоянном содержании воды относительная влажность падает со 100% до 55% – т. е. воздух становится из «влажного» – «сухим».
3. При +25°С в воздухе содержится более чем в 4 раза больше воды, чем при нуле, и в пятьдесят раз больше, чем при -25°С.

Затем еще несколько соображений, которые на мой взгляд поясняют возникновение общепринятого заблуждения о влиянии влажности на ощущение холода при низких температурах:

– не думаю, что кто-либо из делающих утверждения о влиянии влажности когда-либо имел в руках гигрометр, чтобы обоснованно утвержать о том, высокая влажность в данный момент или нет.
– 100% влажность бывает только при наличии жидкой воды при стабильной температуре – т. е. в дождь или непосредственно после него. Снег в принципе тоже может быть источником влажности, ибо способен сублимироваться.
– во время понижения температуры неизбежно повышается относительная влажность, если появляются туман и иней – то влажность эта достигает 100%.
– любой, даже самый слабый ветер должен влиять гораздо сильнее на ощущаемую температуру, чем какие-либо колебания уровня влажности.

Посему все рассказы о том, что «холодно потому что влажно» считаю антинаучными и субъективно обоснованными.

Источник