Ocieplanie wizerunku mrozu

Ocieplanie wizerunku mrozu

Zima to zdecydowanie najlepsza pora roku – nie jest za gorąco, zaśnieżone miasta są piękne (dopóki samochody nie zmienią śniegu w brudną papkę), a do tego jakoś tak cicho i spokojnie wszędzie. Jednak przez ostatnie dni nasłuchałem się tyle kurwienia na zimno i mróz, że aż przykro mi było tego słuchać. Z czego wynika ta niechęć do zimy? Przyzwyczajenia? Niewiedza i niezrozumienie? Niezależnie od powodu – poniżej kilka faktów i ciekawostek popularnonaukowych na temat mrozu, chłodu, zimy i zimna – pora pokazać, że zima nie jest taka zła.

Jednak – zanim będzie treść – najpierw odpowiednia playlista.

Uwaga: poniższy tekst ma charakter popularnonaukowy – jest tu od cholery uproszczeń, pominiętych zjawisk pobocznych i nieistotnych detali. Fizyków, chemików i resztę Homo nerdy uprasza się o nieczepianie uproszczeń. Jednocześnie wskazanie ewidentnych błędów jest mile widziane.

Dwa razy zimniej

Jedni używają tego określenia (przykładowo: „jutro ma być dwa razy zimniej niż dziś”), inni – nieco bardziej obeznani z różnymi skalami temperatur – utrzymują, że to określenie jest niepoprawne. Co ja mogę wam powiedzieć? To zależy. Dokładniej: zależy od punktu odniesienia – określenia „ciepło” i „zimno” mają sens tylko jako porównanie do punktu neutralnego.

Tym obrazkom to musi być w zimie zimno

Tym obrazkom to musi być w zimie zimno

Z definicji fizycznej, ciepło to miara przepływu energii pomiędzy ciałami posiadającymi różną temperaturę. Zimno nie ma definicji, jednak jest kojarzone z przeciwieństwem ciepła – uznajmy więc, że to ujemne ciepło. Dla uproszczenia potraktujmy stan energetyczny człowieka jako układ odniesienia – jeśli musi on zużywać energię dla ogrzania ciała, mamy do czynienia z zimnem; w wypadku zużycia energii dla ochłodzenia ciała – z ciepłem.

Dla przeciętnego człowieka w lekkim ubraniu można określić temperaturę, w której organizm nie musi się ani ogrzewać, ani chłodzić – uznajmy to za neutralną temperaturę; temperatury powyżej określamy wtedy jako „ciepło”, temperatury poniżej – „zimno”. Neutralna temperatura dla człowieka to zakres 18-22°C (Wikipedia), uśredniając możemy przyjąć wartość 20°C. Jednocześnie ciepło jest wprost proporcjonalne do różnicy temperatur. W związku z tym, jeśli aktualna temperatura to -2°C, a następnego dnia ma być dwa razy zimniej, oznacza to:

-2°C-|20°C-(-2°C)| = -24°C

Chłodno, prawda?

Nie wpuszczaj zimna

Usłyszałem kiedyś od osoby zajmującej się zawodowo fizyką lub czymś pokrewnym, że nie da się wpuszczać zimna, bo zimno nie istnieje – można co najwyżej sprawić, że ciepło ucieknie z pomieszczenia. Jeśli bierzemy pod uwagę wyłącznie zmianę energii – tak, mają rację. Jednak, patrząc na procesy zachodzące po otwarciu okna w ciepłym pomieszczeniu zimą, można mówić o wpuszczaniu zimna.

Ta sama zasada, bardziej drastyczny przykład.

Ta sama zasada, bardziej drastyczny przykład.

Powietrze jest płynem, a w przypadku płynów o niejednorodnej temperaturze istnieje takie zjawisko jak konwekcja, czyli zjawisko zmiany ciepła układu przez przemieszczanie się płynów o różnej temperaturze. W skrócie, ciepłe powietrze jest lżejsze niż zimne i – jeśli znajdą się na tym samym poziomie – unosi się do góry. Najbardziej widowiskowym przykładem tego mechanizmu jest fakt, że balony latają. Co więc dzieje się po otwarciu okna? W wielkim uproszczeniu: górną częścią otworu okiennego cieplejsze powietrze wypływa na zewnątrz, jednocześnie powietrze zimne względem temperatury pomieszczenia wpływa do środka dolną częścią. Stąd po otwarciu okna chłód jest najpierw odczuwalny przy podłodze, dodatkowo tworzy się ruch powietrza – chłodniejsze powietrze roznosi się po pomieszczeniu wypierając powietrze cieplejsze.

Wniosek: otwierając okno sprawiasz, że ciepłe powietrze zastępowane jest zimnym, czyli wpuszczasz zimno.

Żebra ze stali

Czyli: dlaczego grzejniki nie mogą być ładnymi, płaskimi płytami? I dlaczego robi się je ze stali, miedzi lub aluminium, a nie np. z płytek ceramicznych? Po pierwsze, mogą – takie grzejniki nazywamy „ogrzewaniem podłogowym”. Po drugie – płaski grzejnik przeciętnej wielkości byłby mało efektywny. Przyczyną tego jest sposób, w jaki działa przewodzenie ciepła na granicy dwóch ciał – grzejnika i powietrza – oraz różnice w przewodzeniu ciepła przez metal i gaz.

Większość metali ma to do siebie, że dobrze przewodzą ciepło – jeśli przytrzymasz metalową łyżkę we wrzącej wodzie, za chwilę uchwyt będzie parzył. Jednocześnie – w tej samej odległości od wrzątku – powietrze jest co najwyżej trochę cieplejsze, na pewno nie jest tak gorące jak łyżka. Wkładając teraz tą samą łyżkę do lodu, szybko stanie się boleśnie zimna – również, zimniejsza niż powietrze w tej samej odległości od lodu. Metal – poza faktem szybkiego przewodzenia ciepła – ma również niską pojemność cieplną. Oznacza to, że do zmiany temperatury danej objętości metalu potrzeba mniej energii, niż do zmiany temperatury np. ceramiki.heatcap

Obie te cechy sprawiają, że miedź świetnie nadaje się na materiał do budowy grzałek i grzejników. Szybko nagrzewa się od przepływającej wewnątrz wody (lub zamontowanej grzałki – dla nieszczęśników z ogrzewaniem elektrycznym) i szybko się ochładza, przekazując ciepło do powietrza. Mając dwa stykające się ciała o różnych temperaturach, będą one dążyły do przekazania sobie energii tak, żeby ich temperatura się wyrównała.

Fałdy i fałdki

Jednak nadal nie tłumaczy to, dlaczego grzejniki nie są płaskie. Otóż to wszystko wina faktu, że przewodzenie ciepła działa przy styku dwóch ciał, a powietrze bardzo słabo to ciepło przewodzi. Jeśli przytrzymasz rękę zaraz nad rozgrzaną patelnią, możesz się poparzyć bez jej dotykania, jak podniesiesz rękę o kilka centymetrów – ciepła już prawie nie czuć. Fałdy, żeberka i inne pogięte kształty grzejników wynikają po prostu z dążenia do tego, żeby jak najwięcej powietrza miało kontakt z grzejnikiem i jak najwięcej powietrza się w każdej chwili ogrzewało. Jednocześnie montowanie grzejników blisko podłogi sprawia, że – zamiast opierać się na marnym przewodnictwie cieplnym powietrza – wykorzystywana jest opisana wyżej konwekcja, dzięki której ciepłe powietrze unosi się do góry, wypychając zimniejsze powietrze w dół.

Kaloryfer mnie oparzył!

Jak widać wyżej, skuteczność przekazywania ciepła przez grzejnik jest proporcjonalna do jego powierzchni. Jednocześnie – ilość ciepła potrzebna do ogrzania dowolnego materiału (np. powietrza) jest proporcjonalna do jego objętości. Zakładając idealnie sześcienny grzejnik w idealnie sześciennym pomieszczeniu (upraszczam, wspominałem?) – grzejnik musiałby być proporcjonalnie coraz większy wraz ze wzrostem pomieszczenia, żeby tak samo je ogrzewać. Ogólna zależność – dla utrzymania skuteczności grzejnika w coraz większych pomieszczeniach, jego wielkość musi rosnąć około trzykrotnie szybciej, niż rozmiar pomieszczenia.

Na szczęście jest jeszcze inna metoda zwiększenia wydajności grzejnika – zwiększyć różnicę temperatur względem powietrza, czyli bardziej podgrzać grzejnik. Szybkość przewodzenia ciepła jest proporcjonalna do różnicy temperatur – grzejnik cieplejszy niż powietrze o 40°C będzie grzał dwa razy bardziej, niż cieplejszy o 20°C. Z tego powodu może nadal być zimno, a przyłożenie rąk do kaloryfera może skończyć się oparzeniem.

Eskimosom w zimie nie jest aż tak zimno

Odwrotne wykorzystanie zasad, na jakich działają grzejniki i wpuszczenie zimna jest podstawą całego wachlarza rozwiązań określanych mianem termoizolacji. Ubrania zimowe, igloo, termos i plastikowe okna działają w oparciu o te same prawa fizyczne, które sprawiają problemy z ogrzewaniem mieszkań. W końcu jeśli oddzielimy ciepłą substancję (gorąca herbata, ciepłe powietrze, człowiek) za pomocą nieruchomej substancji, która bardzo słabo przewodzi ciepło, przewodnictwo cieplne będzie zachodzić powoli, więc strata ciepła będzie następowała powoli – więc uzupełnianie tych strat może też być wolniejsze.

iglooDobre termosy i niektóre plastikowe okna wykorzystują ten sam ośrodek, będący jednym z najgorszych znanych przewodników ciepła – powietrze pod bardzo małym ciśnieniem, bliskie próżni. Nie dość, powietrze samo w sobie kiepsko przewodzi ciepło, to dodatkowo zmniejszenie ciśnienia sprawia, że mniej jest cząsteczek, które będą się nagrzewały i ochładzały, przenosząc energię. Działa to trochę jak pozbycie się żeberek z powietrznego kaloryfera w skali nanometrów (bardzo, bardzo małej).

Gruby koc, puchowa kurtka i igloo w inny sposób rekompensują użycie materiałów, które są lepszymi przewodnikami cieplnymi cieplnymi niż półpróżnia – grubością materiału. Gdyby igloo podzielić na supercienkie warstwy lodu, najpierw odrobinę nagrzewa się najbardziej wewnętrzna, potem od wewnętrznej nagrzewa się kolejna, potem kolejna, kolejna i tak dalej. Niskie przewodnictwo cieplne sprawia, że ciepło z wnętrza igloo bardzo powoli wydostaje się na zewnątrz. Dzięki temu – ogrzewając powietrze w środku własnymi ciałami – tradycyjni eskimosi nie zamarzają zimą przy bardzo niskich temperaturach.

W kurtce pod kołdrę

Widziałem raz, jak przemarznięty ktoś – wchodząc z mocno ujemnej temperatury – wpakował się pod grubą kołdrę bez zdejmowania kurtki. Efekt przeciwny do zamierzonego – zmarznięte ciało, potrzebujące się ogrzać, musiało jednocześnie zużyć sporo energii na ogrzanie zimnej kurtki. Jeśli przemarzniesz i wchodzisz gdzieś, gdzie jest ciepło (ponad 20°C) – zdejmij zimne ubrania jak najszybciej. Nie dość, że ogrzejesz się szybciej mając bezpośredni kontakt z ciepłym powietrzem, to jeszcze kurtka/płaszcz szybciej wrócą do znośnych temperatur, mogąc ogrzewać się jednocześnie z zewnątrz i od środka.

Trzymajcie się ciepło!

Na dziś wystarczy chłodzenia. Jest oczywiście znacznie więcej ciekawostek związanych z tym, jak działa ciepło – nie poruszyłem np. w ogóle tematu radiacji czy tego, jak działają szklarnie. Napijcie się czegoś ciepłego i grzejcie, żeby przeczekać mrozy. Jednocześnie – jeśli maksymalne dzienne temperatury spadną poniżej -20°C – pojawi się drugi tekst, dedykowany działaniu zimna na ludzki organizm.