Por que o ar em movimento está frio?

Estou fazendo uma aula de termodinâmica e tive a seguinte pergunta. Eu ia perguntar diretamente ao meu professor, mas parece uma pergunta estúpida com uma resposta simples, então pensei em tentar a minha sorte aqui com medo de vergonha.

Quando o ar flui através de um cano, sua entalpia de estagnação não muda. Para um gás caloricamente perfeito, temos que a entalpia varia linearmente com a temperatura.

h_{0 0} = constante = h + \frac{1}{2} {você}^{2}

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

h = c_{p} T

$h = c_pT$

Vamos olhar para o ar. O ar tem um calor específico a pressão constante de . Ar à temperatura ambiente é de cerca de. As velocidades do vento são geralmente inferiores a $1000\ \mathrm{\frac{J}{kg\cdot K}}$ $300 \text{ K}$ . $15\ \mathrm{\frac{m}{s}}$

Reescrevendo nossas equações, podemos dizer:

c_{p} T_{0 0} = c_{p} T + \frac{1}{2} {você}^{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

$T = 299.9 \text{ K}$

Portanto, velocidades moderadas do vento não alteram a temperatura. Por que, então, mover o ar para fora parece significativamente mais frio que o ar estagnado?

— user01101001
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boa pergunta, eu sempre tive essa pergunta quando sentado sob ventilador de teto

— Shirish Herwade

Se negligenciarmos a evaporação do suor por um segundo, apenas o ar com uma temperatura abaixo do corpo ficará frio quando ele se mover. Como o ar externo geralmente é mais frio que 37 graus Celsius / 98 graus Fahrenheit, o vento parece frio (er). As temperaturas do ar acima desse limite geralmente são percebidas como desconfortáveis, porque o resfriamento do corpo agora ocorre apenas por evaporação (ou seja, sudorese séria) e, em algum momento, se torna perigoso. Eu estava no Vale da Morte em maio; Posso assegurar-lhe que o vento ali não parecia fresco, mas mais como um secador de cabelo. Mover o ar acima de uma certa temperatura parece mais quente .

— Peter - Restabelece Monica

Você pode se sentir menos estúpido :-) - na classe, isto é - se você reformular como "por que o ar em movimento fornece mais resfriamento para uma máquina (chips de computador ou um motor VW anterior a 1975) do que o ar estático"?

— precisa saber é o seguinte

É porque essa sensação não tem a ver com a temperatura do ar, mas com a transferência de calor, é por isso que Peter não se sentiu bem quando em maio no Vale da Morte. Se o seu corpo estiver mais quente do que o ar que o rodeia, você o sentirá frio e vice-versa. Os receptores na pele são a chave conforme explicado na resposta da Air abaixo

— raspacorp

Soprar um pouco de ar em alguém na sauna e você verá que a sensação de frio é em relação à temperatura do corpo :)

— Filip Haglund

Respostas:

Existem algumas razões. Antes de tudo, é importante observar que a sensação de calor ou frio está indiretamente relacionada à temperatura. Os receptores da sua pele que lidam com a temperatura são principalmente sensíveis à transferência de calor e às mudanças de temperatura , não tanto quanto os valores absolutos de temperatura. Por exemplo, aqui está um excerto interessante do artigo da EB sobre termorecepção :

Os receptores frios respondem ao resfriamento repentino com um aumento transitório na frequência de descarga (chamada de resposta dinâmica) que está diretamente relacionada à temperatura anterior e a magnitude e taxa da temperatura diminuem. Se a temperatura do resfriador for mantida, a frequência de descarga se adaptará a uma frequência de descarga estática diretamente relacionada à temperatura do resfriador.

Portanto, a sensação de frescor tem a ver com a rapidez com que o calor é transferido para longe da pele. A transferência de calor ocorre em três modos: radiação, condução e convecção. É o último que é importante, porque a convecção depende do movimento; sem movimento, há apenas radiação e condução. O ar é um bom isolante, tornando a condução menos eficaz; e é transparente em um amplo espectro, o que significa que não há troca de calor radiativa significativa. E sua pele tem muitos pêlos minúsculos (e talvez pêlos maiores, dependendo da pessoa) que trabalham contra qualquer fluxo convectivo menor, como resultado de uma corrente de ar ou de um pequeno distúrbio.

Basicamente, na ausência de convecção (ar em movimento), sua pele aquece localmente o ar ao seu redor, e esse ar não será rapidamente substituído por um ar mais frio . À medida que aquece, ele conduz ainda menos calor para a pele (porque o menor diferencial de temperatura é um fator mais fraco).

Mas o fator muito mais significativo na maioria dos casos é provavelmente o aumento do resfriamento evaporativo . Assim como a camada de ar ao redor da pele conduz calor e é aquecida pela pele, ela também evapora a umidade e fica mais úmida. (Sua pele sempre pode perder uma certa quantidade de umidade para secar o ar, mesmo se você não estiver suado.) Assim como a transferência de calor será reduzida à medida que o ar se aquece e se aproxima da temperatura do corpo, a evaporação também é reduzida à medida que o ar imediatamente ao redor do seu corpo fica um pouco mais úmido. Mas quando o ar está em movimento, fica muito mais eficaz na evaporação da umidade da pele. Você pode ler sobre o mecanismo da transpiração para obter mais informações.

Em ambos os casos, o ar em movimento atua relativamente mais como um dissipador de energia constante porque conforme seu corpo contribui com energia térmica e / ou umidade, essas moléculas de energia mais alta se afastam da interface com a pele e são substituídas por um ar mais fresco e seco . Do ponto de vista analítico, se o ar estiver se movendo com rapidez suficiente, não será necessário que ele fique mais quente ou mais úmido ao longo do tempo, pois troca calor e umidade com a pele.

Como esse comentário aponta , é importante reconhecer que, embora a transpiração seja especificamente um mecanismo de resfriamento, a convecção funciona nos dois sentidos; se o ar circundante for mais quente que a pele, uma brisa fará com que pareça ainda mais quente. Se você está realmente interessado neste tópico, o Center for the Built Environment da UC Berkeley possui uma ferramenta de conforto térmico , com a qual você pode brincar, que entra em muito mais detalhes quanto às variáveis individuais e ambientais.

— Ar
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Ironicamente respondeu por Airsi mesmo.

— 21716 JonH

O ar frio é realmente sua pele sendo resfriada por convecção forçada e evaporação do suor.
Sem movimento do ar, uma camada limite de ar mais quente se forma sobre a pele e, por causa da menor diferença de temperatura, a taxa de perda de calor diminui.
A movimentação de ar sobre a pele rompe esse limite posteriormente, permitindo que o ar não aquecido entre em contato com a pele, aumentando assim a taxa de perda de calor e, assim, a pele esfria mais. A evaporação é uma mudança de estado que requer calor latente que é fornecido pela pele que, assim, esfria mais. Veja o vento frio e o índice de calor do efeito "oposto" .

— Farcher
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No ar parado, os principais mecanismos de transferência de calor são a difusão e a convecção natural. Se um objeto estiver a uma temperatura mais alta que o ar parado, o calor fluirá do objeto para o ar. Em essência, o ar imediatamente ao redor do objeto estaria a uma temperatura mais alta do que apenas o próprio ar.

No ar em movimento, você também possui difusão e convecção natural e forçada como mecanismos de transferência de calor. A convecção forçada trabalha para remover o ar aquecido nas imediações do objeto (devido à difusão) e fornecer mais ar à temperatura original do ar mais rapidamente do que os outros mecanismos.

— Paulo
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Há convecção em ambos os casos. No ar parado (se é mesmo correto usar esse termo), você terá convecção natural devido à circulação do ar circundante como resultado de diferenças de densidade.

— Algo

@ Alggo: você está certo. Eu deveria ter distinguido entre os diferentes tipos de convecção. No entanto, a convecção natural nessa situação é relativamente insignificante como mecanismo de resfriamento. Veja minha resposta atualizada.

— Paul