NRCFs frågelåda i fysik - fråga nummer 12765

Visa fråga/svar

Värme [12765]

Fråga:
Hej! Man undrar varför vind, som är luft i rörelse (dvs rörelseenergi), kan göra oss svalare.Vi är täckta av ett tunt "luftlager" på vår hud och då är det klart att vinden "transporterar" bort vårt "värmande luftlager" så att vi kylls ner. Är detta den enda faktorn som påverkar vindens nedkylningsförmåga? Eller har vindes luftfuktighet någon inblandning? Dessutom borde väl luften i rörelse kunna värma upp sig själv om den har en tillräckligt hög hastighet så att friktionsvärme uppstår? Påverkars andra mtrl på samma sätt av vindens nedkylnings förmåga, t ex metall?
/Viktor R, Hersby, Lidingö

Svar:
Viktor! Din fråga handlar om vad man på engelska brukar kalla "wind chill" - det faktum att exponerad hud kyls ner snabbare när vinden blåser än när det är vindstilla. Som ett resultat av detta kan huden bli betydligt kallare än lufttemperaturen, vilket i sin tur kan leda till att man förfryser kroppsdelar eller till och med fryser ihjäl. Ett exempel: om det är -20C ute och det blåser 10 km/h kan hudtemperaturen bli -27C, och om det friskar i till 40 km/h får vi -34C !

Människors (och andra varmblodiga djurs) standardmetod för att undvika överhettning är att svettas - litet förenklat kan man säga att eftersom de energirikaste vattenmolekylerna lämnar hudytan först, blir huden kallare eftersom energi transporteras bort med vattenångan. Detta är en form av värmetransport genom "konvektion", och den processen underlättas av kraftig vind eftersom den kontinuerligt avlägsnar den avdunstade vattenångan.

Från detta följer att "död materia", som t.ex. bilmotorer och slutna vattenrör, endast påverkas av windchill i så måtto att de svalnar av fortare än om det varit vindstilla, men de blir inte kallare än den omgivande luften.

Amerikanska studier (NOAA) har visat att så länge luftfuktigheten är relativt låg påverkas inte vindens avkylningsförmåga särskilt mycket. Om luftfuktigheten däremot är mycket hög hindras avdunstningen, och man får till och med en temperaturhöjning när vattenångan istället kondenserar på huden - man kan dö av överhettning om man vistas i mycket fuktig och het luft, som i en bastu eller i tropikerna.

Det finns en experimentellt fastlagd formel med vilken man kan räkna ut vad hudtemperaturen blir som funktion av den omgivande luftens temperatur och vindhastigheten. Under länk 1 nedan finns en "windchill calculator" - pröva gärna den!

Slutligen hettar inte vinden upp luften på grund av rörelseenergi - i stället får vi varma vindar från söder eftersom luften har värmts upp av solinstrålning och kontakt med varma hav och markområden. Under speciella förhållanden kan vindförhållanden dock leda till att luften blir varmare, jämför Föhn-vindar i alperna. (Slå upp "föhn" i Nationalencyklopedin !)

För mer information i ämnet på svenska se länk 2.

---------
Kommentar till vindhastighet och rörelseenergi som värme:
Medelröreleseenergin för en molekyl i en gas ges av E=3kT/2 där k är Boltzmanns konstant (se Physical Reference Data ) och T är den absoluta temperaturen. Om vi sätter detta lika med uttrycket för rörelseenergi mv²/2 och löser m.a.p. hastigheten får vi

v² = 3kT/m

För rumstemperatur T=300K och molekylvikten 28 (N₂) får vi:

v² = 3*1.38*10^-23*300/(28*1.66*10^-27)

v² = 2.67*10⁵

Hastigheten v blir alltså 517 m/s. Detta är mycket större än rimliga vindhastigheter, varför effekten är försumbar.

Se även Wind_chill och Vindavkylning .