피부에서 대류 및 땀 증발로 인한 열 손실은 이러한 낮은 속도에서 공기 분자의 마찰로 인해 가열 효과보다 큽니다.
인생의 어느 시점에서, 당신은 아마 당신이 여행중인 차의 창문에서 팔을 붙 잡았을 것입니다. 사실, 차가 더 빨리 갈수록 더 차갑게 보인다.
오히려 따뜻한 날에는이 추위는 실제로 매우 설명 할 수 없습니다. 결국, 팔이 외부에있을 때는 공기 분자와 끊임없이 충돌합니다. 이 충돌은 공기 역학적 마찰을 담당하며 냉각보다는 공기가 난방을 유발하지 않아야합니까?
또한 60mph (96.5km/h)로 이동할 때 팔이 냉각되는 이유는 왜 25,000mph (40,233km/h)로 이동하는 우주선에는 공기 역학적 가열로 인한 손상으로부터 보호하기 위해 열 차폐가 장착되어 있습니까?
이 문제의 핵심으로 뛰어 들기 전에 마찰, 충돌 및 열전달의 기본 사항을 이해하는 것이 중요합니다.
열과 상대 운동의 과학
마찰 :당신은 움직이지 않아
두 개의 골판지 상자가 서로 위에 저장되어 있다고 상상해보십시오. 갑자기 두 상자 모두 반대 방향으로 당겨집니다. 특히 슬라이딩 표면이 들쭉날쭉 한 경우 상자를 당기는 것이 약간 어렵습니다. 이것은 상자의 상대적 움직임에 저항하는 경향이 있기 때문입니다.
움직임에 저항하는이 힘은 마찰 이라고합니다 . 두 개의 인터 로킹 된 표면을 밀기 위해서는 추가 움직임을 허용하기 위해 미세한 물리적 변형이 필요하기 때문에 들쭉날쭉 한 표면이 서로 연동되어 발생합니다.
액체의 흐름 내에서 마찰이 관찰 될 수 있습니다. 아시다시피, 액체는 층으로 흐릅니다. 바닥 층은 지표면과 접촉하면 가장 느리게 움직이는 반면, 최상위 층은 가장 빠르게 움직입니다. 상단과 하단 사이의 층은 상단 표면에 비해 속도가 증가함에 따라 움직입니다.
이 속도 차이 층의 은 상대 운동을 초래한다 그들 사이, 따라서 마찰력의 발달. 이 힘을 점도 이라고합니다 유체 역학 용어에서. 일반적인 말로, 점성 힘을 드래그 이라고도합니다 . 마찬가지로, 가스 (공기와 같은)가 흐르면 액체와 동일한 메커니즘에서 점성력을 경험합니다.
층의 상대 운동은 점도라고도하는 층간 마찰을 담당합니다. (사진 크레딧 :Scientificstock/Shutterstock)
위에서 설명한 모션에서, 공통 스레드는 비교적 움직이는 2 개의 평행 층 사이의 모션 저항력의 발달이다.
마찰 가열
마찰력은 두 표면이 각각 (충돌)에 접촉하고 서로에 대해 평행 한 움직임의 결과입니다. 따라서 일부 운동 에너지 전달이 발생합니다. 이 운동 에너지 중 일부는 열 에너지로 전환됩니다. 이는 두 표면의 인터페이스에서 온도를 높이는 역할을합니다. 공기가 표면에 부딪히면 두 개의 프로세스가 발생합니다.
첫 번째는 표면을 때리는 일부 공기 분자의 정체입니다. 표면의 기하학으로 인해. 공기 분자의 모든 운동 에너지는 손실되고 휴식을 취합니다 (따라서 '정체'라는 용어). 이로 인해 해당 지역의 압력이 증가하고 정체 지점이라고합니다. 단위 시간당 전달 된 열량, q , 정체 지점에서 :
where,
h =국소 열 전달 계수 (초당 단위 면적당 질량)
HST =정체 지점에서 유체 층의 엔탈피
hw =벽의 엔탈피 (열역학적 벽은 질량 전달이 발생하지 않는 유체 흐름의 방향과 평행 한 상상의 표면입니다.
tw =벽의 온도
=방사 요인
대기 마찰로 인한 공기 역학적 가열로 인해 재진입 모듈의 전면의 열 차폐가 빛납니다. (사진 크레디트 :Marc Ward/Shutterstock)
두 번째 과정은 공기 분자와 표면 사이의 일부 각도에서 깎는 충돌입니다. 공기 분자는 다양한 각도로 표면에 닿지 만 대부분은 표면과 평행하게 움직여서 윤이 나는 접촉과 멀어지게 만듭니다. 분자의 운동 에너지는 여전히 높습니다. 이것이 발생하는 표면의 영역을 저압 기울기 영역이라고합니다. . 저압 기울기 영역에서 단위 시간당 전달 된 열량은 다음과 같습니다.
where,
hr =경계층 회복 엔탈피 (경계는 표면과 접촉하는 공기 층입니다. 회복은 고속으로 인한 압력 손실을 측정합니다)
나머지 용어는 (i) 와 동일합니다.
공기 (공기 역학적 가열)로 인한 가열 효과는 (i)와 (ii)의 합입니다.
마찰 가열은 성냥개비에서 붉은 인 코팅을 점화시키는 데 도움이됩니다. (사진 크레디트 :pxhere)
바람 차갑 :당신은 동결을 느끼게됩니다
본체는 약 97of ~ 99of (36.1oc - 37.2oc)의 핵심 온도를 유지합니다. 여름 피크를 제외하고는 환경 온도가 30oc 이하의 상태로 유지되며, 이는 체온보다 차갑습니다. 외부의 공기는 피부와 접촉하고 신체 (온도)에서 공기 (더 낮은 온도)로 열 전달이 발생합니다. 피부 근처에 따뜻한 공기의 얇은 층이 형성되어 더 많은 열 손실로 인한 절연을 제공합니다.
그러나, 공기가 흐르면, 따뜻한 층은 더 추운 공기에 의해 지속적으로 밀려납니다. 열 손실의 지속적인주기는 신체가 주변 공기로 열을 잃은 다음 더 차가운 공기에 의해 밀려 나서 다시 워밍업됩니다. 이로 인해 피부 온도가 낮아지고 차가운 느낌이 발생합니다. 이것을 wind chill 이라고합니다 . 또한 팔에 땀이 나면 빠르게 움직이는 공기가 피부의 증발 속도를 증가시켜 열 손실이 훨씬 더 높아집니다.
"느낌"온도는 고속 바람으로 인한 피부의 추가 냉각을 고려합니다. (사진 크레딧 :Hadrian/Shutterstock)
공기가 빨라질수록 바람이 차갑게 차갑게됩니다.
단위 시간당 전달 된 열량, q :
여기서,
h =대류 열전달 계수,
a =대류에 노출 된 면적
thot =더운 물체의 온도,
tcold =더 차가운 물체의 온도
공기 역학적 가열 대 바람 냉기
두 가지의 기본 사항을 연구 한 결과,이 두 프로세스가 서로 반대 할 때 발생하는 명백한 질문은 바람의 냉기가 공기 역학적 가열에 대한 길을 넘어서는 임계 값은 얼마입니까?
대기 속도가 증가함에 따라 대류 열 손실률이 증가하고 신체가 더 차가워집니다. 이 열 손실은 하위 소닉 속도 (소리 속도보다 낮음)에서 계속됩니다. 초음속 한계가 위반되면 가열 효과가 훨씬 지배적이며 Mach 2.0 이상의 속도 (1534m/h =2469 km/h)에서 열 방패는 고온 (400of/204oC)으로부터 보호해야합니다. 가열 효과는 차량의 기하학에 의존하기 때문에 보편적 인 임계 값은 없습니다. 일반적으로 Mach 1.0 (1235km/h 또는 767 m/h) 이상의 속도에서 가열은 노출 된 전기 장비에 손상을 일으킬 정도로 중요합니다.
원래 질문으로 돌아 오면, 움직이는 동안 팔을 따뜻하게 할 수 있지만 예쁜 Darn 를 움직여야합니다. 실제로 공기 역학적 가열을 일으키는 것이 빠릅니다!
