電風扇的風,為什麼讓人覺得涼?
― 空氣並沒有變冷,身體卻感覺涼快
吹到電風扇的風時,會覺得涼快。但是,電風扇完全沒有降低房間空氣的溫度。就算把溫度計對著風吹,數值也不會改變。明明空氣本身沒有變冷,為什麼身體會感覺涼快呢?
在悶熱的房間裡打開電風扇,風一吹到身上,馬上就會覺得涼快。但是,電風扇不會讓室溫計的數字下降哪怕一度。這和冷氣的原理完全不同。
如果一直待在沒有風的房間裡,有時會覺得就算流汗,汗也不容易乾,悶熱感會一直持續。另一方面,就算氣溫相同,在有風的地方,汗水會很快乾掉,感覺涼快許多。
明明氣溫一樣,為什麼有沒有風,體感會差這麼多呢?
電風扇做的事只是讓空氣流動而已。空氣本身的溫度並沒有改變。
風透過汗水蒸發,以及皮膚表面熱量的移動這兩條途徑,加快了身體散失熱量的速度。
「涼快」的真相,不在於空氣的溫度,而在於身體散失熱量的速度。接下來依序說明。
汗水蒸發時,會從皮膚帶走熱量
汗水的主要成分是水,水從液體變成氣體(水蒸氣)時,需要從周圍吸收能量。這股能量是從皮膚本身的水分中奪取的,因此汗水蒸發時,皮膚的溫度會下降。
但是,如果沒有風,蒸發出來的水蒸氣會一直停留在皮膚附近。如果周圍的空氣已經很潮濕,就難以再繼續蒸發。這和森林讓人覺得涼爽的原理中介紹的氣化熱,是完全相同的原理。
風正在「更換」皮膚周圍的空氣
電風扇的風,會不斷把原本停留在皮膚附近、又濕又溫的空氣層,換成新的空氣。新進來的空氣因為還不潮濕,能吸收更多的汗水。結果就是汗水蒸發的速度本身提高了。
此外,即使沒有流汗,皮膚附近的空氣也會因為接收皮膚的熱量而稍微變暖。如果沒有風,這層變暖的空氣會停留在皮膚附近,像個緩衝墊一樣阻礙進一步的熱量移動。有風的話,這層變暖的空氣也會不斷更換,皮膚向空氣散熱的過程就能持續不中斷。
它只是把想要停留在皮膚周圍的「靜止空氣層」給移走了。
當氣溫比體溫高時,情況會不同
到目前為止的說明,都是建立在氣溫比體溫低的前提之上。如果氣溫超過體溫(大約35℃左右),情況就不一樣了。因為這時吹來的是比皮膚更熱的空氣,熱量移動的方向會反過來,風反而可能讓身體變熱。
不過,只要濕度不高,就算氣溫超過體溫,汗水蒸發帶來的降溫效果,據信仍能發揮一定作用。相反地,濕度高的話,汗水就不容易蒸發,就算有風也不容易感覺涼快。
在氣溫非常高、濕度也高的狀況下,據說光靠電風扇的風,有時無法充分為身體降溫。正如中暑發生的機制中所提到的,在氣溫與濕度都偏高的日子,除了電風扇之外,也應考慮使用冷氣,或移動到涼爽的地方,這是基本原則。
可以自己動手確認的事
- 在其中一隻手的手背上,塗上少量的水
- 先什麼都不做,靜待數十秒,確認涼涼的感覺
- 接著,用扇子或墊板輕輕搧那隻塗了水的手
- 確認搧風之後,涼涼的感覺會變得更強烈、也更快出現
你可以親身體驗到,風提高了蒸發的速度,也提高了皮膚散熱的速度。
總結
電風扇的風之所以讓人覺得涼快,並不是因為它讓空氣本身變冷了。一般認為,這是因為它不斷更換想停留在皮膚周圍的潮濕空氣層,加快了汗水蒸發與皮膚散熱的速度。當氣溫超過體溫,或濕度非常高的時候,這種效果會有其極限,這一點也需要留意。
電風扇改變的不是空氣的溫度。
而是熱量離開你身體的「速度」。
想知道更多 ― 用語、數值與教科書的連結從國中理化到研究中的議題,明確標示每段內容屬於哪個程度
- 國中國中理化課程範圍
- 高中高中「化學基礎」「物理基礎」課程範圍
- 高中+高中「生物」,或教科書中發展、專欄性質的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目(傳熱工程學)的內容
- 研究連大學也不會當作「定論」教授,屬於研究人員目前仍在探究中的話題
國中用語:電風扇與涼快感相關的詞彙
- 氣化熱(蒸發熱):液體轉變為氣體時,從周圍吸收的熱量。
- 對流:空氣或水等流體因流動而傳遞熱量的現象。
- 邊界層:物體表面附近形成的、流動較緩慢的薄層流體。
高中用算式確認:汗水蒸發能帶走多少熱量
實際計算汗水蒸發時帶走的熱量,來加以確認。
帶走的熱量 = 蒸發的汗水質量 × 氣化熱
| 汗水(水分)的氣化熱 | 在接近體溫的溫度下,常用的參考值約為每克 0.58 kcal |
| 1 kcal | 約相當於 4184 J |
| 把每克的熱量換算成 J | 0.58 × 4184 ≒ 2427 |
| 1克汗水蒸發時帶走的熱量 | 約 2427 J |
假設吹著電風扇坐著的期間,30分鐘內蒸發了50克的汗水。
| 50克份的熱量 | 2427 × 50 ≒ 121350 |
| 30分鐘內帶走的熱量 | 約 121350 J |
| 換算成每秒(30分鐘=1800秒) | 121350 ÷ 1800 ≒ 67.4 |
| 散熱的速度(功率) | 約 67.4 W |
人在靜止狀態下,體內產生的熱量,大約是80~100W左右。計算下來,光靠汗水蒸發,就帶走了其中約三分之二的熱量,可以實際感受到蒸發散熱的效果有多大。
※ 汗水量、氣化熱、靜止時的產熱量,都是具代表性的參考數值。實際數值會因個人差異、氣溫、濕度而有很大不同。
高中+「邊界層」的概念
在物體表面附近,會形成一層流動比周圍更緩慢的薄層流體,稱為邊界層。在無風狀態下,這層邊界層會厚厚地停留在皮膚周圍,熱量與水蒸氣只能緩慢地通過這層邊界層傳遞。一旦有風吹來,這層邊界層會變薄,據說熱量與水蒸氣就能更快速地被傳遞出去。
大學對流熱傳係數的概念
在傳熱工程學中,物體表面傳遞到流體的熱量,會用對流熱傳係數這個數值來表示。已知這個係數會隨著流體流動速度的增加而變大。電風扇的風之所以能讓皮膚感覺涼快,據解釋是因為它提高了這個係數,讓相同的溫差下,能在更短時間內帶走更多熱量。
研究目前尚未明朗的部分
- 對於發汗功能或體溫調節反應已經改變的長者等族群,送風降溫究竟能發揮多大效果,據說會因氣溫與濕度條件而有不同結果,目前仍在持續研究中。也有研究指出,在極端高溫高濕的環境下,送風反而可能助長體溫上升。
- 透過改變送風的方向、強度與吹拂的部位,能把降溫效果提升到什麼程度,也是從舒適性與節能角度持續研究的課題。
- 因應氣候變遷導致的酷暑增加,更精確評估電風扇與冷氣併用對身體負擔的減輕效果的研究,據說也正在公共衛生領域進行中。
即使只是電風扇這樣簡單的工具,其效果會因氣溫、濕度與個人差異而不同,最適合的使用方式至今仍在研究之中。
與教科書的連結(依程度分類)
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應段落 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化・狀態變化 | 氣化熱、對流的基本用語 |
| 高中 | 化學基礎・物理基礎、狀態變化 | 從氣化熱估算汗水帶走熱量的計算 |
| 高中+ | 物理・流體與邊界層 | 邊界層的概念 |
| 大學 | 傳熱工程學 | 對流熱傳係數 |
| 研究 | 環境生理學・公共衛生(研究中) | 送風降溫對長者的效果、酷暑對策的評估研究 |
- 運動生理學相關教科書中,關於發汗與氣化熱的解說(接近體溫時氣化熱代表值)。
- 傳熱工程學相關教科書中,關於對流熱傳與邊界層的解說。
- 日本環境省・氣象廳「中暑預防」相關解說資料(關於電風扇與冷氣的分別使用)。
- 公共衛生領域中,關於高溫環境下送風降溫效果的研究回顧。
- 化學基礎教科書中,關於熱量單位(卡路里與焦耳)的解說。
※ 氣化熱、發汗量、產熱量等數值皆為代表性參考值,實際數值會因個人差異與環境條件而有很大不同。
※本文為大眾科學解說。關於中暑的預防,以及高溫環境下冷氣、電風扇的正確使用方式,請以日本環境省、氣象廳等公家機關的最新資訊為準。