kolmapäev, 14. juuli 2021

Teadusminutid. Miks 27C vesi tundub külmem kui 27C õhk ?

Ma olen nüüd kangelaslikult üritanud iga päev võimalusel ujumas käia. Kõige raskem moment selle juures on vette minek. Ma olen jumala kindel, et nad valetavad temperatuuri osas :) sest vesi on niiii külm ..:)
Üks päev oli õhutemperatuur 25 C ja vesi märgitud 27C. 
Seisin vöökohani vees. Lugesin sajani ja siis veelkord sajani... lapsed kõrval naersid, aga no.. külm ju. 
Ja hakkasin mõtlema, et miks. 
Miks 27 kraadine vesi on külm, aga 27 kraadine õhk on soe. Ütleks isegi palav. 

Te kõik kindlasti juba teate vastust, aga mina ei mäletanud koolifüüsikast midagi. Pisut guugeldamist ja palun, jagan oma teadmisi ka nendega, kes samuti ei tea.


Põhjus, miks vesi tundub õhust külmem, on see, et vesi on nendest kahest parem soojusjuht. Vette hüpates pääseb kuumus teie kehast palju kergemini kui siis, kui seisaksite sama temperatuuriga õhus veekogu kõrval. Kuna vesi võtab teie kehalt rohkem soojust ja kiiremini, tundub see külmem.

Kui keha viiakse kontakti kehaga, mis on külmem, toimub transformatsioon, mis viib tasakaaluseisundisse. See tasakaaluolek põhineb asjaolul, et kahe keha temperatuur on võrdne, kuna külma keha jaoks suureneb energia ülekandmine kuuma keha vahel (seega on neil sama temperatuur). Keha peab soojendama/ jahutama kõike, mis sellega kokku puutub, mis on kehatemperatuurist erinev. Vett puudutades kulutab see palju rohkem energiat kui õhku puudutades, seega vesi peaaegu "imeb soojuse sinust välja". 

Tänu rohkete vesiniksidemete olemasolule on veel võrreldes teiste ainetega väga suur erisoojusmahtuvus (veel suurem on ainult ammoniaagil). Õhu soojusmahtuvus on 1,01 J / (1 gramm * 1 kraadi Celsiuse järgi). Vee soojusmahtuvus on 4,17 J / (gramm * 1 kraadi Celsiuse järgi). See tähendab, et grammi vee soojendamiseks kulub neli korda rohkem energiat kui grammi õhu soojendamiseks.

Inimkeha tajub temperatuurikõikumisi üsna naha pealispinna all asuvate spetsiaalsete närvilõpmete, nn termoretseptorite kaudu. Neid retseptoreid leidub kogu kehal ning need edastavad lakkamatult ajule teavet ümbritseva keskkonna temperatuuri kohta. Aga. Meie keha ei ole termomeeter, see, mida me tunneme, on tunnetus. Taju.
Me ei tunneta asja otsest temperatuuri, vaid seda, kui kiiresti see soojusenergiat meile kas üle kannab või hoopis võtab. Vesi on parem soojusjuht kui õhk ja  kannab soojust kehast eemale kiiremini kui õhk. (Sama loogika on ka tuulekülmal. Ilm tundub meile külmem, kuna tuul kannab sooja õhu kihi meie nahalt kiiremini ära) Seetõttu tundub samal temperatuuril olev vesi külmem, kui sama temperatuuriga õhk. ( Õhu 20C sooja erijuhtivus λ on 0,026  W/(mK) ja vesi 20C  0,6 W/(mK).)


Temperatuuri alanemine aktiveerib külma tajumisele spetsialiseerunud retseptorid, keskkonna soojenemine paneb aga tööle soojustundlikud retseptorid. Külmatundlikud retseptorid reageerivad enamasti temperatuuridele vahemikus 20–30 kraadi, soojaretseptorid hakkavad tööle 30–40-kraadise temperatuuri peale. 

Ehk siis eesti keeles. Kehad üritavad saavutada sarnast temperatuuri ja kuna vesi võtab kehalt soojust väga kiiresti, siis see tekitab külmatunde. Õhk jahutab ka, aga väga aeglaselt ning peaks olema alla 20 C-  ning soojusvahetus toimub natuke teistmoodi, loe edasi altpoolt.

( Lihtsalt remargi korras. Täiesti teine kontekst, aga see on ka põhjus, miks raamatus "Why We Sleep" soovitatakse enne magamaminekut käia dušši all, või vähemalt nägu ja käsi pesta, et keha jahtuks. Madalam kehatemperatuur = parem uni)

Ja sellest tekkis järgmine küsimus. Kui keha baastemperatuur on 37C, siis miks me ei tunne end 37 kraadi juures mugavalt, isegi madalama temperatuuriga on liiga palav. Miks siis keha- ja õhutemperatuurid ei allu termodünaamika seadustele :)?

Kuna meie kehad toodavad pidevalt soojust, siis oleks optimaalseks soojusvahetuseks vaja, et ümbritsev välistemperatuur on madalam.  

Meie keha töötab kõige paremini siis, kui ümbritseva õhu temperatuur on umbes  21 C (NB! sõltub paljudest teguritest , on personaalne ja võib olla erinev), sest sellel temperatuuril on keha ja ümbruse temperatuurides stabiilne erinevus. Toimub soojusülekanne, kui soojus liigub kõrge energiaga piirkonnast (meie keha) madala energiaga piirkonda (meie ümbrus). 

Kui temperatuur on sellest kõrgem, hakkab keha end jahutama ( nt higistama), kui aga jahedam, siis soojendama ( nt. värisemine)
Kui õhutemperatuur on 37 kraadi, on meil palav, kuna meie kehad ei suuda eraldada soojust, mida me pidevalt toodame (+ tuleb meeles pidada, et naha temperatuur on madalam, ca 31 kraadi, seega palav oleks 37 kraadi juures nagunii). Kui aga nii keha kui ka selle ümbrus on samal temperatuuril, pole temperatuurierinevust ja see takistab soojusülekannet nende kahe üksuse vahel.
Keha ei saa seetõttu vabaneda liigsest energiast, mis tekivad metaboolsete ja füüsiliste tegevuste tagajärjel, mistõttu meil on kuum.


Mõisted:

Soojusjuhtivus on energia levimine soojusena kõrgema temperatuuriga kehalt (või kehaosalt) madalama temperatuuriga kehale (kehaosale) aine mikroskoopiliste osakeste vastastikmõju tagajärjel (ei ole seotud keskkonna makroskoopilise liikumisega).

Soojusmahtuvus ehk soojusmahutavus on soojushulk, mis on vajalik keha kui termdünaamilise süsteemi temperatuuri tõstmiseks 1 kraadi võrra. Vee suur soojusmahtuvus – 4200 J/(kg·K) – hoiab organismi temperatuuri suhteliselt muutumatuna. Vesi on võimeline transportima suure hulga soojust sealt, kus seda on palju, sinna, kus on seda vähe.

Tahked, vedelikud ja gaasid vahetavad energiat erinevalt. Seetõttu eristatakse kolme soojusülekande liiki: soojusjuhtivus, konvektsioon ja soojuskiirgus. Soojuse levimine paigalolevas gaasis ja vedelikus seletub molekulide kaootiliste põrgetega, mille tagajärjel soojusliikumise energia kandub kõrgema temperatuuriga piirkonnast madalama suunas. Õhk koosneb paljudest gaasidest - lämmastikust, hapnikust, süsinikdioksiidist ja mõnest teisest. Vesi on vedelik. Nende tihedused on erinevad ja ka see on üks põhjustest, miks vesi hästi jahutab.

Temperatuur on aine keskmine kineetiline energia. Kui kaks erineval temperatuuril või erineva kineetilise energiaga osakest üksteist tabavad, kandub energia nii, et osakesed satuvad termilisse tasakaalu (seega on neil sama temperatuur). 



24 kommentaari :

  1. Füüsikast ma ei tea midagi, aga 25-kraadine jõevesi on küll juba ujumiseks liiga ebameeldivalt soe mu meelest. Samas 30-kraadine õhk on OK ja mulle meeldib.

    VastaKustuta
    Vastused
    1. Äkki oleneb ka sellest, mida seal vees teha. Noh, et kas reaalselt ujud või vedeled niisama. Mul on sama lugu, et praegu saan korralikult ujuda ainult Emajões, mitte kanalis või järves, sest ujumine = lihaste töö ja sellega hakkab palav.

      Kustuta
    2. ... ning 30-kraadine õhk on samuti suht OK. Võib-olla sellepärast, et aastaid tagasi Itaalias ja Ungaris elades õppisin ära, et suvel ongi normaalne higistada. See ei tähenda, et ma oleks haige või midagi, see on normaalne vesijahutus. Lihtsalt uus vesi tuleb sisse juua (ja kaotatud sool asemele süüa).

      Kustuta
    3. Kuna ma ei armasta vett põrmugi, siis ma ei vedele seal iialgi niisama :D

      Kustuta
    4. Kui ma seda uurimistööd tegin, siis saingi aru, et see tolerants on erinev- inimesed elavad ju nii Sahaaral kui ka Alaskal.
      Kuigi mulle meeldib rõhutada, et ma olen parasvöötme inimene, siis ma pigem eelistan sooja.
      Mulle sobib praegune õhk, kuigi paaril õhtul olen dressika peale võtnud ja praegune vesi ( +25-+27) on okei, aga mingi 15 min pärast hakkab ikkagi külm ( ja sisse minnes ka :)), kuigi ma eriti ujuda ei oska st rapsin kõvasti.

      Kustuta
    5. Notsu ütleb, et vesijahutus on normaalne. No... Aga kleebib, see on vastik. Ja tegelikult kaob jõud ära, kere pole harjunud sellises temperatuuris füüsilist tööd tegema. Mul lähevad näiteks käed paiste. Vesijahutus higistamise abil aitab mul küll elus püsida, aga on ikkagi lisakoormus ning töövõimele (eriti füüsilise töö) mõjub see ilm halvasti.

      Kustuta
    6. Sellisel ajal ongi päeva kõige kuumematel tundidel mõistlik puhata ja õhtul pärast loojangut taas aktsiooni asuda. Lõunamaalased juba teavad.

      Kustuta
    7. See on ka kahtlemata kultuuriline. Ma lugesin just (USA) lapsekasvatusraamatust, et esimesed kuus kuud ei tohi lapsega külma ilmaga pikalt jalutada, sest kuna nende keha ei oska veel väriseda, siis ei oska nad temperatuuri reguleerida ja alajahtumine jne. 10 minutit ja tuppa tagasi! Mul sõbrannade talvel sündinud lapsed on kahekuuselt juba väljas lõunaund maganud ilma mingite probleemideta ja Eesti allikad ütlevad pigem, et karda kuuma, mitte külma.

      Kustuta
  2. Ujumisbasseinide vesi on 27-28 kraadi ja selles ju ujutakse küll.

    VastaKustuta
  3. Kõik on arusaadav, ainult see et 21 kraadi peaks enamusele sobima, on kummaline. Siin on vist ikka mõeldud riides inimest? Alasti hakkab 21 kraadi juures jahe. Aga riided on ju igaühel erineva lõike ja paksusega või kuidas see number üldse saadud on? Kui eemaldada muutuv tegur ehk riided,pakuksin normaalseks temperatuuriks vähese füüsilise liikumise või isegi pigem liikumatuse juures umbes 27 kraadi. Vähemalt 25. 30 on kannatab ainult siis kui üldse ei liigu ja tuul natukenegi puhub.
    Samas (toa)riietega ka ei kannata väga jahedat välja, alla 18 on juba väga külm.
    Aga vesi üle 25 on ju supp! Sisse minek on ikka külm, aga see on ju normaalne? Keha harjub ruttu, minuti pärast ei mäleta ka, et oleks külm olnud.

    Inimesed on ikka nii erinevad. Küllap loeb ka kogemus lisaks geneetikale.

    VastaKustuta
    Vastused
    1. see number ei olegi nn konstant, tegelikult antakse seda piiri, kus keha tunneb end mugavalt, vahemikuna 20-24 C. Lihtsalt see 70 Fahrenheiti oli niipalju mitmes, et julgesin selle kirja panna.
      Seda oli igal pool rõhutatud, et inimene kohaneb ja adapteerub. Ohtlik on alates 41 kraadi,

      Ja no vabandage :) mis supp on 25 C.... supp on kas 60-90C või siis külmad supid 6-8C :) :)

      Kustuta
  4. Sisebasseinide vee temperatuuri hoitakse tavaliselt vahemikus 26 kuni 29 kraadi, mis on kõige sobivam temperatuur ujumiseks. Kui vee temperatuur on 20 ° C, siis keha ei tekita niipalju sooja. Keha pinna ja jäsemete lihased ja närvid langetavad tahtmatult temperatuuri, et kaitsta siseorganeid vigastuste eest.

    Kui vesi on 23 ja õhk 18 siis tundub vesi suisa supina, sest annab soojust inimene tajub temeratuuride erinevust Mida suuremsee on seda külmem tundub see meile kui vesi on 21 ja õhk 30, siis on vesi ikka vastikult külm alguses.

    VastaKustuta
  5. Nii, nüüd ma ei saa enam rahulikult ujuma ka minna, miskid gaasid, vedelikud ka temperatuurid keevad ümber.

    VastaKustuta
  6. Kui juba köögifüüsikaks läks.

    Vee soojusmahtuvus on erakordselt suur. Külma vee joomine on järelikult hea jahutus. (Kõik muud joogid õllest piimani on sisuliselt samuti vesi, füüsika mõttes.)
    Kui palju jahutab teie keha klaasitäis külma vett?
    Kui te sööte ära pätsi saia, siis kui palju peaks külma vett jooma, et saiast saadud kalorid "ära nullida"?

    Raamatusoovitus ka :)
    "Köögifüüsika", Tiit Kändler.
    https://www.apollo.ee/koogifuusika.html

    VastaKustuta
    Vastused
    1. oleks see nii lihtne, et ainult soojusmahutavus... Külm vesi töötab mingil määral ka lahtistina, mis teeb kaloriarvutuse kohe keerulisemaks (kui palju jõuab imenduda, enne kui põhja alt ära viskab?).

      Kustuta
    2. Füüsika on lihtsustamise kunst...

      Kustuta
    3. Mida iganes su arvutused näitavad, on õige vastus " mitte midagi". Miljardid empiirilised inimkatsed on tõestanud, et saiasöömisest tekkinud ülekilosid ei kaota ükskõik kui suure koguse õlle või veini joomine. Ja keha jahutamisel joomisega annab enne järele põis kui kuumus.
      Tõestatud.

      Kustuta
    4. Kas sa ei usu siis seda tervisliku toitumise teooriat, et toidud "tühistavad" üksteist - kui oled šokolaadi järel ära söönud ka õuna, oled uuesti nullis ja võid uue šokolaadi võtta? :)

      Kustuta
    5. Väga tahaks :) :) aga elu kummutab kogu teaduse :)

      Ps. Sa võiksid kontrolliks õiged vastused anda, hea oleks kontrollida ennast

      Kustuta
    6. See arvamus, et üks toit tühistab teise, meenutab mulle kahe joogise selli arutelu - näe, päev otsa oleme tina pannud ja suitsetanud, see lühendab eluiga. Aga meil on nii lõbus, päev otsa oleme naernud, naer pikendab eluiga - kokkuvõttes oleme ikka plussis!

      Kustuta
    7. Kaur, sa pead silmas, et tuleb ära süüa sfääriline sai ja vaakumis?

      Kustuta

Palun ära pahanda, kui ma Su kommentaarile ei reageeri/vasta:) Ma olen väga tänulik kõikide mõtteavalduste eest, aga kui olen Sinuga nõus, pole ju põhjust midagi lisada, ning kui oleme eriarvamusel- siis, minu oma on juba kirjas:)
Tänan Sind kaasamõtlemise eest!