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).