羽绒服靠什么保暖?靠空气吗?

生活在寒带的动物为了抵御严寒,身体上包裹着厚厚的脂肪和皮毛。人类在长期的进化过程中体毛退化,在冬季需用衣物抵御严寒。在过去,北方人冬季通常都穿着厚厚的棉衣、棉鞋、棉裤,而在追求时尚的今天,随着人们的消费能力提升,羽绒服逐渐大众化。

羽绒取自家禽,是保暖性能最好的天然材料之一,在羽绒服中填充的是消毒杀菌后的鸭绒或者鹅绒,当然也有人造羽绒。保暖性能极佳的羽绒服,不仅寒带地区的人在用,极地人员也在用。由于羽绒服中填充的是羽绒,很多人就认为起保暖作用的是羽绒,其实起保暖作用的主要是空气,这是为什么呢?

人体需要保持恒温

人属于恒温动物,我们每天通过食物摄取能量,一部分用来维持体温。恒定的温度对人体的正常生理活动至关重要,体温过高或过低都会危及生命。

上图为不同年龄阶段的体温分布。

人只要活着,就会进行新陈代谢,这个过程中体内会积蓄多余的热量,必须要散热。人体主要通过血液将体内的多余热量转移至体表,并散发出去,温度过高时还会通过排汗的方式加速散热。

当环境温度高于人体温度时,人体已无法正常散热;当环境温度低于人体温度时,人体的热量会流失,温差越大,人体热量流失的越快,感觉越冷。保暖就是为了减缓人体热量的流失速度,使人体保持恒温,羽绒服起的就是这样的作用。如果温度实在太低,还需要热源进行取暖。

身体将热量散失到环境中,这属于热传递

热传递是由温度差引起的热量转移现象。热传递主要以热传导、热对流和热辐射三种方式进行,热量通常以一种或多种方式由高温区转移至低温区。热传导是固体的主要传热方式;热对流主要发生于液体和气体中,是流体热传递的主要方式;热辐射是以电磁波进行热传递的方式,任何温度在绝对零度(零下273.15摄氏度)之上的物体都会向外辐射出电磁波,温度越高,辐射出的总能量就越大。

以人体散热过程为例。人体为了保持恒温,必须将多余的热量散发到环境当中。人们通常生活在地球表面,人体包裹着一层皮肤,与人体接触面积最大、接触时间最长的就是空气。身体中的热量除了会以热辐射的形式进行转移以外,在与空气接触时,还会将热能传导给空气。人体周围的空气流动速度越快,与人体接触而升温的空气能够快速流走,这不仅加快了空气中的热对流,还使冷空气与身体接触的频率变高,这样身体热量流失的速度也就加快了。

上图为人体不同部位的温度分布。

风扇就属于强制对流,可以帮助人体快速散热。如果空气的温度与人体温度相差不大,风扇也就起不了太大的作用了。此时就需要用到空调。

此外,人体最显著的特点就是可以通过大量流汗的方式,进行蒸发散热。蒸发是一种物相变化,在任何温度下都可以进行,具有致冷作用。

隔热和保温都是为了阻断热传递

对于可以冷暖两用的空调,冬天空调加热室内空气,夏天空调将室内的热量转移到室外。使用空调时,需要一个密闭的空间将热空气与冷空气隔绝开来,门窗紧闭的房间起到的就是这么一个隔离作用。房间既能隔热又能保温,不管是保温还是隔热,本质上都是为了阻断热量转移。

以大家常用的保温杯或暖水瓶为例,我们将热水倒入杯中,视环境温度而定,一般可以保温12个小时。如果我们将冰淇淋放入其中,同样可以隔热,可以使冰淇淋在炎炎夏日保存10多个小时都不化。夏季有些商家会用保温毯或者棉被盖着装满冷饮和冰淇淋的冰柜,除了阻止阳光照射外,还有就是起个隔热作用,降低电力消耗。

虽然存在温差,只要能够阻断热传递,热能就不会在两个物体之间出现流动。完全阻断是不可能的,但是通过某些具有优异阻热性质的材料,就可以减缓热传递这个过程。

热传递主要分三种方式,阻热材料就要在这上面下功夫。热辐射虽然可以在真空中传播,但是一张纸就可以起到阻挡作用;热对流可以通过某些方式减慢;至于热传导则要使用绝热材料,绝热材料又叫做热的不良导体,生活中常见的有木柴、塑胶、空气等。

羽绒在空气的配合下,具有良好的阻热性能

上面已经说过,空气是很好的绝热材料,其实羽绒也具有很好的绝热性能。空气虽然是气体,存在热对流。不过,羽绒与羽绒之间存在很多缝隙,空气分布在这些缝隙中,羽绒对空气的流动会起到阻碍作用。同时,制作羽绒服的布料一般比较密闭,就是为了减少羽绒服中的空气流动,这样才能更保暖。

衣服能够阻碍热辐射自然不用说,再加上衣领、袖口等处的紧缩型设计,尽量减少空气流动,再加良好的绝热性能,使羽绒服的保暖效果变得非常好,即使在零下10来度的室外,也能使身体保持温暖。虽然棉、皮革等材料也能保暖,但是羽绒显然更轻些,并且保暖性能更佳。

羽绒具有一定的韧性,挤压之后不易变形,能够保持蓬松。只有蓬松,才能使羽绒之间的缝隙中充满大量空气,这才是保暖的关键。很多羽绒服穿一段时间,多次清洗后,蓬松度下降,变得不太保暖,就是这个原因。之所以选择羽绒,与它十分的轻也有很大的关系。

总结起来,保温隔热材料一般都具有质轻、多孔疏松、导热系数低等性质。

基于此,科学家发明了世界上最轻的阻热材料——气凝胶。气凝胶是固体,凝胶呈空间网状结构,内部90%都是空气或者其它气体,整体密度甚至比空气还略低。使用二氧化硅等材料制作的气凝胶,不仅绝热性能极佳,还具有良好的透明性,被用于航天领域。

如上图所示,将鲜花放在气凝胶上,即使在高温烈焰的炙烤下,依然毫无损伤。

由此可见,羽绒服保暖主要靠的就是空气,羽绒主要起辅助作用。

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