Pourquoi l'air en mouvement est-il froid?

Je prends un cours de thermodynamique et j'avais la question suivante. J'allais demander directement à mon professeur, mais cela semble être une question stupide avec une réponse simple, alors j'ai pensé tenter ma chance ici par peur de l'embarras.

Lorsque l'air circule dans un tuyau, son enthalpie de stagnation ne change pas. Pour un gaz caloriquement parfait, nous avons que l'enthalpie varie linéairement avec la température.

h_{0} = constant = h + \frac{1}{2} u^{2}

$h_0 = \text{constant}= h + \frac12u^2$

h = c_{p} T

$h = c_pT$

Regardons l'air. L'air a une chaleur spécifique à une pression constante de . L' air detempérature ambiante estenviron. Les vitesses du vent sont généralement inférieures à $1000\ \mathrm{\frac{J}{kg\cdot K}}$ $300 \text{ K}$ . $15\ \mathrm{\frac{m}{s}}$

En réécrivant nos équations, nous pouvons dire:

c_{p} T_{0} = c_{p} T + \frac{1}{2} u^{2}

$c_p T_0 = c_pT + \frac12u^2$

1000 \frac{J}{k g \cdot K} \cdot 300 K = 1000 \frac{J}{k g \cdot K} \cdot T + \frac{1}{2} (15 \frac{m}{s})^{2}

$1000\ \mathrm{\frac{J}{kg \cdot K}} \cdot 300 \text{ K} = 1000\ \mathrm{\frac{J}{kg \cdot K}} \cdot T + \frac12(15\ \mathrm{\frac{m}{s}})^2$

300000 \frac{J}{k g} = 1000 T \frac{J}{k g} + 112.5 \frac{J}{k g}

$300000 \frac{J}{kg} = 1000T\ \mathrm{\frac{J}{kg}} + 112.5\ \mathrm{\frac{J}{kg}}$

T = 299.9 K

$T = 299.9 \text{ K}$

Ainsi, des vitesses de vent modérées ne changent pas du tout la température. Pourquoi, alors, déplacer l'air à l'extérieur semble-t-il beaucoup plus froid que l'air stagnant?

mechanical-engineering thermodynamics hvac temperature user01101001
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belle question, j'ai toujours eu cette question quand j'étais assis sous un ventilateur de plafond

Shirish Herwade

Si nous négligeons l'évaporation de la sueur pendant quelques secondes, seul l'air dont la température est inférieure à celle du corps est froid (euh) lorsqu'il se déplace. Comme l'air extérieur est généralement plus froid que 37 degrés Celsius / 98 degrés Fahrenheit, le vent est froid (euh). Les températures de l'air supérieures à ce seuil sont généralement perçues comme inconfortables car le refroidissement du corps se fait désormais par évaporation seule (c'est-à-dire que la transpiration sévère s'installe), et à un moment donné devient dangereuse. J'étais à Death Valley en mai; Je peux vous assurer que le vent n'était pas frais mais plutôt comme un sèche-cheveux. Déplacer l'air au-dessus d'une certaine température semble en fait plus chaud .

Peter - Rétablir Monica

Vous pourriez vous sentir moins stupide :-) - en classe, c'est-à-dire - si vous reformulez "pourquoi l'air en mouvement fournit-il plus de refroidissement pour une machine (puces d'ordinateur ou moteur VW avant 1975) que l'air statique"?

Carl Witthoft

C'est parce que cette sensation n'a pas à voir avec la température de l'air mais avec le transfert de chaleur, c'est pourquoi Peter ne s'est pas senti frais quand il était en mai à Death Valley. Si votre corps est plus chaud que l'air environnant, vous le sentirez froid et vice-versa. Les récepteurs dans la peau sont la clé comme expliqué dans la réponse d'Air ci

raspacorp

Soufflez de l'air sur quelqu'un dans le sauna et vous verrez que la sensation de froid est relative à la température corporelle :)

Filip Haglund

Réponses:

Il y a plusieurs raisons. Tout d'abord, il est important de noter que la sensation de chaleur ou de fraîcheur n'est qu'indirectement liée à la température. Les récepteurs de votre peau qui traitent de la température sont principalement sensibles au transfert de chaleur et aux changements de température , pas tellement aux valeurs de température absolues. Par exemple, voici un extrait intéressant de l'article EB sur la thermoréception :

Les récepteurs froids répondent à un refroidissement soudain avec une augmentation transitoire de la fréquence de décharge (appelée réponse dynamique) qui est directement liée à la température antérieure et à l'amplitude et à la vitesse de la baisse de température. Si la température plus froide est maintenue, la fréquence de décharge s'adapte à une fréquence de décharge statique qui est directement liée à la température plus froide.

La sensation de fraîcheur est donc liée à la vitesse à laquelle la chaleur est transférée loin de la peau. Le transfert de chaleur se produit selon trois modes: rayonnement, conduction et convection. C'est ce dernier qui est important, car la convection repose sur le mouvement; sans mouvement, il n'y a que rayonnement et conduction. L'air est un très bon isolant, ce qui rend la conduction moins efficace; et il est transparent sur un large spectre, ce qui signifie qu'il n'y a pas d'échange de chaleur radiatif significatif. Et votre peau a de nombreux poils minuscules (et peut-être de plus gros poils, selon la personne) qui agissent contre tout flux convectif mineur, comme un courant d'air ou une petite perturbation.

Fondamentalement, en l'absence de convection (air en mouvement), votre peau réchauffera localement l'air juste autour d'elle, et cet air ne sera pas très rapidement remplacé par de l'air plus frais . En chauffant, il évacue encore moins la chaleur de votre peau (car le plus petit différentiel de température est un conducteur plus faible).

Mais le facteur beaucoup plus important dans la plupart des cas est probablement l' augmentation du refroidissement par évaporation . Tout comme cette couche d'air autour de votre peau conduit la chaleur et est réchauffée par votre peau, elle évapore également l'humidité et devient plus humide. (Votre peau peut toujours perdre une certaine quantité d'humidité dans l'air sec, même si vous ne vous sentez pas en sueur.) Tout comme le transfert de chaleur sera réduit à mesure que l'air se réchauffe et s'approche de la température de votre corps, de même l'évaporation sera réduite à mesure que le l'air qui entoure immédiatement votre corps devient légèrement plus humide. Mais lorsque l'air se déplace, il devient beaucoup plus efficace pour évaporer l'humidité de votre peau. Vous pouvez lire sur le mécanisme de la transpiration pour plus d'informations.

Dans les deux cas, l'air en mouvement agit relativement plus comme un puits à énergie constante car, comme votre corps contribue à l'énergie thermique et / ou à l'humidité, ces molécules à énergie plus élevée s'éloignent de l'interface avec votre peau et sont remplacées par de l'air plus frais et sec . D'un point de vue analytique, si l'air se déplace assez rapidement, vous n'avez pas à tenir compte du fait qu'il devient plus chaud ou plus humide au fil du temps car il échange de la chaleur et de l'humidité avec votre peau.

Comme le souligne ce commentaire , il est important de reconnaître que si la transpiration est spécifiquement un mécanisme de refroidissement, la convection fonctionne dans les deux sens; si l'air ambiant est plus chaud que votre peau, une brise la rendra encore plus chaude. Si vous êtes vraiment intéressé par ce sujet, le Centre pour l'environnement bâti d'UC Berkeley a un outil de confort thermique soigné avec lequel vous pouvez jouer, qui va beaucoup plus en détail en ce qui concerne les variables individuelles et environnementales.

Air
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Ironiquement répondu par Airlui-même.

JonH

L'air froid est vraiment votre peau refroidie par convection forcée et évaporation de la transpiration.
Sans mouvement d'air, une couche limite d'air plus chaud se forme sur la peau et, en raison de la plus petite différence de température, le taux de perte de chaleur diminue.
Le déplacement de l'air sur la peau perturbe cette limite plus tard, permettant à l'air non chauffé d'être en contact avec la peau, augmentant ainsi le taux de perte de chaleur et donc la peau se refroidit davantage. L'évaporation est un changement d'état qui nécessite une chaleur latente fournie par la peau qui se refroidit ainsi davantage. Voir refroidissement éolien et pour l' indice de chaleur à effet "opposé" .

Farcher
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Dans l'air calme, les principaux mécanismes de transfert de chaleur sont la diffusion et la convection naturelle. Si un objet est à une température plus élevée que l'air immobile, la chaleur circulera de l'objet vers l'air. En substance, l'air entourant immédiatement l'objet serait à une température plus élevée que juste l'air lui-même.

Dans l'air en mouvement, vous avez également la diffusion et la convection naturelle et forcée comme mécanismes de transfert de chaleur. La convection forcée fonctionne pour éliminer l'air chauffé dans le voisinage immédiat autour de cet objet (en raison de la diffusion) et fournir plus d'air à la température d'origine de l'air plus rapidement que les autres mécanismes.

Paul
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Il y a convection dans les deux cas. Dans l'air calme (s'il est même correct d'utiliser un tel terme), vous allez avoir une convection naturelle due à la circulation de l'air environnant en raison des différences de densité.

Algo

@Algo: vous avez raison. J'aurais dû distinguer les différents types de convection. Néanmoins, la convection naturelle dans cette situation est relativement négligeable en tant que mécanisme de refroidissement. Voir ma réponse mise à jour.

Paul