Холодный сезон - время утепляться. А вы когда-нибудь задумывались, почему тепло в шубе, пуховике или парке?
Чтобы разобраться в этом вопросе, давайте вспомним, на что мы обращаем внимание при выборе одежды. Присматриваясь к зимним вещам, покупатели пытаются оценить степень утепления. Если при покупке летней одежды этот параметр не важен, то с теплыми куртками, шапками и шарфиками нужно понимать, согреют ли они в зимнюю непогоду. Мы придирчиво оцениваем толщину, плотность и фактуру одежды, трогаем подкладку и пытаемся угадать объем утеплителя. При этом вряд ли кто-то задумывается, почему вещи греют: если одежда окажется недостаточно теплой, мы просто наденем другую.
Когда требуется подобрать одежду для походов, альпинизма либо путешествий, ситуация меняется кардинальным образом. В данном случае выбор правильной экипировки - первостепенная задача, ведь в рюкзак не получится упаковать верблюжье одеяло, пару вязаных свитеров и овечьих тулупов.
Согреем себя сами
Некоторые люди до сих пор думают, что одежда обладает какими-то волшебными свойствами и греет нас без участия человека. Да, такие экзотические вещи с электроподогревом существуют, но вряд ли их можно рассматривать для повседневного ношения. Источником тепла выступает организм, а функция одежды - пассивно удерживать его возле тела человека. Говоря научным языком, теплые вещи замедляют теплообмен между окружающей средой и организмом, исключают теплопотери и предупреждают переохлаждение. Если человек мерзнет, значит, он излишне делится теплом с окружающей средой.
При малых колебаниях температуры воздуха организм способен поддерживать температуру тела благодаря уникальной «встроенной функции» - гомеостазу. Универсальной одежды, в которой было бы на 100 % комфортно при любой погоде, не существует. Известные всем меховые шапки малахаи и халаты из шерсти спасают кочевников от палящего солнца и мороза, замедляя отведение тепла от тела и защищая от чрезмерно нагретого воздуха. Ключевое слово – замедляют, но не блокируют, иначе одежда стала бы как непроницаемый и тяжеленный скафандр: требовала бы автономного кондиционирования. Наверняка все видели, как «быстро и грациозно» передвигается космонавт. Возможна ли подобная экипировка в походе или при покорении горных вершин? Конечно, нет.
Теплая одежда должна обладать двумя принципиально разными функциями: препятствовать потере тепла, но все же отдавать некоторую его часть для исключения перегрева. Данные задачи решаются в комплексе. Важную роль играет базовый слой, подходящий для планируемой активности и погоды. Кроме того, одежда должна быть трансформируемой, предусматривающей дополнительные слои поддевы. Также обязательно наличие вентиляции: растягивающихся клапанов, сеточек и отверстий. Это позволяет расширить диапазон комфортных температур, в которых можно носить одежду.
Сплошная физика: разбираемся в механизмах
Вернемся к главному вопросу: каким образом греют теплые вещи? Ответ на него подскажет физика, а конкретнее – термодинамика. Передача тепла выполняется тремя способами. Конвекция и теплопроводность реализуются при непосредственном либо опосредованном взаимодействии тел. Тепловое излучение передает тепло посредством ЭМ-волн.
При прямом взаимодействии теплого тела с холодной средой молекулы, обладающие тепловой энергией, передают часть тепла менее нагретым молекулам. Показательный пример, когда человек берет в руку холодный камень и постепенно согревает его в ладони. Опосредованный контакт подразумевает наличие среды между телами, посредством которой происходит передача тепла. Молекулы теплого тела контактируют с молекулами посредника, передавая им часть энергии. Далее молекулы посредника попадают на поверхность холодного тела и также отдают ему часть полученной энергии.
Получается что передача тепла от теплых тел к холодным тем медленнее, чем меньшее количество молекул тела-посредника задействовано в передаче энергии. Невероятно, но самой теплой средой является вакуум: молекул, переносящих тепло, там вообще нет. Значит, самой теплой одеждой является ее полное отсутствие. Но одежды в виде воздушного шара-термоса, которая застегивалась бы возле тела человека, не существует. Воздух не обладает прочностью, необходим материал, который будет препятствовать перемешиванию воздушных масс, поддерживать структуру прослойки, но не влиять при этом на теплопередачу и не создавать мостиков холода. Человек, который придумывает, как создать и удержать небольшой вакуум возле тела человека, получит мировое признание.
Скорость, с которой тепло передается от тел, называется теплопроводностью: чем выше данный показатель, тем эффективнее ткань транспортирует тепловую энергию, быстрее нагревается/остывает. Между поверхностью тела и окружающим воздухом теплая одежда формирует область с низким коэффициентом теплопроводности (К). Вещи должны замедлять отток тепла от тела при соблюдении двух условий:
- К одежды должен быть таковым, чтобы обеспечивать поддержание комфортного микроклимата при определенной температурной разнице между телом и окружающим воздухом;
- не должно быть прямого контакта между поверхностью кожи и воздухом (одежда выступает этим самым посредником).
Самым эффективным материалом, удерживающим тепло, является гагачий пух, обладающий низким К, меньшим, чем у воздуха. К примеру, у ваты, которая раньше повсеместно использовалась вместо утеплителя, коэффициент теплопроводности в 7 раз выше. Но такие серьезные показатели нужны для экстремальных условий, а для обычной одежды важно, чтобы К был примерно равен аналогичным показателем воздуха.
Оценивая материалы, которые используются человеком для утепления (а их - великое множество, от шерсти животных до современной синтетики с системами климат-контроля), получается, что основное их свойство – связывание и удержание в неподвижном состоянии воздуха, сохраняя свою структуру и целостность. Именно это мы и анализируем, ощупывая вещи перед покупкой. Чтобы теплые вещи были теплыми, нужно обеспечить соответствующие условия эксплуатации, которые не влияли бы на коэффициент теплопроводности утеплителя. Самый страшный враг утеплителей – вода, существенно ухудшающая свойства материалов. Если с увлажнением утеплитель еще справляется, то при полном намокании становится бесполезным: воздух вытесняется водой и одежда больше не греет.
Итоги
- Теплые вещи согревают нас нашим же теплом.
- Чем меньше коэффициент теплопроводности (К), тем одежда теплее.
- Одежда с функциональным утеплителем должна быть вентилируемой, чтобы избежать перегрева.
- Нельзя увлажнять утеплители, особенно те, которые выполнены из натуральных материалов.
