Wie halten Decken warm?

Es sollte darauf hingewiesen werden, dass Decken (überraschenderweise) auch als (thermischer) Strahlungsschild wirken. Das ist der Grund, warum in Survival-Kits manchmal "Notfalldecken" zu finden sind, die scheinbar nichts anderes sind als dünnes, glänzendes Plastik. Aber sie machen wirklich einen Unterschied in der Menge an Wärme, die ein warmer (37 °C) Körper in einer kalten Nacht (wolkenloser Himmel – angenommen 0 °C) verliert.

Bei einem Körper mit einer dem Himmel zugewandten Fläche von 30 cm x 180 cm ist die Fläche ungefähr$0.5 m^2$. Unter der Annahme eines Emissionsgrads von 0,3 (nur eine Zahl auswählen) ist der Wärmeverlust gegeben durch

Oder 25 W für den Menschen, den ich gerade erwähnt habe. Das ist eine nicht unerhebliche Wärmemenge... vor allem wenn man bedenkt, dass der Grundumsatz ("Nichtstun" was eine gute Annäherung an Schlaf ist) bei etwa 60 W liegt. Und da ist noch nicht mitgerechnet die Wärme, die man durch die Atmung verliert ( kalte Luft erhitzen und mit Dampf füllen).

Erhitzen kalter Luft (immer noch mit 0 °C als Basislinie):

250 ml pro Sekunde, Wärmekapazität 1020 J/kg/C,$\Delta T = 37 C$, erhalten Sie etwa 12 J

Verdunstendes Wasser:

Gesättigter Dampfdruck von Wasser bei 37 °C ca. 47 mm Hg und Atmung ca. 250 ml pro Sekunde (900 Liter pro Stunde) mit einem effektiven Anteil von 47/760 pro Volumen Wasser, dies erfordert weitere 25 W.

Überraschenderweise führen diese drei Mechanismen zu ähnlichen Wärmeverlusten – und der Schutz vor Strahlungswärmeverlusten ist in der Tat erheblich. Aus diesem Grund hält eine gute Decke (die einen Teil dieser Wärme an Sie zurückgibt) tatsächlich "die Wärme zurück".

Das Obige unterstreicht, dass die bedeutendste Form des Wärmeverlusts die Verdunstung ist. Eine gute Decke stoppt die Zirkulation und hält die Luft in der Nähe Ihres Körpers "feucht". Dies verlangsamt die Verdunstungsrate und hilft Ihnen, warm zu bleiben. Wenn die Luft nicht zirkuliert, wird sie auch daran gehindert, "Wärme" abzutransportieren - aber die Wärmemenge, die feuchte Luft transportiert, ist erheblich größer als "nur Luft", wie das obige Beispiel zeigt.

Hinter dieser Frage steckt mehr, als man auf den ersten Blick erkennen kann...

Hier sind die Wärmeleitfähigkeiten verschiedener Materialien angegeben . Ich kann keine Zahlen für die Wärmeleitfähigkeit von fester Wolle oder Baumwolle (dh einem festen Block ohne Lufteinschlüsse) finden, aber die Wärmeleitfähigkeit von organischen Materialien scheint in der Nähe zu sein$0.25$Wm$^{-1}$K$^{-1}$. Im Gegensatz dazu ist die Wärmeleitfähigkeit von Luft$0.024$Wm$^{-1}$K$^{-1}$, so dass Sie bei konstanter Körper- und Außentemperatur bei einer Isolierung mit Luft zehnmal weniger Wärme verlieren würden als bei einer Isolierung mit den meisten festen Materialien.

Das Problem ist, dass Luft nicht in einer statischen Schicht bleibt, die Ihren Körper umgibt. Luftströmungen und thermische Konvektion, die durch die Wärme Ihres Körpers erzeugt werden, bringen die Luft in Bewegung. Dadurch wird die warme Luft, die Sie auf Ihre Körpertemperatur erwärmt haben, durch kalte Luft ersetzt und die Wärmeverlustrate erhöht.

Idealerweise möchten Sie etwas, das die Luft um Sie herum an Ort und Stelle halten kann, damit sich die Luft nicht bewegen und Wärme abführen kann. Und Sie möchten, dass dieses Zeug so isolierend wie möglich ist. Das beste derartige Material, das ich kenne, ist Silica-Aerogel , das so gut isoliert, dass es im Space Shuttle als Hitzeschild für den Wiedereintritt verwendet wurde. Glas ist eigentlich ein ziemlich schlechter Isolator, aber Aerogel enthält nur wenige Volumenprozent Glas und die anderen 90 Prozent seines Volumens sind Luft. Daher hat es hervorragende Isoliereigenschaften. Aerogel ist jedoch ein spröder Feststoff und eine schlechte Wahl für Bettwäsche.

Decken sind so etwas wie ein Kompromiss. Sie enthalten einen geringeren Volumenanteil an Luft als Aerogel und schließen die Luft weniger fest ein, und beide Faktoren verringern die Isoliereigenschaften. Sie sind jedoch viel bequemer als Aerogel.

Normalerweise würde sich Ihre Körperwärme in der Luft verteilen. Wenn es also kalt ist, kühlt Ihr äußerer Körper ab, weil Sie Ihre Körperwärme an die Luft in Ihrer Nähe abgeben. Wenn Sie sich also in eine Decke hüllen, verhindern Sie, dass Ihre Körperwärme entweicht, und da sie eingeschlossen ist und Ihr Körper weiterhin Wärme produziert, fühlen Sie sich unter der Decke wärmer und wärmer. Insgesamt verhindert die Decke eine Wärmekonvektion durch die Luft, indem sie die Luftbewegung stark verlangsamt. Somit wird Ihre Körperwärme in der Decke eingeschlossen.

Das ist momentan ein großes Thema bei uns zu Hause, weil hier Winter ist und wir nicht die ganze Wohnung heizen.

Wenn Sie im Bett zittern, denken Sie darüber nach, wie sich Wärme durch eines der folgenden Dinge bewegt:

1) Konvektion (Luftbewegung)

2) Leitung (Berühren)

3) Strahlung

Eine ideale Superdecke wird alle drei ansprechen:

1) Stoppen Sie die Luftbewegung. Es kann dies tun, indem es Sie umschließt (wie eine Plastiktüte), aber praktischer kann es unscharf sein. Unschärfe macht viele kleine schwer zu bewegende Lufteinschlüsse.

2) Reduzieren Sie die Wärmeleitung – da es sich um ein Material handelt, das Wärme nicht gut überträgt (z. B. Kunststoff im Vergleich zu Baumwolle), hält es die Wärme neben Ihrem Körper. Noch besser, wenn es unscharf ist, berührt es Ihren Körper weniger. Weniger Oberflächenkontakt bedeutet weniger Leitung.

3) Reduzieren Sie die Strahlung – wenn es die Wärme auf Sie zurückstrahlen kann, wie diese Mylar-Notfalldecken, dann kann die Wärme, die Sie ausstrahlen, zu Ihnen zurückgebracht werden.