Fizikos pradžiamokslis. Kodėl vėjas šaltas?

Ar kada nors susimąstėte, kodėl vėjas būna šaltas? Nesvarbu, ar šiaip oro temperatūra -10, ar +20, papūtus vėjui visada atrodo šalčiau, nei jam nepučiant. Kodėl? Prisipažinsiu, kad nesu įsitikinęs, ar žinau atsakymą – galbūt paslaptis yra kokiuose labai sudėtinguose meteorologiniuose ar biologiniuose dalykuose. Tačiau vienas atsakymo variantas yra gana elementariai fizikinis, taigi juo ir pasidalinsiu.

Pradėsiu nuo vieno dalyko, apie kurį būna pasakojama mokykloje, bet visi sėkmingai pamiršta. Tai yra šilumos perdavimo būdai. Turbūt žinote, kad šilti kūnai stengiasi atiduoti energiją šaltiems, kitaip tariant, bet kokia sistema artėja prie šiluminės (protingiau tariant, termodinaminės) pusiausvyros. O energiją šilti kūnai gali atiduoti trim būdais – šiluminiu laidumu, konvekcija ir spinduliuote. Šiluminis laidumas pasireiškia tada, kai susiliečia šaltas ir šiltas objektai, arba kai pašildomas vienas objekto galas. Tada elektronai, kurie šilto kūno (ar jo dalies) atomuose juda greičiau, nei šalto, ima po truputį perdavinėti energiją šaltesniems atomams. Tai įvyksta paprasčiausiai dėl to, kad dviejų elektronų sąveika šiuo atveju yra panaši į dviejų rutuliukų susidaužimą. Jei vienas iš jų judėjo žymiai greičiau, už antrą, tai po smūgio bus atvirkščiai – energija perduodama iš vieno kūno kitam. Elektronų atveju energijos perdavimas vyksta tolygiai ir sustoja, kai gretimų atomų elektronų energijos yra vienodos. Taip po truputį šiluma pasklinda iš šilto kūno (ar jo dalies) į šaltą. Vienuose kūnuose tas vyksta greičiau, nei kituose, dėl to karštas metalas nudegina lengviau, nei tokios pat temperatūros medžio gabalas.

Konvekcija – tai šilumos perdavimas skystimuose (skysčiuose ir dujose), kur materijos „gabalai“ gali gana laisvai judėti vienas kito atžvilgiu. Tam tikra prasme tai yra panašus į šiluminį laidumą būdas, tik efektyvesnis. Štai pavyzdžiui, kambaryje įjungiamas radiatorius. Aplink jį esantis oras gana greitai sušyla. Tada jis ima plėstis ir kilti į viršų, o jo vietą užima vėsus oras. Tas oras vėlgi sušyla ir kyla į viršų, ir taip toliau. Oro šilimas aplink radiatorių protingiau yra vadinamas difuzine šilumos pernaša, o šilto ir šalto oro apytaka – advekcija. Difuzinė pernaša primena šiluminį laidumą, tačiau ji vyksta labiau ne dėl atomų elektronų sąveikos, o dėl molekulių ir atomų atsitiktinio (Brauno) judėjimo. Abi kartu jos sudaro konvekcines sroves. Tokios srovės, beje, egzistuoja ir žvaigždėse, kuriose karštis iš branduolio į paviršių vienoje dalyje yra pernešamas būtent konvekciškai, nes plazma ten yra tokia tanki, kad fotonai pro ją niekaip neprasiskverbia.

Trečiasis būdas – spinduliuotė – paprastai yra svarbus tik labai aukštos temperatūros kūnams, kitais atvejais jį nustelbia pirmi du. Bent jau Žemėje; kosmoso vakuume konvekcija nevyksta, o jei kūnas izoliuotas, tai ir laidumas joks nepadeda. Kiekvienas kūnas, priklausomai nuo savo temperatūros, spinduliuoja kažkokį energijos srautą. Toks spinduliavimas, vadinamas juodo kūno (arba Planko) spinduliuote, yra labai svarbus astrofizikoje, ypač tyrinėjant žvaigždes ir pan. Spinduliuojamos šviesos spektras irgi priklauso nuo temperatūros: Saulė daugiausiai spinduliuoja žalsvos (550 nanometrų) šviesos, o žmonės, kurių kūno temperatūra maždaug 20 kartų mažesnė, spinduliuoja ilgas infraraudonąsias bangas (1 mikrometro ilgio). Dėl šito spinduliavimo žmones galima aptikti infraraudonųjų spindulių detektoriais. Ir tokiu būdu taip pat prarandama šiek tiek energijos.

Dabar pagalvokime apie žmogų, stovintį lauke. Įsivaizduokime, kad joks vėjas nepučia, aplinkinis oras iš esmės yra stacionarus. Žmogaus kūno paviršiaus temperatūra yra didesnė nei 30 laipsnių, taigi mūsų platumose beveik visus metus viršija oro temperatūrą. Vadinasi žmogaus kūnas konvekciškai šildo orą. Šylantis oras kyla aukštyn, o prie kūno priartėja šaltesnis oras. Bet šis judėjimas yra lėtas, taigi gana greitai aplink kūną nusistovi nedidelė zona, kurioje oro temperatūra kinta nuo kūno temperatūros iki aplinkos temperatūros – aplink žmogų susidaro „aureolė“ šiek tiek pašildyto oro. Dėl to ir infraraudonuose detektoriuose žmonių figūros matomos išskydusios – detektoriai fiksuoja ir tą pašildytą orą.

O dabar įsivaizduokime, kad pradeda pūsti vėjas. Vėjo greitis beveik visada yra didesnis už advekcinio srauto judėjimo greitį, taigi aureolė nuo žmogaus kūno yra „nupučiama“. Nebelieka apsauginio šiluminio sluoksnio, ir oda visą laiką kontaktuoja su aplinkos temperatūros oru. Žodžiu būtent tada mes ir pajaučiam tikrąją oro temperatūrą, o ne atvirkščiai. O jei oro temperatūra aukštesnė, nei mūsų kūnų, tai papūtęs vėjas ima tik dar labiau šildyti, nes visas procesas apsiverčia aukštyn kojomis.

Va taip vat. Linkiu neprarasti apsauginių oro sluoksnių beprasidedančios žiemos metu :)

Laiqualasse

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *