同样是25℃,空气与水温差感揭秘,为何空气里热,水里却冷?

同样是25℃,空气与水温差感揭秘,为何空气里热,水里却冷?"/

在25℃的环境下,人体感觉热或冷主要取决于几个因素:
1. "蒸发冷却":在空气中,人体的汗液会蒸发,蒸发是一个吸热过程,可以帮助身体散热。如果空气干燥,汗液蒸发得更快,身体散热效果更好,因此人可能会感觉热。但如果空气湿度较高,蒸发速度减慢,散热效果差,所以人可能会感觉冷。
2. "导热性":水的导热性比空气好。当人体浸入水中时,水能够迅速吸收身体的热量,导致人体感觉凉爽。而空气的导热性较差,热量传递得慢,所以人可能会感觉冷。
3. "热容量":水的比热容比空气大,这意味着水在吸收或释放相同热量时,温度变化比空气小。因此,在水中,身体热量被迅速吸收,感觉凉爽;而在空气中,热量吸收较慢,人可能会感觉热。
4. "对流":水中的对流比空气中的对流要强。当水流动时,可以更有效地带走身体表面的热量,使人感觉凉爽。而在静止的空气中,对流效果较差,热量不易散去。
综上所述,尽管外界温度相同,但由于空气和水的物理性质不同,人体在其中的感受也会有所不同。在空气中,由于蒸发冷却和导热性较差,人可能会感觉热;而在水中,由于导热性好、对流强,人可能会感觉冷。

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25℃ 的室内若湿度爆表,人就会觉得闷热难耐,汗水黏腻;可如果跳进同样温度的水里, 却让人冷得起鸡皮疙瘩 。这矛盾的体感从何而来?

一起来看看 @瞻云 的~ 本文将揭开温度感知背后的科学玄机,解释为何相同的温度,在空气和水里感受天差地别。


为何同样 25℃ ,湿度 95% 的空气里感觉闷热,而水里感觉冰冷?

| 答主: 瞻云

这的确比较反常识:

两个环境中的皮肤温度,足足相差 8℃ 左右。

你感觉到冷热,主要看皮肤温度高低,及热量变化速度。

在 25℃ 湿度 95% 的空气中,散热慢,最终皮肤温度较高(33℃),所以感觉舒适 微热。

而泡在 25℃ 的水里,散热极快,最终皮肤温度低(25.36℃),所以会感到冰冷。

以下是详细分析和计算过程:

人类对温度的感知,来源于皮肤上的温度感受器。

皮肤表面温度高低及变化速度,直接决定了我们感受到的是冷还是热。

本体感受神经元(蓝色)、机械感受神经元(红色)、温度和疼痛感受神经元(绿色)

当人处于最适宜的冷热状态时,皮肤温度大约为 33℃ 左右。

15~30℃ 是主要的冷觉区间,温觉大致在 30~45℃ 的范围内(中性+温暖),超过 45℃ 会逐渐感觉到热和烫。

无论皮肤温度低于 15℃,还是高于 49℃,都会激活伤害感受器,感受到疼痛。

看到这里,你可能就会有疑问了。

25℃ 明明比 33℃ 更低,为什么还有可能感觉到热呢?

因为这里的温度,是皮肤温度,而不是气候温度。

我们知道,热量会从高温传递向低温。

所以,我们的皮肤会与外界环境形成温度梯度:


人体正常活动时,仅仅一个细胞内就发生着千万次的生化反应,从而源源不断地产生热量。

不仅人体存在温度梯度,人体皮肤要把热量不断释放到空气里,与空气也会存在一个温度梯度。

热量流失速度的快慢,决定了温度梯度的高和低。

人体对外散热的方式主要为四种

对流散热 (空气流动) 、辐射散热+ (有温度就有辐射) 、蒸发散热+, 以及 呼吸散热。

  • 气温较高时,呼吸散热比较少,人体略微走动的额外散热就远远高于呼吸散热,所以这里忽略不计。主要还剩三种散热方式。

我们先来看看,人体产生的总热量有多少?

直立状态下,人体新陈代谢率为 65~70W/m 2

要得到人总新陈代谢功率,这个表格的数据还需要乘以人体的体表面积

根据许文生氏公式:

可得,180cm,80kg 的人类表面积为:2m^2。

我们再乘以代谢功率,就得到了静立状态下,人体新陈代谢总功率:

也就比一个 100W 的灯泡功率高那么一点点。

我们假设题主从舒适环境(皮肤温度 33℃),分别进入 25℃ 湿度 95% 的空气中,以及 25℃ 的水中。

由于两个环境的温度一样,所以辐射散热相同

根据斯 特藩-玻尔兹曼定律 ,物体对外的辐射通量(单位面积对外的辐射功率)为:

  • ε 为辐射系数,人体约为 0.97

  • σ 为斯特藩-玻尔兹曼常量,取值 5.67x10 -8 W/m 2 •K 4

  • T 为热力学温度

人体损失的辐射热功率,等于向外热辐射减去接受到的热辐射,即:

  • T 8 为皮肤温度, T a 为空气温度,A 为人体表面积。(下同)

带入数据,计算得:

可以发现,辐射散失的热量是大头,已经接近 100W。

那么,用于其它方式散热的热量还有:

∆Q=Q-Q r =42.89W

接下来,我们来看看 25℃ 湿度 95% 空气中,皮肤的对流散热。

根据 牛顿冷却定律 ,物体表面的对流换热为:

  • h 为空气对人体的自然对流系数,有经验公式 :

  • h=1.48∆T 0.25

也即:

Q a 仅仅只比 ∆Q 略低。

这意味着,仅仅只有少量的热量用于蒸发散热。

然而,25℃ 湿度 95% 的空气,蒸发散热是非常低的。

虽然理论上可以忽略不计,但毕竟题主没有用 100% 湿度,而是用了 95%,所以我们还是略微考虑一下。

  • pv a 为环境水汽压,25℃ 湿度 95% 为 3.01kPa。

  • Psv sk 为皮肤表面饱和水汽压,33°C 为 5.043kPa。

  • m 为皮肤表面水蒸汽的渗透系数,在舒适条件下约为 1.271×10^-6

  • r 为水在25℃的汽化潜热,2442.3 kJ/kg。

带入数据计算的:

E D =6.2W

这个热量很低,但和人体剩余积热相差不多,

几瓦的功率差值,完全不用考虑。

因为人体仅仅从躺平到站立的姿态变化,就会额外增加 30~40W 的热功率。

也就是说,通过计算我们发现!

人体从舒适环境走到 25°C 湿度 95% 的空气中,皮肤温度几乎不变。

虽然理论上,我们还是应该会感觉到舒适。

然而,我们走动过程中,人体会额外做功。

即便是最休闲的步行速度,新陈代谢功率也有 116W/m 2

人体刚刚来到 25℃ 湿度 95% 空气中的瞬间,人体额外产生 (116-70)x2=92W 的功率。

这个功率是通过原来的皮肤蒸发散热,远远达不到的。

所以,皮肤会升温,通过增加排汗来排走额外的温度。

这个过程,我们自然会感觉到热。


热的来源有两种:

首先当皮肤温度超过 33℃ 的适宜温度时,我们会感觉到热。

其次,皮肤升温的过程,我们也会感觉到热。

因为 30~45℃ 的范围内,冷觉受体和温觉受体是同时激活的。这个温度区间,皮肤吸热,我们就会感觉到热。皮肤放热,我们就会感觉到冷。

  • 背后涉及的生化原理,和把手从热水中泡一会儿再拿出放进温水会感觉到冷是一样的道理:长期高温刺激,消耗过多温觉受体,突然进入更低的温暖温度,因温觉受体远少于冷觉受体,因而感觉到冷。

所以,从舒适环境走入 25℃ 湿度 95% 的空气中,如果无风,我们一开始会感觉到微热。

而且,由于热辐射和自然对流散热相对固定,我们皮肤的额外散热主要依靠汗液蒸发。95% 的高湿度,又导致我们的皮肤蒸发散热率很低。

所以,我们一开始感觉到有些闷热。

但随着我们长期静息,身体内的积热减少,我们会开始变得舒适起来。

如果此时皮肤上还有点点湿汗,又吹来一阵风,我们可能反而会觉得有一丝丝的冷。

所以,舒适程度如何,要看个体差异,以及是否有风:

无风时,对于静息功率比较高、略微肥胖的人群,可能依旧会觉得有些热。

而对于静息功率比较低、比较细瘦的人群,则可能感觉到舒适。

当然,考虑到人可能不会完全静止,所以整体上是微热偏舒适的状态。

而 25℃ 湿度 95% 空气的体感温度是 27~29℃:

28℃ 正好是体感舒适温度的上限,这正好也与我们的计算结果互相应证。

进入 25℃ 的水中,情况将会截然不同。

由于水带走的热量很快,其它热量(呼吸、汗液)带走方式都可以忽略不计。

水的自然对流换热系数比空气大得多,甚至能超过 100 倍。

通常取值为:200 ~1000W/m ^ 2•k。

它的大小主要受水的流速影响。

在人体静息状态下,我们可以取值 200W/m^2•k。

体表 33℃ 的题主,刚刚进入 25℃ 的水体中时,热量流失速度高达:

热量流失速度极其迅猛。

冷觉受体被大量激活,因此进入 25℃ 水体的瞬间,人会觉得冰冷。

随着体表温度逐渐与水体温度接近,激活的冷觉受体逐渐减少,人的冷觉体感逐渐减轻。

我们不妨计算一下,温度平衡时人体的温度:

建立平衡公式:

带入所有已知数据,易得此时的人体皮肤温度为:

T 8 =298.51K

也即,25.36℃,人体温度仅仅只比水的温度高 0.36℃ 。

这个温度远远低于皮肤适宜温度的 33℃。

所以,人体即便适应水体后,依旧会觉得冷。

对于脂肪含量偏低的人群,这个温度如果长期在水中不运动,将足以导致失温。

所以,我们最终得出这样的结论:

25℃ 湿度 95% 的空气中,人体皮肤温度在 33℃ 的适宜温度左右,或略高。

而进入 25℃ 的水中,皮肤温度迅速降低至 25.36℃。

足足相差 8℃,是进入两个环境中,冷热差异极其明显的主要原因。

除此之外,在 25℃ 湿度 95% 空气中,人体温度的略微上升和蒸发散热受阻,额外的走动,是感到微热的原因之一。而进入水中体温迅速下降,然后到稳定,则是体感从很冷到没那么冷的原因之一。

总之,体感巨大差异的根本原因,源于空气和水自然对流散时,带走热量的巨大差异。

除此之外,还有哪些精彩呢?

答主 @mystia 说「因为人在潮湿的空气里,主要往外散热的方式,热传导、热辐射、汗水蒸发其实都差不太多,湿度增加到 95% 以后,热传导和热辐射并不增加,但是汗水蒸发速率降低到几乎蒸发不出去,相当于三驾马车给你去了一架。在水里感觉冰冷,那当然是水不管是热传导速率还是比热容都比空气要高得多,泡在水里是几乎不可能把水泡热的,但是在房间里待着是真的会让房间温度上升一点。」

发布于 2025-07-05 07:30
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