冬天穿衣服為了保暖，夏天穿衣服為了什麼

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這天熱起來以後是真的日子過得一天不如一天……在空調壞掉還沒修好的日子裡，小編時不時就會閃過一個大膽的想法，人為什麼要穿衣服呢？你說冬天也就算了，我恨不得把被子都披身上，那夏天為啥還要穿衣服呢？

為了能夠有一個更加舒適的夏天！

為了給在宿舍裸奔的自己一個正當的理由！

小編決定從物理學裡的熱學出發，一探究竟。

你們城裡人 學物理的 真會玩

被打包賤賣的自由度

What"s Heat?

熱，宏觀上來說物體的冷和熱，但從微觀上來說其實就是物質中所有無規運動的粒子的動能之和。因為原子核和電子的質量相差懸殊，所以這些動能主要都來自於原子核。提這一點是因為針對不同組分，可以有不同的溫度概念，比如電子溫度等。而這個概念在諸如核聚變等場合需要頻繁用到。核聚變時內部已經變成了一個等離子體，核外電子擺脫了原子核的束縛。

我估計大家肯定都聽過：浙江溫州浙江溫州，最大皮革廠，江南皮革廠倒閉了！……我們沒有辦法，拿著錢包抵工資！原價都是一百多、兩百多、三百多的錢包，通通二十塊！通通二十塊！其實在經典熱力學裡面，分子的無規運動動能也和「錢包」一樣，通通打包賤賣……

一個 α 螺旋肽分子的熱運動。這種不停的運動是既隨機又複雜的，而且任一原子的能量起伏都可以很大。然而，使用能量均分定理可以計算出每個原子的平均動能，以及許多振動態的平均勢能。灰色、紅色及藍色的球分別代表碳、氧及氮原子，而小白球則代表氫原子。圖片來自 wikipedia

在玻爾茲曼發展了熱力學的統計理論以後，科學家們終於可以在理論上計算出特定溫度下系統內能的大小。氣體處於平衡態時，分子中任何一個自由度的平均能量都相等，均為 ? kT，這就是能均分定理。[1]這個結論的有趣之處在於統一了分子裡面不同的運動自由度，原來是振動，轉動，平動的能量，統統 ? kT！統統 ? kT！

雖然玻爾茲曼的統計理論非常完善，解釋了實驗上的很多現象，但還是面臨了很大爭論。最大的困難來自，當時很多的科學家認為他的研究根基，原子和分子就不存在。這場爭論持續了數年之久，在巨大的精神壓力之下，最終玻爾茲曼在情緒失控中自縊身亡。[2]

熱量是怎麼自由奔跑的

How Heat Transport

地球中的大氣環流，承擔了很重要的熱量輸運功能，圖片來自 teded.tumblr

傳導、對流和輻射。這個估計大家都背過，被自然科學老師從小念叨到大。而這裡面又可以分為兩類，物質內傳熱和物質外傳熱。前面也提到了，內能實際上就是系統內的分子或原子無規運動的平均動能，比如固體中，原子一個緊挨著一個排列，那麼動的更快的原子就會推動動的更慢的那些。而氣體裡面，這個過程就要難得到，這正是熱傳導。對流則主要發生在流體中，比如加熱一壺水，從底部加熱會比從上面加熱要容易加熱地多。因為如果從底部加熱，熱水上升，冷水下沉，加熱會更有效率。

輻射示意圖，圖片來自 European Space Agency - ESA

相比前面兩者，輻射則並不那麼直觀。人們為了能夠真正地理解輻射，最後一直整出來 bug 級別的量子力學這樣的存在才完全理解。當然如果不去管背後太多複雜的東西的話，冬天裡的烤火，曬太陽，都是通過輻射來獲取熱量的方式。通過電磁波來攜帶能量。

人到底有多熱？

Heat In Human Body

回到我們今天在最前面拋出來的問題上，關於人為啥會穿衣服，顯然有很多社會學的因素，我們就從熱學上來談一談這件事情。平時，我們待的環境裡面絕大多數都沒有超過我們的體溫，因此人體一直不斷地在向外輻射熱量。這個點其實挺反三觀的。在絕大多數時候，通過汗液蒸發等方式散熱的都只是很小一部分，真正的佔了最主要的部分，反而是我們平時都忽略掉的輻射散熱。傳導散熱次之，而人體和空氣通過熱傳導散熱則幾乎可以忽略不計。而輻射這麼重要，就是因為其散熱的功率，和溫度的四次方成正比。

利用衛星探測到的宇宙微波背景輻射，圖片來自 wikipedia

我們耳熟能詳的宇宙裡面的微波背景輻射，對應的溫度只有 2.7K，需要用巨大的天線才能測量。而人體的體表溫度接近 300K，單位面積輻射熱量的功率是微波背景輻射的一億倍。為了更詳細地計算 [3]，我們使用中國人群平均數據，體表面積約為 1.6㎡，人體核心溫度為 37℃，體表溫度通常為 33℃，人體站立姿態時有效輻射面積約為體表面積的 0.73 倍，環境溫度 25℃，身體裸露時凈輻射功率約為 55W。這個數目真的不小了。同樣，我們也可以估計對流散熱的功率約為 30W。

所以衣服到底有啥用？

Why People Wear Clothes

很多文章裡面都說，衣服的顏色其實很重要，穿不穿衣服也很重要。這在熱學裡面其實也是很有道理的。前面提到了熱輻射佔了主要因素，衣服的顏色越淺，其反射電磁波的能力也就越強，因此在戶外的時候，大家都比較推薦穿淺色的衣服。

風吹xx涼，所以風的影響還是很重要的

但其實真實情況比簡單的分析要複雜，一個常常被大家忽略掉的因素是環境中的風速。曾經有文獻[4]系統地總結了鳥類的羽毛對其散熱的影響。鳥類和人類的散熱也大致相當，輻射散熱佔據了半壁江山，另外半壁江山由對流佔領。講道理大自然中有這麼多黑色的鳥，其沒被太陽曬死，風就佔據了很大的功勞。因為黑色吸收了絕大部分的輻射熱量，這些熱量集中在羽毛的表層，只要環境風速較大，就可以迅速地把熱量全部帶走。

前面提到淺色的衣服反射電磁波的能力也比較強，所以它反射人體自己的輻射的能力也比較強，更多的熱量反而返回給了人體，在外界風較大（>3m/s）的情況下，相比深色就不能發揮更好的作用了。[5]

不穿衣服直接在戶外作業其實一點都不推薦，原因也很簡單，寬鬆的衣服其實起到了很好的隔絕太陽輻射，吸收熱量的作用。在空氣流動之下，衣服的散熱也遠比身體表面散熱要容易很多。

「完了，以後沒有理由裸奔了」

參考資料：

[1] 能均分定理其實也有很大的局限性，比如在解釋固體的比熱容的時候，只能解釋高溫時的數據，而不能解釋低溫時比熱趨近於零的行為。這個一直要到 1907 年，愛因斯坦將量子化假設引入以後才部分解釋了實驗現象，1912 年德拜模型徹底解決了低溫下的情形。

[2] Ludwig Boltzmann - Wikipedia

[3] 康建勝. "從能量角度粗談人體的幾個定量問題." 生命的化學33.5 (2013): 588-595.

[4] Wolf, Blair O., and Glenn E. Walsberg. "The role of the plumage in heat transfer processes of birds." American Zoologist 40.4 (2000): 575-584.

[5] https://physics.stackexchange.com/questions/78616/is-dark-clothes-for-winter-light-for-summer-relevant

來源：中科院物理歲

轉載文章：

本文經中科院物理所 微信號：cas-lop授權轉載，轉載請聯繫出處。

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