Je leest:

Temperatuur en bewegende lucht

Temperatuur en bewegende lucht

Auteur: | 1 januari 2002

Bij windsnelheden van meer dan honderd kilometer per uur ervaart de mens de temperatuur anders dan een digitale temperatuursensor.

De temperatuursensor aan de buitenkant van een vliegtuig geeft tijdens de vlucht steeds te hoge waarden aan. Wil je de werkelijke waarde kennen, dan moet je de snelheid van het vliegtuig mede in rekening brengen. De mens daarentegen ervaart bij hoge windsnelheden een koelere temperatuur.

Trage en snelle moleculen

In een gas lopen de snelheden en bewegingsrichtingen van de individuele moleculen sterk uiteen. Het is onmogelijk de wetten van Newton toe te passen op elk van de talloze moleculen van het gas. James Clerk Maxwell (1831 – 1879) koos voor een statistische benadering.

In 1859 ontwikkelde hij een formule voor de meest waarschijnlijke snelheidsverdeling in een gas. De grafiek laat zien dat de snelheid van de meeste moleculen niet ver van het gemiddelde ligt. Voor een gegeven gas hangt de verdeling van Maxwell alleen af van de temperatuur. Figuur 1 vertoont de snelheidsverdeling van watermoleculen voor vier verschillende temperaturen. Bij verhoging verschuift de hele snelheidsverdeling naar rechts.

Bij elke temperatuur bestaan er langzame en snelle moleculen. Maar wanneer de temperatuur stijgt, worden de deeltjes gemiddeld sneller. We kunnen gerust zeggen dat de temperatuur een maat is voor de gemiddelde kinetische energie van de moleculen.

Figuur 1.Maxwell-Boltzmann verdeling van snelheid van watemoleculen bij vier verschillende temperaturen. Bron:University of California San Fransisco

Sensor

Een vliegtuig in de lucht raast met een grote snelheid recht op de luchtmoleculen af waardoor de snelheden waarmee de moleculen hoog in de atmosfeer het vliegtuig raken veel groter worden. De sensor op deze grote hoogte ‘denkt’ dat de deeltjes in zijn omgeving sneller zijn gaan bewegen en hij zal een temperatuur aangeven die hoger is dan de werkelijke luchttemperatuur. Bij deze ‘frontale’ botsingen staan de moleculen energie af aan de sensor. Er wordt een te hoge temperatuur gemeten wanneer meer energie wordt aangevoerd dan wat de sensor kan afstaan.

Hoe ervaren wij temperatuur?

Een heldere, windstille dag in de maand maart met een temperatuur rond de 20 oC ervaren we, na een lange en strenge winter, als heel aangenaam. Maar tijdens de zomer kan bij een stijve bries deze zelfde temperatuur als heel onaangenaam en koud aanvoelen.

Paul Siple en Charles Passel, meteorologen uit Canada en de Verenigde Staten, kwamen het eerst op het idee om de invloed van de windsnelheid op de temperatuur die wij dan ervaren te onderzoeken. Oorspronkelijk diende dit onderzoek militaire doeleinden. Men wilde Amerikaanse soldaten, die in 1941 in Antarctica gestationeerd waren, beschermen tegen bevriezing, die vooral optrad bij sterke wind en niet zo’n lage temperatuur.

Men experimenteerde met een plastiekemmer met 1/4 liter water er in. Die emmer werd bij verschillende windsnelheden buitengezet. Hoe sneller het water bevroor, hoe ‘kouder’ de wind blies. Naderhand werd in de jaren zeventig het model verfijnd. Ons lichaam zit immers ingewikkelder in elkaar dan een pan met water. Elke persoon reageert anders naargelang zijn leeftijd, gezondheid, aard van de activiteit, enz.

Eén van de manieren waarop ons lichaam warmte verliest is door infrarode straling. Andere manieren van warmte-uitwisseling zijn warmtegeleiding, convectie en verdamping van zweet waardoor de huid afkoelt. Men hield rekening met al deze factoren en zo kwam men tot de zogenaamde Wind Chill indexof gevoelstemperatuur.

De wind chill index geeft aan in welke mate je warmte verliest, maar geeft niet de temperatuur aan van bijvoorbeeld je vingers of van de radiator van je wagen. Plaats je een glas water in een ijskast bij 4 oC en een tweede glas met dezelfde hoeveelheid water buiten waar het op dat moment ook 4 oC is en waar een wind blaast met een snelheid van 6 m/s dan zal het glas buiten sneller afkoelen. Het water zal echter nooit bevriezen alhoewel de wind chill index -7oC bedraagt.

Isolerende laag

De lucht voelt kouder aan naarmate ze sterker in beweging is. Op een windstille dag vormt zich een dunne, warmte-isolerende laag van stilstaande lucht om onze huid. Deze isolerende laag beschermt ons lichaam tegen te snelle warmte-afvoer. Maar zodra het begint te waaien, verdwijnt deze warmte-isolerende laag. Alhoewel de luchttemperatuur dezelfde blijft, zullen we de koude meer ervaren. Bijvoorbeeld een luchttemperatuur van + 2 oC bij een windsnelheid van ongeveer 20 kilometer per uur voelt aan als een temperatuur van – 7 oC op een windstille dag. De relatieve vochtigheid speelt ook een belangrijke rol bij de warmte-afgifte van het lichaam, omdat vochtige lucht de warmte beter geleidt dan droge lucht. Wanneer deze toestand lang aanhoudt, begint het lichaam tekenen van uitputting te tonen. Deze toestand staat bekend als hypothermie. De meeste gevallen van hypothermie doen zich voor bij luchttemperaturen tussen 0 en 10 oC. Dit komt doordat mensen zich niet realiseren dat natte kleding bij winderig weer de warmte-afgifte door ons lichaam versterkt, hoewel de temperatuur boven het vriespunt ligt.

Waterdicht, winddicht en ademend

Ook de kleding speelt een rol. De beschermende werking van kleding berust in principe op het vasthouden van een warmte-isolerende luchtlaag om het lichaam. Het warmteverlies wordt het meest getemperd door kleding die veel stilstaande lucht bevat. Los weefsel voldoet hieraan.

De kleding moet bescherming bieden tegen koude, wind, regen en tegelijkertijd de warmte en vochtigheid die ontstaat tijdens het bewegen, afvoeren. De laatste jaren hebben nieuwe technische ontwikkelingen in de vezelindustrie het mogelijk gemaakt om stoffen te ontwikkelen die dit alles zeer goed kunnen.

Teflon vertoont bij oprekken over een heel bijzondere eigenschappen. De minuscule poriën van 0,2 micron laten waterdampmoleculen wel door maar houden de veel grotere waterdruppels tegen. Met andere woorden: waterdruppels dringen niet door, maar transpiratiedamp wel. Na verbinding van de nieuwe stof met een bovenlaag kon kleding worden gemaakt die winddicht, waterdicht en ademend was. Andere experimenten met een losse bovenstof, een microporeuze tussenlaag van Goretex en een voering maakten meer elegante en comfortabele toepassingen mogelijk.

Dit artikel is eerder verschenen in nummer 1 uit de jaargang 2002 van het blad Archimedes.

Dit artikel is een publicatie van Archimedes.
© Archimedes, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 januari 2002

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.