Кто согревает теплую одежду?

Чем теплая одежда отличается от холодной? Что или кто согревает нас в шубе, ватнике или пуховике? В этой статье мы расскажем о том, почему одежда «греет», как она это делает, и всегда ли теплая одежда оправдывает наши ожидания

Муки выбора

Выбирая одежду, обувь, белье или головные уборы, мы почти всегда стараемся оценить, насколько вещь теплая. Иногда, например при выборе летней рубашки, такая оценка происходит почти незаметно и вряд ли сильно влияет на покупку. Но часто способность одежды согревать выходит на первый план, и тогда этому вопросу мы уделяем немало времени. Ведь нам необходимо убедиться, что мы не замерзнем, когда полезем штурмовать Эверест или попытаемся добраться на велосипеде до Северного полюса.

Мы придирчиво рассматриваем одежду, оцениваем ее фактуру, толщину и плотность, разглядываем изнаночную сторону, щупаем и мнем, чтобы понять, что у нее внутри. Что же мы ищем, производя эти почти шаманские манипуляции? Неужели секретные источники тепла, которые, словно добрый самаритянин, спасут нас в непогоду? Конечно, большинство из нас, выбирая одежду для города, может вообще не задумываться об этом. Какая разница, почему одежда греет. Тепло, и ладно. А будет холодно — наденем что-нибудь другое.

Но ситуация меняется, когда необходимо подобрать одежду для похода, экспедиции, восхождения или длительного путешествия. В этом случае правильный выбор экипировки становится задачей номер один, ведь мы не можем взять с собой слишком много верблюжьих одеял, бабушкиных носков, овчинных тулупов и шаляпинских шуб. Они, конечно же, гарантированно согреют нас в любую погоду если не порознь, то вместе, но сколько шерпов надо нанять, чтобы они весь этот груз хотя бы спустили на лифте, прежде чем мы потащим его в горы?

 В ожидании шерпов

Согрей самого себя

Разумеется, мало кто из нас действительно думает, что греющая одежда греет сама по себе, если, конечно, речь не идет о довольно экзотичных видах экипировки с электроподогревом.

Источником тепла человеческого организма является сам организм, а задачей теплой одежды является пассивное удержание этого тепла рядом с телом. Или, иными словами, роль теплой одежды заключается в замедлении теплообмена между организмом человека и окружающей средой, чтобы исключить чрезмерные потери тепла и предотвратить переохлаждение.

Мерзнущий человек — это тот, чье тело слишком активно делится с окружающей средой своим теплом.

Для обычного человека, обладающего гомеостазом, — то есть способностью поддерживать температуру тела неизменной при незначительных колебаниях температуры окружающей среды, — нормальным является температурный диапазон этой среды от 27 до 32 °C. То есть для человека одинаково плохи как переохлаждение, так и перегрев.

Источником тепла человеческого организма является сам организм, а задачей теплой одежды является пассивное удержании этого тепла рядом с телом

Заметим, что если температура тела в норме слегка колеблется вокруг известных с детства тридцати шести и шести, то температура окружающей среды — это сплошной акт творческой непредсказуемости Юпитеров, Посейдонов и прочих Кецалькоатлей. Поэтому одежды, подходящей для любых климатических условий, не существует, если вы, конечно, не степной кочевник, спасающийся и от холода, и от солнцепека одной и той же меховой шапкой — малахаем. Да, от жары, оказывается, тоже можно спастись с помощью теплой одежды. Ведь если шуба замедляет отток тепла от тела, то точно так же она поступает и с теплом, стремящимся проникнуть в обратном направлении — от чрезмерно нагретой окружающей среды к организму человека. Такую же работу выполняет забавная войлочная панамка, которая, наряду с березовым веником, является одним из важнейших предметов экипировки любителя попариться в сауне.

Из всего этого следует важный факт: никакая одежда не должна полностью блокировать теплообмен организма с окружающей средой. В противном случае она станет похожа на непроницаемый космический скафандр, к которому подключают специальный кондиционер для поддержания нормального микроклимата. Несчастный космонавт вынужден всюду волочить за собой этот ящик со шлангами, пока не сядет в ракету для совершения подвига. Но мы подвиги космического масштаба пока не совершаем, поэтому вряд ли потащим с собой на восхождение бытовой кондиционер.

 Если парень в горах — не ах…

Итак, одежда, какой бы теплой она ни была, должна, с одной стороны, препятствовать излишнему оттоку тепла от организма, а с другой — все-таки позволять этому оттоку происходить в контролируемых объемах для избежания перегрева.

Обычно это решается комплексно. Во-первых, существенное значение имеет базовый выбор одежды, подходящей для планируемых условий ее эксплуатации. Во-вторых, такая одежда должна быть по возможности модифицируемой, то есть она должна позволять использовать дополнительные утепляющие слои или подстежки. В-третьих, такая одежда должна иметь эффективные средства вентиляции: расстегивающиеся клапаны, специальные вентиляционные отверстия, дышащие материалы и т. д. Все это необходимо для того, чтобы расширить температурный диапазон, при котором данный вид одежды обеспечивал бы человеку комфортные условия.

Мерзнущий человек — это тот, чье тело слишком активно делится с окружающей средой своим теплом

Немного физики для лириков

Но вернемся к вопросу, который мы сформулировали в начале: как греет теплая одежда? Ответ на него дает физика, точнее один из ее разделов — термодинамика, — изучающий, в частности, процессы переноса тепла от одного тела к другому. Так как в этой статье мы рассматриваем принципы действия утеплителей, то нас интересует не общий случай переноса тепла от более нагретого к менее нагретому телу, а частный случай переноса тепла от человеческого организма в окружающую среду, имеющую существенно более низкую температуру.

Физика утверждает — и мы не будем с ней спорить, — что существует три основных способа теплопередачи. Два из них — теплопроводность и конвекция — осуществляются при прямом или опосредованном контакте участвующих в теплообмене тел, а один — тепловое излучение — для переноса тепла использует электромагнитные волны.

На практике это выглядит следующим образом. Прямой контакт теплого тела с холодным приводит к тому, что молекулы более нагретого тела передают свою энергию молекулам менее нагретого тела напрямую, при непосредственном взаимодействии. Так, например, происходит, когда мы берем голой рукой холодный камень или кусок льда. Молекулы более теплого тела, то есть руки, передают свою энергию менее «энергичным» молекулам льда до тех пор, пока их температура не сравняется. При этом лед лишь слегка подтает, а вот руке придется несладко. Многие, наверное, знают  жестокую детскую шутку про язык и металлический поручень на морозе: достаточно лишь на мгновение прикоснуться языком к сильно охлажденному металлу, как влага, содержащаяся на языке, передаст свое тепло железке, охладится, замерзнет и ужасно трагично, смешно и нелепо приморозит язык к какому-нибудь предмету посреди заснеженного двора — турнику или качелям.

 Перенос тепла при непосредственном контакте тел с различной температурой

Опосредованный контакт предполагает, что между телами, участвующими в теплопередаче, есть посредник — вода, воздух или другая более или менее плотная среда, через которую осуществляется передача. В этом случае молекулы более нагретого тела сначала вступают в контакт с молекулами посредника и передают им часть своей энергии. Затем «горячие» молекулы посредника достигают поверхности менее нагретого тела и делятся с его молекулами энергией, полученной от первого тела. Иными словами, молекулы посредника передают тепло перемещаясь от одного тела к другому.

Транспортировка тепла посредником

Скорость передачи тепла зависит от материала тела посредника и называется теплопроводностью. Чем выше теплопроводность материала, тем быстрее он нагревается и остывает и тем эффективнее транспортирует тепло.

Теплая одежда — это одежда, которая создает между поверхностью человеческого тела и окружающей средой зону с низким коэффициентом теплопроводности

От теплой одежды требуется замедлить отток тепла от организма человека в окружающую среду. Для этого необходимо выполнить два условия:

1. Устранить прямой контакт поверхности человеческой кожи с окружающей средой путем введения посредника — одежды;
2. Подобрать посредника (одежду) с таким коэффициентом теплопроводности K, который обеспечивал бы поддержание комфортного температурного уровня организма при определенной разнице температур между телом человека и окружающей средой.

Коэффициент теплопроводности

Таким образом, перенос тепла от более нагретого тела к менее нагретому через посредника тем медленнее, чем меньше молекул посредника участвуют в передаче энергии. Иными словами, человеку тем теплее, чем ниже коэффициент теплопроводности K посредника. Учитывая это, можно предположить, что самая теплая одежда-посредник — это вакуум, то есть среда, в которой отсутствуют молекулы, переносящие тепло.

Вот такой забавный вывод: самая теплая одежда — это полное ее отсутствие, прослойка полной молекулярной пустоты, вакуума, между телом человека и окружающей средой. Изобретатель, который откроет способ удержания небольшого слоя вакуума вокруг живого и активного человека, наверное, получит Нобелевскую премию, но пока ничего более подходящего, чем обычный термос, в этой области не изобретено. Представить восхождение на Монблан в термосе так же трудно, как и штурм Эвереста с кондиционером, поэтому до появления нобелевского варианта придется рассмотреть более трезвые решения этой задачи.

Кто-нибудь хочет полезть в этом на Эверест?

 Итак, теплая одежда — это одежда, которая создает между поверхностью человеческого тела и окружающей средой зону с низким коэффициентом теплопроводности.

Мы уже знаем, что самым низким K обладает вакуум — среда, практически не содержащая частиц какого-либо вещества. Коэффициент теплопроводности вакуума равен нулю. Единственный вид теплопередачи, возможный  в вакууме, — это электромагнитное излучение. Именно поэтому колбы термоса делают зеркальными. Зеркальное покрытие отражает излучение, и теплопередача внутри вакуумной зоны термоса становится еще менее интенсивной. Но поскольку надеть термос на себя мы пока не можем, остается рассмотреть другие варианты.

Физика утверждает, что довольно низким K обладает воздух. В отличие от вакуума с практически нулевым K, воздух имеет K = 0,026 Вт/(м·К). Это значит, что воздух плохо проводит тепло. Если воздушную прослойку достаточной толщины поместить между телом человека и окружающей средой, то мы получим одну из самых теплых одежд, не считая, естественно, термоса. При этом такая воздушная прослойка должна находиться в замкнутом объеме, чтобы не происходило перемешивание ее воздуха с холодным воздухом окружающей среды. Еще лучше, если таких замкнутых объемов будет несколько, чтобы воздух внутри прослойки также не перемешивался.

По правде говоря, представить себе одежду в виде воздушного шара, каким-то чудом скроенную по фигуре человека, не намного проще, чем застегивающийся термос. Воздух не обладает механической прочностью, поэтому в воздушной прослойке должно быть что-то еще, какой-то материал, который, с одной стороны, будет создавать и поддерживать пространственную структуру прослойки, препятствовать перемешиванию содержащегося в ней воздуха, а с другой — не будет значительно влиять на теплопередачу за счет собственного K, то есть не будет создавать так называемые «мостики холода».

Такие материалы известны. На сегодняшний день лидером по удерживанию тепла, то есть материалом, обладающим наиболее низким K, считается гагачий пух. Его значение K =0,008 Вт/(м·К) — и это даже меньше, чем у воздуха. Для сравнения: вата, широко использовавшаяся ранее в качестве утеплителя, имеет K = 0,055 Вт/(м·К), это почти в семь раз выше, чем у пуха гаги.

Конечно, такие экстремальные значения K требуются в основном  для снаряжения, эксплуатируемого в не менее экстремальных условиях. В обычных обстоятельствах  достаточно теплой одеждой будет та, в которой K наполнителя не сильно отличается от K воздуха, а таких материалов немало — от искусственных утеплителей до обычной перопуховой смеси, используемой в большинстве пуховых изделий. Величина K для всех этих материалов лежит в примерном диапазоне от 0,024 до 0,039 Вт/(м·К), поэтому все они подходят для изготовления теплой одежды. 

На сегодняшний день лидером по удерживанию тепла, то есть, материалом, обладающим наиболее низким коэффициентом теплопроводности, считается гагачий пух

Если мы обратим внимание на то, какие материалы человечество использовало исторически для сохранения тепла, то при всем их разнообразии — от шерсти животных до современных синтетических материалов и даже аэрогелей — обнаруживается, что их основным свойством является способность связывать и удерживать в неподвижности объемы содержащегося в них воздуха, сохраняя при этом структурную целостность. Эту способность мы и оцениваем, тщательно ощупывая одежду перед покупкой. Меховой ворс шубы, толстые шерстяные свитера, упругие валики пуховика или бутерброды синтетических утеплителей — все подвергается анализу на способность удерживать теплый воздух у горячо любимого организма.

Кроме того, чтобы теплая одежда сохраняла свои греющие характеристики, требуется обеспечить такие условия ее эксплуатации, которые кардинально не изменяют К утепляющего наполнителя. Например, не рекомендуется допускать увлажнения утеплителя, так как вода, во-первых, обладает К = 0,6 Вт/(м·К), что в десятки раз выше К воздуха, а во-вторых, может изменить пространственную структуру утеплителя. Современные утеплители при увлажнении сохраняют свою структуру, но в случае с пухом его намокание и слипание приводят к тому, что про ставшие бесполезными промокший пуховый спальник или куртку легче на время забыть, чем пытаться высушить их в походных условиях.

Резюме

• Теплая одежда греет человека его собственным теплом.

• Чем меньше коэффициент теплопроводности утеплителя К, тем теплее одежда при прочих равных условиях. Лучшим утеплителем по этому показателю считается гагачий пух.

• Для одежды с эффективным утеплителем нужна такая же эффективная система вентиляции, предотвращающая перегрев.

• Следует избегать увлажнения утеплителя, особенно утеплителей на основе натурального пуха.