Почему моя рука не обжигается воздухом в духовке при 200 °C?

Для обсуждения важны два момента: воздух сам по себе несет очень небольшое количество тепловой энергии и является очень плохим проводником тепла.

Для первого пункта, я думаю, интересно рассмотреть продукт$\text{density} \times \text{specific heat}$, то есть количество энергии на единицу объема, которое может быть передано за каждый$\text{K}$разницы температур. По порядку величины удельная теплоемкость примерно сопоставима, но плотность воздуха$10^3$раз меньше плотности обычного металла; это означает, что для данного объема имеется гораздо меньше «молекул» воздуха, способных запасать тепловую энергию, чем в твердом металле, а значит, воздух имеет гораздо меньшую тепловую энергию и ее недостаточно, чтобы вызвать у вас опасное повышение температуры.

Скорость, с которой энергия передается вашей руке, то есть поток тепла от других объектов (включая воздух) к вашей руке. При одинаковом количестве времени и открытой поверхности прикосновение к воздуху или твердому объекту приводит к тому, что вы получаете совершенно разное количество энергии, передаваемой вам. Важной величиной, которую следует учитывать, является теплопроводность , то есть энергия, передаваемая в единицу времени, поверхности и разности температур. Я добавил это, чтобы сделать его комментарий более заметным; мой оригинальный ответ следует.

Воздух — очень плохой проводник тепла, причина в том, что молекулы менее сконцентрированы и меньше взаимодействуют друг с другом, как вы предположили (это не очень точно, но в общих ситуациях такой способ мышления работает). Наоборот, твердые тела в целом являются лучшими проводниками: по этой причине нельзя ничего трогать внутри духовки. Учитывая порядок величин, согласно Википедии воздух имеет теплопроводность$\lesssim 10^{-1} \ \text{W/(m K)}$, тогда как для металлов выше как минимум на два порядка.

Я действительно благодарю Zephyr и Chemical Engineer за понимание, которое они привнесли в мой первоначальный ответ, который был намного беднее, но получил неожиданную известность.

Моя первая догадка была такова: природа воздуха (то есть газа) состоит в том, что его молекулы более рассеяны, чем молекулы твердого тела.

Да, но вы можете пойти на несколько шагов дальше. Разреженность молекул имеет два важных следствия:

• Низкая теплоемкость - так как мало молекул для хранения кинетической энергии.

  Воздух имеет теплоемкость около$1\,\frac{\text{J}}{\text{gK}}$. Предположим, что ваша духовка$40\,\text{cm}$куб, ваша рука должна была бы поглотить тепловую энергию

  $$(0.4\,\text{m})^3 · 1\,\frac{\text{J}}{\text{gK}} · (200°\text{C}-37°\text{C}) · 1.2\frac{\text{kg}}{\text{m}^3} = 12.5\,\text{kJ}$$

  чтобы охладить этот воздух до температуры вашего тела ($37°\text{C}$). Твердые тела имеют гораздо более высокую теплоемкость на единицу объема. Например, кусок железа должен был бы весить$186\,\text{g}$хранить ту же энергию (нагревая температуру тела до$200°\text{C}$); это примерно четыре ложки. Теперь прикосновение к ложке при такой температуре обожжет вас, но тепло концентрируется в гораздо меньшем объеме.

• Низкая теплопроводность – так как меньше взаимодействие между молекулами. Однако, в отличие от твердых тел, газы допускают конвекцию, что несколько смягчает этот эффект.

  Чистая теплопроводность (т. е. без конвекции) воздуха составляет около$0.26\frac{\text{W}}{\text{mK}}$, а у железа, например, около$80\frac{\text{W}}{\text{mK}}$. В целом металлы обладают высокой теплопроводностью даже по сравнению с другими твердыми телами.

  С другой стороны, конвекцию, которая вносит основной вклад в теплопередачу в воздухе, труднее поддается количественной оценке.

Чтобы обжечь руку, нужно за короткое время передать ей большое количество тепла. Для этого нужно и тепло, и средства его передачи. Кусок металла гораздо лучше подходит для этой цели, чем объем воздуха, по вышеуказанным причинам.

Следующие повседневные переживания также обусловлены этими или подобными эффектами:

• Если вы бегаете голышом при комнатной температуре, ношение обуви или наличие ковра могут существенно повлиять на ваш комфорт, потому что пол более эффективно отводит тепло от вашего тела, чем воздух вокруг вас.

• При комнатной температуре (и ниже) металл кажется холодным, потому что он отводит тепло от вашего тела быстрее, чем обычные твердые тела или воздух.

• Летом может быть плохой идеей прикасаться к куску металла, подвергшемуся воздействию солнца, потому что он передает тепло вашему телу быстрее, чем воздух вокруг вас и большинство других объектов.

• Не проблема дотронуться до бумаги для выпечки из вашей духовки, потому что она имеет небольшую массу/объем/молекулы и, следовательно, не может хранить достаточно тепла, чтобы обжечь вашу руку.

Ваша рука не обожжена, потому что ее температура не 200 градусов по Цельсию. Если ваша рука останется там надолго, она обожжется (т.е. температура будет высокой). Так что нужно время, чтобы разогреть руку. Есть несколько факторов, которые вы можете учитывать.

Преобладающим теплопереносом является в значительной степени свободный конвективный теплообмен с низкой скоростью теплопередачи. Это относится к теплопроводности, но на самом деле это не так.

Твоя рука не сухая, но в ней вода. При нагревании вода испаряется. Испарение забирает тепло и защищает вашу руку. Если ваша рука мокрая, это еще более безопасно.

Эффект такой же, как от пребывания в сухой сауне, в которой температура воздуха составляет 100 градусов по Цельсию. Пока вы стоите на месте, вы можете находиться в сауне в течение значительного времени, потому что воздух является плохим проводником тепла (положить тело на металл той же температуры, что и в сауне, почти сразу же вызовет ожоги). Но как только вы собираетесь двигаться, вы не можете оставаться в сауне слишком долго из-за переноса тепла конвекцией, которая очень быстро нагревает вас. Попробуйте пошевелить руками в духовке и почувствуйте, как быстро они нагреваются.

Вы можете увидеть тот же эффект в очень холодном воздухе, окружающем вас. Если нет ветра, то можно достаточно долго находиться на холодном воздухе (даже при температуре около 100 градусов), опять же из-за низкой теплопроводности кожи в окружающий воздух. Но когда вы идете по холодному воздуху во время грозы, ветер будет таким, что вы не сможете оставаться на холодном воздухе слишком долго из-за того же переноса тепла конвекцией, которая охлаждает вашу кожу намного быстрее, чем теплопроводность. один.

После того, как духовка поработает в течение нескольких минут, она и воздух в ней достигают заданной температуры (допустим, 200°C, но может варьироваться в зависимости от настроек). Однако для того, чтобы просунуть руку в духовку, вам придется открыть дверцу. Когда вы открываете дверь, горячий воздух выходит быстро. В этом случае температура воздуха внутри духовки не может достигать 200°C, поскольку воздух является плохим проводником тепла, и для его нагрева требуется время. Поскольку у вас открыта дверца, внутренняя часть духовки будет пополняться холодным воздухом по мере того, как горячий воздух поднимается и выходит из духовки. Конечно, все это предполагает, что вы не закрываете дверцу духовки рукой внутри.

Воздух, который сразу же выходит из духовки, когда вы ее открываете, действительно имеет температуру 200°C. Но не может быть в контакте с вашей рукой более нескольких секунд, так как она быстро поднимается. Это слишком мало для того, чтобы воздух мог передать достаточно тепла вашей руке, чтобы причинить вам вред, но не пытайтесь делать это дома.

Воздух не очень хороший проводник. Просто посмотрите на свой торт в качестве примера. Если бы воздух был хорошим проводником тепла, вы бы ели черный пирог!

Обратите внимание, что этот эффект характерен не только для воздуха, но и для любых материалов с низкой теплопроводностью. Например, вот парень, который голой рукой держит светящийся желтым (около 900°C) кусок аэрогеля , только что из печи:

(взято из этого видео на ютубе).

Помимо всех хороших ответов, не упоминается одна вещь: рука активно охлаждается, например, за счет циркуляции крови (а, как известно оверклокерам, жидкостное охлаждение во многих отношениях лучше). Таким образом, рука, вероятно, может оставаться в духовке на неопределенный срок, поскольку у нее есть оставшаяся масса человеческого тела, в которую можно сбрасывать тепло.

Просто чтобы сделать еще один шаг: подумайте о том же эксперименте, но теперь печь заполнена водяным паром при 200 ° C, а не воздухом.

Теплоемкость и теплопроводность водяного пара примерно такие же плохие, как у воздуха. Но ты бы все равно сильно обгорел!

Разница в том, что водяной пар будет конденсироваться на вашей руке, высвобождая скрытую теплоту.

Так что горячий воздух вас не обжигает, потому что его теплоемкость мала (для большого изменения его температуры требуется мало тепла), потому что его теплопроводность мала (воздух плохо проводит тепло от стенок духовки к вашей руке) и потому что он не меняет своего состояния при контакте с вашей рукой.

Воздух недостаточно теплопроводен, чтобы передать достаточное количество тепловой энергии за достаточно короткое время, чтобы его можно было зарегистрировать как особенно болезненное. Попробуйте держать руку там немного дольше, и она может стать слишком хрустящей на ваш вкус.