Почему холодный металл кажется холоднее холодного воздуха?

(Прошу прощения за этот элементарный вопрос. Я плохо разбираюсь в физике.)

Допустим, я поставил металлическую кастрюлю в холодильник на несколько часов.

В этот момент, я думаю, кастрюля и воздух (в холодильнике) имеют одинаковую температуру.

Теперь я трогаю этот горшок. Очень холодно. Но когда я «касаюсь» воздуха (то есть внутри холодильника), он «не кажется» таким холодным. Я не чувствую того же "ой!" что я чувствую, когда прикасаюсь к горшку.

Почему это? Почему металл кажется холоднее воздуха, хотя они оба имеют одинаковую температуру?

(Я знаю, что в газе меньше частиц на единицу объема по сравнению с твердыми телами и жидкостями, но поскольку «температура» означает «среднюю кинетическую энергию», предполагается, что меньшее количество частиц воздуха ударит мою руку со скоростью, компенсируют их меньшее количество, не так ли?)

Связанный вопрос, для уточнения:

Если я использую термометр для измерения температуры кастрюли и воздуха (предположим, что это термометр с зондом, который может касаться предметов), будут ли он показывать одинаковые показания для обоих? Если да, то чем термометр отличается от моей руки? Я имею в виду, что моя рука — это что-то вроде термометра, так почему же он может выйти из строя, тогда как нечеловеческий термометр сработает?

У Veritasium есть приличное видео об этом, он сравнивает форму для торта с самим тортом и книгой и металлическим предметом. Затем он спрашивает разных людей на улице, что они думают youtube.com/watch?v=hNGJ0WHXMyE
Интересно здесь то, что ваша рука — не термометр; термометр измеряет среднее количество тепловой энергии в объекте, но это не то, что вы измеряете рукой. «Ощущение холода» или «ощущения тепла» вашей рукой на самом деле измеряет скорость движения энергии между вашей рукой и объектом, а не среднюю энергию в объекте .
@SWeer, я специально нажал на этот вопрос, чтобы связать это видео Veritasium.
Как также показывает видео Veritasium, для этого вам не нужен холодильник. Сравните воспринимаемую температуру металлического блока (или кастрюли, или лезвия) с температурой блока из пенопласта при комнатной температуре. Металлический блок будет казаться более холодным, в то время как блок из пенополистирола может казаться даже теплее , чем воздух вокруг него, потому что он является таким хорошим изолятором (т.е. плохим теплопроводником).
Разве рука и термометр не измеряют температуру самих себя? Не потому ли термометр реагирует быстрее, потому что он сделан из металла?

Ответы (6)

Короткий ответ:

Термометр измеряет фактическую температуру (одинаковую для обоих), а ваша рука измеряет передачу энергии (тепла), которая у кастрюли выше, чем у воздуха.

Длинный ответ:

Ключевое слово: теплопроводность

Разница заключается в характерном для материала параметре, называемом теплопроводностью . Если вы находитесь в контакте с каким-либо материалом (газом, жидкостью, твердым телом), тепло, являющееся формой энергии, будет перетекать из среды с более высокой температурой в среду с более низкой температурой. Скорость, с которой это происходит, определяется параметром, называемым теплопроводностью. Металлы, как правило, являются хорошими проводниками тепла, поэтому металл кажется холоднее воздуха, даже если его температура одинакова.

Относительно вашего второго вопроса: термометр будет показывать одинаковую температуру. Единственная разница заключается во времени, когда достигается тепловое равновесие, т. е. когда термометр показывает правильную температуру.

Последнее замечание: скорость, с которой тепло (энергия) уходит из вашего тела, определяет, воспринимаете ли вы материал как холодный или нет, даже если температура одинакова.

Для справки, вот таблица, в которой указаны коэффициенты теплопроводности для нескольких материалов:

введите описание изображения здесь

На ночь добавлю, что есть еще две составляющие - теплоемкость среды и ее плотность, которые могут влиять на то, насколько холодной она кажется. Иногда его анализируют с точки зрения температуропроводности.
Версия TL; DR этого ответа такова: наша кожа измеряет передачу энергии, а не температуру.
Так что, если мне очень жарко в солнечный летний день, я должен лежать на серебряной кровати в тени? Сладкий!
@Danu, я думаю, что рецепторы на самом деле реагируют на температуру рецепторов , так как температура является одним из определяющих факторов скорости и интенсивности биологических процессов. Когда вы прикасаетесь к металлу, температура рецепторов быстро падает. Когда вы соприкасаетесь с воздухом, ваше тело способно противодействовать потере тепла, так что рецепторы остаются близкой к своей естественной температуре.
@DavidWilkins Я почти уверен, что это не будет комфортно слишком долго, так как потная кожа очень неприятно прилипает к металлу;)
@JarosławKomar делает очень хорошее замечание - вот почему вы можете взять алюминиевую фольгу прямо из духовки и не пострадать, несмотря на ее высокую проводимость.
@frederic, ты можешь проверить, согласен ли ты с моей правкой? Понравился ответ, но хотел подразнить резюме. Тем не менее, я, возможно, использовал неточный язык, который не совсем правильный - пожалуйста, не стесняйтесь исправлять, поскольку я действительно хотел «предложить» редактирование.
@Jaydles: Все в порядке! Я просто добавил небольшую модификацию.
Вполне естественно начать с краткого обзора, а затем расширить его. Я не понимаю, зачем добавлять совершенно бесполезный шум с «tl; dr:» впереди ... - да, многие люди делают, но зачем тратить впустую в остальном хороший ответ? :-|
Я никогда не понимал этих объяснений; как можно напрямую измерить тепловой поток? Если комментарий @ JánLalinský верен, я думаю, его следует упомянуть, чтобы ответ был полным.
Кстати, @Frederic: если вам нужно внести кучу мелких исправлений, обычно лучше сохранить их, чтобы не редактировать пост много раз.

Я не согласен с мнением, что ваша кожа может измерять теплоотдачу. Он может измерять только температуру, или, если быть более точным, температуру поверхности тела, к которому вы прикасаетесь. Теперь в игру вступает коэффициент температуропроводности: когда вы касаетесь холодного куска дерева (низкая температуропроводность), вы передаете тепло дереву, пограничный слой дерева нагревается и ощущается теплым. Если, напротив, вы прикасаетесь к холодному стальному блоку (высокая температуропроводность), вы также передаете тепло, но тепло быстро передается внутрь металла, и поэтому пограничный слой остается холодным.

По той же причине холодная вода кажется холоднее холодного воздуха.

Действительно, это связано с более высокой теплоотдачей, но кожа не измеряет ее напрямую.

Я бы сказал, что под «мерами» следует понимать «более или менее экстремальные реакции на теплообмен в зависимости от скорости».
@FredericBrünner Это определение слова «мера». А система (кожа или технический датчик) не может реагировать непосредственно на тепловой поток, а только на его воздействие, то есть изменение температуры. Термометр с подогревом будет измерять температуру в воде иначе, чем в воздухе, даже если вода и воздух имеют одинаковую температуру. Он также измеряет теплопередачу?
Я не убежден в этом объяснении, учитывая тот факт, что металлический блок будет казаться холоднее, чем деревянный, даже если вы слегка коснетесь его всего на долю секунды. Я не ожидаю заметного изменения температуры пограничного слоя почти любого материала за такой короткий промежуток времени.

По сути, теплопередача — это то, что измеряет ваше тело. Это видео действительно бьет по гвоздю в голове, что вы задаетесь вопросом

www.youtube.com/watch?v=vqDbMEdLiCs

Наше тело ощущает поток тепла от одного источника к стоку. Когда скорость передачи больше, объект кажется холоднее/горячее. Объекты, акклиматизированные к комнатной температуре, будут казаться более горячими или холодными в зависимости от теплопроводности. Вы можете думать о температуре как о своего рода абсолютной метрике.

Чем больше разница температур, тем горячее или холоднее будет ощущаться объект. Но теплопроводность служит множителем, если хотите. 70-градусный объект, который высасывает через кончики ваших пальцев тот же поток энергии, что и 30-градусный объект, будет иметь более высокую теплопроводность. Это означает, что дельта H будет одинаковой для обоих объектов, даже если T и дельта T различны.

Мы не измеряем Т или изменение Т, а только изменение теплоты.

Ответы, которые существуют только для предоставления указателя на сторонний ресурс, определяются как неответы. То, что вы сделали здесь, немного лучше, потому что вы предложили фразу, обобщающую ситуации, но большинство пользователей Stack Exchange вряд ли оценят такой ответ. Physics SE стремится быть хранилищем качественных ответов на качественные вопросы, а не фермой ссылок.
Я не думал, что мое объяснение будет лучше, чем видео под рукой, но я все равно включу его.

Это сложнее, чем физика теплообмена. Наши тактильные ощущения довольно странные.

Одним из примеров может быть то, что люди могут ощущать «холодный» вкус, а «холодный» влияет на другие вкусы.

Недостаточно исследований, посвященных процессам. Среди множества кожных рецепторов есть несколько, связанных с температурой.

Один тип ноцирецепторов, отвечающих за «опасные» раздражители, реагируют на перепады температур.

Два типа терморецепторов регистрируют разницу между горячим и холодным. Было показано, что холодовые рецепторы реагируют и на согревающие раздражители ... Они также расположены глубже в дермальном слое, что предполагает, что в первую очередь следует ощущать согревающие раздражители.

Есть также луковицы корпускул, которые, как полагают, являются «холодными» на вкус.

Терморецепторы на вашем языке также могут влиять на вкус чего-либо в зависимости от его температуры. Вкус еще более сложен, поскольку он включает в себя как минимум 3 «отдельных» чувства и тот факт, что некоторые вкусовые химические вещества имеют разный вкус при разных температурах. Фруктоза благоприятствует состоянию фруктопиранозы по сравнению с фруктофуранозой при более низких температурах и имеет более сладкий вкус, чем другие распространенные подсластители.

Термометр измеряет температуру через равновесие.

Я заметил, что люди упоминали проводимость, которая, вероятно, является лучшим способом объяснить ее для небольшого диапазона изменений температуры. Как только вы доберетесь до больших градиентов или экстремумов, это будет зависеть от нескольких факторов, в том числе от того, какой из них сработает первым, вторым, третьим и вообще. Затем вы должны рассмотреть латеральное/временное торможение, состояния поляризации, градуированные потенциалы, ворота NT и т. д. Наконец, вы должны рассмотреть, распространяются ли какие-либо из этих сигналов в мозг и как мозг интерпретирует всю эту беспорядочную мешанину...

Это связано с тем, насколько быстро материал может передавать энергию. Для этого есть название теплопроводность.

Цитата из Википедии:

Теплопередача происходит с большей скоростью через материалы с высокой теплопроводностью, чем через материалы с низкой теплопроводностью. Соответственно, материалы с высокой теплопроводностью широко используются в радиаторах, а материалы с низкой теплопроводностью используются в качестве теплоизоляции. Теплопроводность материалов зависит от температуры. Величина, обратная теплопроводности, называется термическим сопротивлением.

Вот некоторые ресурсы для вас:

http://en.wikipedia.org/wiki/Теплопроводность

Это документы, связанные с этой темой. Термическая эффузивность играет очень важную роль в переходных явлениях, таких как прикосновение к объекту в течение очень короткого времени:

E Marín Концепции теплофизики: роль термической эффузивности Учитель физики 44, 432-434 октябрь 2006 г.

Э. Марин Преподавание теплофизики прикосновением. Латиноамериканский журнал физического образования 2, 1, 15-17 (2007)

Почему холодный металл кажется холоднее холодного воздуха?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 29v