本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：喜歡睡涼席的小明，編輯：Garrett，原文標題：《炎炎夏日三大寶，涼席空調和西瓜！》，題圖來自：視覺中國
最近幾天，全國各地陸續(xù)迎來高溫天氣：
（華北好熱嘞）
(資料圖)
在這炎炎的酷暑夏日，能夠救小編小命的唯有冰冰的空調加涼涼的西瓜！
除此之外，睡覺時鋪蓋一床涼席，更是絕佳的夏日避暑神器！
感受著涼席帶來的涼爽，也勾起了小編的好奇：
涼席是如何讓人感到涼爽的？不同材質的涼席會有什么影響？
今天小編就帶大家一探涼席的原理吧！
熱量從哪來？到哪去？
我們接觸不同溫度的物體時會有冷熱的感受。能感受到熱是因為溫度高的物體中的熱量流向人體，相反的，我們能感受到冷或凉當然是人體的熱量流向更低溫度的物體。
這容易使人誤解溫度高的物體具有更多的熱量。在19世紀40年代以前，科學家們也是這樣認為的，這就是大名鼎鼎的熱質說理論。
后來人們才將溫度與熱量的概念辨別清楚，此后，“科學得到飛速的發(fā)展”——愛因斯坦[1]。
這一點在生活中也很好理解：我們接觸相同溫度的不同物體時，冷熱的感覺會不一樣。
比如在冬天時，用手觸碰鐵欄桿比觸碰旁邊的樹木感到更凉。在夏天，同樣的室外三十多攝氏度的高溫，下雨之前的悶熱，或者濕度更大的地區(qū)往往會讓人感到更熱。
從微觀上來理解，溫度是處于熱平衡系統的微觀粒子熱運動強弱的量度。
所有的宏觀物體都是由大量的微觀粒子組成的，而這些微觀粒子每時每刻都在運動，被稱為熱運動。微觀粒子熱運動的平均動能與溫度的關系為：
溫度高的物體粒子熱運動更快，當與溫度更低的物體接觸時，更快的粒子碰撞慢的粒子使其運動加快，從而完成了熱量傳遞。
分子熱運動示意圖，圖源：維基百科
所以，熱量實際上就是不同溫度物體間傳遞的能量。
為了清晰地描述這一現象，傅里葉提出了描述熱傳導的傅里葉定律。定義Q為單位時間能通過物體橫截面的熱量：
可以看到熱量的傳導過程除了與溫差dT有關外，還與一個特定的常數κ有關。這個常數是熱導率。
不同的材料具有不同的熱導率。材料的熱導率也會隨著溫度的變化而變化。
在這里給大家列出一些常見材料的熱導率：
常見材料的熱導率，來源：參考文獻[1]
可以看到，金屬的熱導率比木材的熱導率大得多，所以熱量傳遞更快。
所以冬天時，在相同的時間里，對于相同溫度的金屬和木材來說，人體向金屬比向木材傳遞更多的熱量，這就是我們感受到鐵欄桿更凉的原因。
與此同時，由于水蒸氣的導熱率比空氣小。所以，濕度越大，人體向空氣中散熱越困難，從而感到更熱。
除了熱傳導以外，物體間熱量的傳遞過程還包括熱對流和熱輻射。熱對流主要發(fā)生在流體比如空氣、液體中，是通過流體流動來實現傳熱過程。
對流傳熱和熱傳導過程類似，其單位時間內傳遞的熱量也與溫差呈正比，其經驗公式為牛頓冷卻定律：
其中h為熱適應系數。
把熱傳走就是凉
回歸正題，我們感受到的涼席的涼爽，主要就是來自于人體與涼席之間的熱傳導。
目前市面上的涼席種類主要有：竹席、再生纖維素纖維涼席、亞麻涼席、皮涼席、草席、藤席等。
以竹席為例，毛竹的導熱系數約為0.3~0.5Wm-1K-1[2]，所以相比于空氣，人體更容易向竹席中傳遞熱量，從而有冰涼的感覺。
除此之外，涼席的表面結構也會影響熱量的傳導效率，但是厚度對皮膚與編織物瞬時的熱量傳遞影響不大[3]。
比如說，涼席表面越光滑，其與人體皮膚接觸的面積就越大，傳導的熱量就更多，所以皮膚的接觸涼感就越強。
制作涼席的材料除了選用熱導率較高的材料以外，還要保證材料自身升溫慢。這需要滿足兩個條件：
第一點是材料的比熱較大。比熱是指單位質量的物體升高或降低單位溫度所吸收或放出的熱量：
如果選用的涼席的比熱較大，涼席可以從人體吸收更多的熱量而升高較少的溫度，所以才可以保持長時間的涼爽。
在室溫環(huán)境下，常見毛竹的比熱大小為：0.8~1.6J(goC)-1[4]。
作為對比，常見的金屬和水的比熱為：
參考自文獻[1]
所以，相比于金屬，竹子的比熱更大，更不易受到人的體溫影響。
第二點則是保證涼席散熱快。這需要合理的結構設計。
編織涼席一般具有很多空隙，對于纖維編織物來說，纖維集合體內部還存在著很多氣孔，里面存在空氣。所以，涼席內部的熱傳遞過程十分復雜，包括纖維和空氣、水分之間的熱傳導，纖維空隙之間的熱對流，涼席自身的熱輻射等過程。
例如，通過構造特定的編織結構，可以控制涼席內部空隙、空隙中空氣的多少，從而改善導熱性能。與此同時，更緊致的編織也會使得涼席內部孔隙變小，從而使導熱性能更好[5]。
不同的織物編織結構以及導熱性能模擬 來源：[5]
把汗吸走就是爽
夏天炎熱的感覺除了直接感受到的溫度以外，還有人體分泌出的大量汗水。
出汗可分為非顯汗和顯汗兩種方式。非顯汗是指人體皮膚表面蒸發(fā)的水分以水蒸氣的形式存在，顯汗就是肉眼可見的汗液[3]。
人體大量出汗時，由于非顯汗的存在，使得皮膚表面附近的空氣濕度大。
一方面，如前所述，空氣濕度越大，人體散熱效率越低，從而感到更熱。
另一方面，空氣濕度大導致汗液更不容易蒸發(fā)，無法通過汗液蒸發(fā)帶走熱量，從而也會感到更熱。
所以，一個好的涼席是否令人涼爽，其濕傳遞性能也尤為重要。也就是涼席對汗液水蒸氣和汗液的吸收傳遞效果。
汗液水蒸氣可以通過涼席中的紗線、纖維內以及纖維間的空氣，通過熱擴散過程從水蒸氣分壓高的一側擴散至水蒸氣分壓低的一側。
熱擴散過程是由于分子的熱運動，分子從數密度高的地方遷移到數密度低的地方的過程。
粒子的數密度n就是指單位空間里微觀粒子的數目。顯然，對于水蒸氣來說，空氣濕度越大，水蒸氣分壓越大，水蒸氣分子數密度越大。
19世紀法國生理學家菲克描述了擴散過程的規(guī)律，某個方向（假設z方向），在單位時間擴散的粒子數為：
其中D為擴散系數，與擴散的粒子有關。
下表給出了常見的氣體擴散系數，其中互擴散是指從一種氣體向另一種氣體的擴散過程。
常見氣體的擴散系數 [1]
這就是描述了涼席的透氣性能。
水接觸不同的物體會有浸潤現象和不浸潤現象。比如水在清潔的玻璃上會攤開，這就是浸潤現象；小水滴在荷葉上形成晶瑩的球形水珠，這就是不浸潤現象。
這種現象與分子間的作用力有關。
當水接觸到物體表面時，我們把固體分子對水中某個水分子A的吸引力的合力稱為附著力，把水中其他分子對這個水分子A的吸引力的合力稱為內聚力。
如果附著力大于內聚力，附著層液面就會向外擴散，增大附著面積，這就是浸潤現象。
反之，如果內聚力大于附著力，附著層液面就會向內收縮，減小附著面積，這就是不浸潤現象。
（a）浸潤與（b）不浸潤示意圖 來源：[1]
這時定義固、液、氣三者共同接觸點處分別作液體表面的切線與固體表面的切線，其夾角被稱為接觸角θ?？梢姡佑|角小于90度為浸潤現象，接觸角大于90度小于180度為不浸潤現象。
接觸角示意圖 來源：[1]
與水發(fā)生浸潤現象的是親水材料，不浸潤的就是疏水材料。
當用親水材料做成內徑細小的毛細管，插入水中，就會發(fā)現管內水面升高，這就是毛細現象。
這是由于浸潤現象，在細管中的水會形成明顯的彎曲面，從而產生一個附加壓強，為了滿足平衡條件，液面需要升高抵消附加壓強的影響。毛細現象使得水更容易進入細小的管道之中。
毛細現象示意圖 來源：[1]
由于編織涼席的纖維結構以及紗線結構中存在大量毛細管，汗液則可以通過毛細作用被吸收傳遞。
我們還可以知道，如果采用纖維編織，則需要用親水纖維編織毛細管，使液態(tài)汗更好地被吸收傳遞，從而揮發(fā)掉。
結語
小小的一床涼席，其背后竟有著如此豐富的物理內涵。每一個環(huán)節(jié)都是人類對世界基本組成原理理解的體現。
在沒有空調、西瓜奢侈的古代，竹席、草席為廣大勞動人民在炎炎夏日中帶來一絲清涼。
隨著進入現代社會，除了涼席以外，在現代科學的指引下，研究著各種夏日涼爽的衣服、織物，正是人們不斷追求更高品質的生活的體現！
參考文獻
[1] 秦允豪，普通物理教程 熱學，高等教育出版社，2010年第三版。
[2] 劉帥等，毛竹導熱系數的神經網絡預測模型，中國農學通報，2011，27(31):53-57。
[3] 暴少帥，軍用涼席織物的設計與性能研究，2014年，北京服裝學院碩士論文。
[4] 吳舒辭等，毛竹竹材幾個熱力學特性參數的測試與分析，中南林學院學報，2004年，第24卷，第5期。
[5] 張潔等，織物結構參數對熱傳遞性能影響的模擬分析，Jornal of SilK， 2019年第57卷第2期。
本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：喜歡睡涼席的小明，編輯：Garrett
