Friday, 23 July 2010

Tuulesta temmattu?


Piirros: Hannu Era

Kun akateemisen oppituolin haltijat alkavat norsunluutorneistaan käsin selitellä arkipäivän ilmiöitä, epäluuloni normaalistikin aika korkealla oleva tila nousee hälytyslukemille. Varsinkin kuulleessani sanan "arkipäivän fysiikka" poistan jo varmuuden vuoksi varmistimen pistoolistani (tai ainakin otan esille ja teroitan blogikynäni valmiiksi) kenraaliluutnantti T.J.A. Heikkilän innoittamana. Enkä usein suinkaan syyttä. Kuten tänään, jolloin Hesarin kuukausiliitteessä Helsingin yliopiston meteorologian professori Timo Vesala kertoili tuulettimen jäähdyttävästä vaikutuksesta helteellä. Sisältö vastasi hyvin otsikkoa "Tuulesta temmattu?" , mikä onkin välttämätön ehto hyvälle artikkelille.
Valitettavasti ei kuitenkaan riittävä. Joko professori ei itse ymmärrä ihmisen lämpötalouden mekanismia tai sitten toimittaja on ymmärtänyt hänen selityksensä väärin. Ilkeänä ihmisenä epäilyni kallistuu molempien johtopäätösten suuntaan.
professori Vesala kertoo mm., että ”Ilma johtaa lämpöä aivan ihon pinnassa. … Virtaava ilma kykenee kuljettamaan lämpöenergiaa suurinakin määrinä kauempaakin ihon pinnasta.”
Jotta tuulettimen vaikutuksen ihmisen lämmöntunteeseen voisi ymmärtää, niin täytyy tietää muutamia perusseikkoja ihmisen ja ympäristön välisestä lämmönvaihdosta.

Kuuman tai kylmän tunne riippuu siitä, kuinka paljon kehosta lähtee lämpöä verrattuna siihen, kuinka paljon siihen sitä tulee ulkopuolelta. Kevyttä työtä tehtäessä (kuten tätä tekstiä luettaessa) kehosta pois virtaavan nettolämmön ollessa noin 100 wattia ihminen tuntee olonsa mukavaksi. Jos se on suurempi, ihminen palelee. Jos se on pienempi tai suorastaan negatiivinen (kehoon tulee enemmän lämpöä kuin siitä poistuu), niin ihmisen alkaa laulun sanoin tulla tukalasti kuuma.
Lämmön tuntemisessa on toki suuria eroja ihmisten välillä. Jotkut ovat vilukissoja ja toiset eivät siedä lainkaan lämpöä. Sama henkilökin lämmöntunne vaihtelee niin vuorokauden kuin vuodenaikojen mukaan, joten siinä mielessä ihminen on huono lämpömittari. Kaikki ihmiset ovat kuitenkin rakennettu siten, että jonkinlainen lämpöhukka tuntuu mukavimmalta olotilalta. Sen on varsin järkeenkäypää, koska lämpövoimakoneena ihmisen on pakko päästä eroon elintoimintojen tuottamasta hukkalämmöstä ihan samalla tavalla kuin auton tai atomivoimalan. Pääsääntöisesti järkevät elintoiminnot tuntuvat miellyttäviltä.
Keskeisiä mekanismeja lämmönsiirtoon ihmiskeholle on kehittynyt useita. Lämpöä tulee ja menee mm.
1) johtumalla tai virtaamalla ilman välityksellä,
2) säteilemällä ja
3) veden haihtuessa iholta tai tiivistyessä siihen.
4) Veren mukana kuljettamalla. 
Mikä on näiden keskinäinen suhde, riippuu mm. lämpötilasta, kosteudesta ja ihmisen tekemän työn raskaudesta. Alla kaavio eri tekemisten vaikutuksesta jäähdytysmekanismien suhteeseen normaalissa huoneenlämpötilassa (noin 22 astetta).
Kaaviossa lämmön siirtyminen ilmassa johtumalla ja virtaamalla (konvektio) ovat yhdessä. Niiden siirtymismekanismit kun ovat sidoksissa toisiinsa ja monesti vaikeasti eroteltavissa.
























Kaavio: Swegon
Olisi mielenkiintoista tietää, miten kaavion tekijän mielestä kevyt toimistotyö ja normaali toimistotyö eroavat toistaan.

Ihminen säteilee lämpöä aika voimakkaasti, noin 500 watin teholla. Jo pelkästään tämän aiheuttama energiahukka vaatisi vuorokaudessa noin 40 MJ:n ravintotankkauksen. Kun tyypillinen aikuisen energian tarve on noin 10 MJ, niin jossain on oltava laskuvirhe hyväksesi -tai tappioksesi, jos olet laihduttamassa.
Ihminen myös vastaanottaa ympäristön säteilyä, kuten jokainen auringon paisteesta nauttinut tai sitä manaillut tietää. Lähtevän ja tulevan säteilyn erotus on se, joka jää viivan alle. Kelteisillään 20 asteen lämpötilassa oleva ihminen säteilee noin 100 watin nettoteholla, vaatteet päällä oleva suunnilleen puolet tästä. Jos ympäristön lämpötila on sama kuin ihon lämpötila, niin emittoituva ja absorboituva säteily ovat yhtä suuret. Saunassa keho imee enemmän säteilyenergiaa kuin itse säteilee. Säteilyyn ei voi tuulettimen avulla juurikaan vaikuttaa, koska säteilyn ja ilman vuorovaikutus on lähes olematonta.

Lämmön johtuminen ilman välityksellä on yleensä vähäistä. Tähän on syynä kaksi asiaa. Ensinnäkin ilma on luonteeltaan lämmön eriste. Se johtaa huonosti lämpöä. Toiseksi lämmön johtuminen riippuu oleellisesti lämpötilaeroista. Aivan ihon viereen jää muutaman millimetrin paksuinen ilmakerros, jonka lämpötila on käytännössä sama kuin ihon. Tämän kerroksen lävitse lämmön johtuminen on hyvin vähäistä. Edes normaalilla hitaalla liikkumisella ei ole juuri vaikutusta tämän ilmakerroksen pysymiseen ihon vieressä.
Vesalan selityksessä tämä oli kääntynyt aivan päälaelleen. Ilma siis ei johda vaan eristää lämpöä aivan ihon pinnassa. Sen sijaan kauempana ihon pinnasta virtaavalla ilmalla ei ole mitään tekemistä kehon lämpötalouden kannalta. Virtaavan ilman lämmönjohtokyky on ihan sama kuin paikallaan olevan ilman. Virtaava ilma edesauttaa prosessissa vain siksi, että se siirtää ihan ihon vieressä olevan lämpimän ja siksi hyvin eristävän ilmakerroksen syrjään.
Tähän liittyy tuulettimien vaikutusmekanismi numero yksi. Tuuletin puhaltaessaan lämpimän eristävän kerroksen ihon vierestä lisää ilman kykyä johtaa lämpöä. Konkreettisesti tämän havaitsee saunassa. Kun iholle puhalletaan ilmaa (jonka lämpötila ei mitenkään voi olla korkeampi kuin 37 astetta), niin ihoa alkaa suorastaan polttaa. Syy on sama. Nyt lämmönjohtavuutta kehoon päin ehkäisevä ilmakerros puhalletaan pois.

Tehokkain keino kehon lämmönvaihdossa on hikoilu. Mitä enemmän keho lämpiää, sitä suurempi osa lämpöhukasta tapahtuu hikoilemalla. Tässäkin aivan ihon vieressä oleva ilmakerros on selityksen avainasemassa. Se tulee hyvin äkkiä kylläiseksi vesihöyrystä, jolloin hien haihtuminen hidastuu merkittävästi. Virtaava hiki kun ei juuri jäähdytä. Kun ihon lähellä oleva ilmakerros puhalletaan pois, haihtuminenkin lisääntyy ja haihtumisen vaativa suuri energiamäärä jäähdyttää paremmin ihoa.
Saunassa veden haihtumiseen ja tiivistymiseen liittyvät suuret lämpöenergiamäärät tulevat myös helposti ilmi. Hyvässä saunassa lämmöntunne otetaan löylyllä eli ihoon tiivistyvällä vesihöyryllä, ei tulikuumalla ilmalla. Saunassa ihminen huurtuukin kuin kylmä olutpullo kesäisellä terassilla. Oikea fysikaalinen termi tosin olisi kaste, sillä huurre on alijäähtyneestä vedestä pinnoille syntynyttä jäätä, mikä taas usein sekoitetaan virheellisesti kuuraan. Mutta eihän sitä näin kesähelteellä jaksa aina olla niin oikeaoppinen. Edes minä, jolla on pakkomielteenä oikoa muiden, etenkin professorien, tekemiä fysikaalisia virheitä.

9 comments:

  1. Tämän blogin pitäjä on ennenkin yrittänyt nokitella häntä viisaampia ja kokeneempia. Viimeksi valokuvauksesta Suomen johtavaa kuvajournalistia Jore Puusaa. Siitä seurasi surkea mahalasku Joren palauttaessa muutamalla terävällä sivalluksella Suvannon ja kumppanien ammattikuvaajia herjaavan "kirjan" maan pinnalle.

    http://puusa.blogspot.com/2009/02/ahneuden-ylistys.html

    Käykäähän katsomassa, jos haluatte nauraa. Ennustan tässä käyvän Suvannolle juuri samoin. Itse en ymmärrä kemiasta juuri mitään, mutta aina ennemmin luotan professoriin kuin harrastelijoihin.
    Tosin en usko tämän tekstin koskaan läpäisevän blogin pitäjän sensuuria.

    ReplyDelete
  2. I don't care what they say about me as long as they spell my name right!

    ReplyDelete
  3. Olipa ilkeämielinen kommentti Merjalta. Samoin kuin linkin takana ollut kirjoitus. Tuntuu kuin näillä kahdella olisi jotain erityistä hampaankolossa Timo Suvantoa vastaan.
    Onhan Timon tekstit väliin aika ärhäköitä, mutta hän sentään perustelee näkemyksensä. Toisin kuin yo. linkkiä pitävä Jore Puusa niminen henkilö, nähtävästi valokuvaaja. Hänen tarkoituksensa tuntuu olevan kaikkien vähänkin hänen ajatusmaailmasta poikkeavien täydellinen nollaaminen sekä ajatuksiltaan että ylipäätänsä ihmisinä.
    Toivottavasti hänen kohtalonsa ei ole yhtä surkea kuin Toni Halmeen, joka väitti että "Jumala armahtaa, minä en". Nyt Tonillekin on sitten selvinnyt, on Herramme ollut armollinen myös hänelle.
    Toivotan Timolle voimia jatkaa palstan pitämistä. Seuraan sitä säännöllisesti, vaikka en olekaan Timon huumoriin erityisen ihastunut. Voi jee, tämän taisin sanoa jo kerran aikaisemmin. Ei se mitään. Kertaus on opintojen äiti.

    ReplyDelete
  4. Kuten sanoin: "I don't care what they say about me as long as they spell my name right!" Enkä ole sen oikeinkirjoituksenkaan suhteen niin hirveän pikkumainen. Eräässä EU-kokouksessa etsiskelin tovin paikkaani. Kun jäljelle jäi vain nimilappu, jossa luki "Tori Siurato", oletin sen olevan tarkoitettu minulle. Jos olisin ilmoittautunut kokoukseen puhelimitse tai käsinkirjoitetulla kirjeellä, niin olisin voinut jotenkin ymmärtää kirjoitusasun. Nyt se jäi arvoitukseksi.

    ReplyDelete
  5. Merjan kommentti on aika käsittämätön (paitsi ilkeämielinen) sikälikin, että Puusa on minun laskujeni mukaan 0-6 häviöllä tässä otattelussa. Kamppailulajeissa kun ilmaan huitomista ei pidetä minään, vain osumat lsaketaan.

    ReplyDelete
  6. "Tämän blogin pitäjä on ennenkin yrittänyt nokitella häntä viisaampia ja kokeneempia. "
    "Itse en ymmärrä kemiasta juuri mitään, mutta aina ennemmin luotan professoriin kuin harrastelijoihin. "

    Haha! Auktoriteettiperustelu on ainoa oikea perustelu!
    Fysiikassa on se hyvä puoli, että jos on oikeassa, niin ON OIKEASSA. Ja Timo S:n perustelu on kaima-professoria parempi.
    Kuten myös edellisellä kerralla, kun kyse oli helium-ilmapallosta autossa ja "vastaväittäjänä" oli prof. Kari Enqvist.

    Bottom-line: Merja pitää T.S.:ää harrastelijana, eikä ilmeisesti ymmärrä, millaisen ymmärryksen fysiikasta saa, kun rakentelee erilaisia demoja työkseen vuosikausia Heurekassa. Tällainen perusfysiikan ymmärrys voi helposti ylittää kapeaan fysiikan alaan erikoistuneen professorin.

    ReplyDelete
  7. Merjan kommentista vielä sen verran, hän viittaa Sakari Mäkelän, Olli Rinteen ja minun kirjaan "Digikuva - myynti, osto & käyttöoikeus". Kyseinen opus sai mainitun Jore Puusan blogissa tyrmäävän arvion, jonka keskusteluineen jokainen voi tietysti käydä Merjan antamasta linkistä lukemassa.
    Nettikeskustelu on siinä mielessä mukava urheilulaji, että jokainen voi julistautua siinä voittajaksi. Omilla kriteereillään, jotka ovat aina niiden ainoiden oikeiden sääntöjen mukaiset.
    Kritiikin kärki oli väittämässä, että kirjamme on moraaliton, koska sen johdosta ammattikuvaajat jäävät työttömiksi ahneiden amatöörien viedessä markkinat polkuhinnoilla. Tämä on Joren vakiovirsi, jota hän veisaa kaikilla mahdollisilla ja joillakin aika mahdottomillakin foorumeilla. En halua tässä enkä muuallakaan jatkaa toivotonta keskustelua aiheesta. Oma kantani asiaan näkyy kirjassamme.
    Laitoin kuitenkin 1½ vuotta sitten pienen vastineen hänen kirjoitukseensa, johon Jore vastasi tuttuun asialliseen tyyliinsä, hän kun haluaa keskustella asioista, ei henkilöistä: "Kylläpä sinuun Suvantoon koski pahasti.
    Toivon että toivut siitä, että joku Suomessa uskaltaa olla eri mieltä kanssasi."
    Kuten kamppailulajeissa yleensäkin, osapuolet ovat eri mieltä iskun osuvuudesta. Jore piti varmaan sitä ilmat pihalle ajanvana alakoukkuna suoraan palleaan. Minusta taas se oli puhdas huti, sillä minut paremmin tuntevat tietävät, että mikään ei ilahduta minua niin kuin saada olla eri mieltä;-)

    Mikaelille kommentoisin, että en ole rakennellut Heurekassa demoja vuosikausia. Olen ollut talossa töissä pari lyhyehköä ajanjaksoa ja niiden ohessa tehnyt siellä firaabelina sitä sun tätä. Mm. ottanut valokuvia. Arkipäivän fysiikassa katson olevani jokin sortin asiantuntija useiden sitä käsittelevien kirjojen ja satojen lehtijuttujen jälkeen. Kun ikääkin on jo kertynyt, niin monen moista on tullut puuhattua fysiikan opetuksen ja popularisoinnin ympärillä. Mm. otettua valokuvia. Myynnissä Heurekan tiedekauppa Magneetissa on vielä kirjanen Limulintu. Sen voi myös tilata täältä
    http://www.kolumbus.fi/timo.suvanto/kirjanmainos/mainos.htm

    ReplyDelete
  8. Lämpövoimakoneella tarkoitetaan kyllä laitetta, joka muuttaa lämpöenergiaa työksi, kuten auton moottori tai lämpövoimalaitos. Kaikkea lämpöä ei saada muutettua työksi, jolloin osa sitä on saatava koneesta ulos. Muuten se lämpenisi ylikuumaksi.
    Ihminen tekee työtä soluihin varastoituneen kemiallisen energian avulla. Osa tästäkin energiasta muuttuu lämmöksi. Prosessi on aika monimutkainen, mutta kuten sanottua lämpövoimakoneena ei "ihmiskonetta" voida pitää.
    Täällä tarkempaa tietoa solujen energian käytöstä sitä kaipaaville.
    http://www.solunetti.fi/fi/solubiologia/metabolia/

    ReplyDelete
  9. Tottahan Kalevi haastelee. Eipä minulla ole juuri muuta kommenttia kuin että otetaan opiksi ja koitetaan ensi kerralla olla tarkempia. Eihän nämä blogit mitään kiveen hakattua tekstiä pidä sisällään.
    Kiitokset kuitenkin asiallisesta korjauksesta.

    ReplyDelete