EMANの物理学 過去ログ No.9325 〜

 ● サウナ

  投稿者:fnbo - 2010/05/13(Thu) 20:04  No.9325 
{サウナの温度は100℃、ナゼ火傷しない?}前から気になっていた事を思い出して調べてみました。(素朴ですみません)
1.熱伝導率の違い 空気は水より熱が伝わりにくいから
2.人間は汗をかくから

一般的にこの2点で説明されてるようですが1は温度計も人間もサウナ室内
なので同じです。2は温度計は汗は流しませんが蒸気が付着します。

人間と温度計自体の条件の違いが原因なのは考えられるところですが、
よくわかりませんでした。

  投稿者:fnbo - 2010/05/13(Thu) 22:54  No.9326 
自問自答になるが、以外な点で
人間と温度計自体の条件の違いを見つけることができました。
人間は発熱をしているが温度計は発熱していない。
なんだかなあ?

  投稿者:EMAN - 2010/05/14(Fri) 00:58  No.9330 
 例えば、
「温度計も人間もサウナ室内なので同じ」というのは正しいだろうか?

 人体は体温を一定に保とうとするので、
温度を低く保つように何らかの努力をしているかも知れない。

 そして、その人体のすぐ周りの空気は100度なんだろうか?
 人体によって冷まされているかも知れない。

  投稿者:EMAN - 2010/05/14(Fri) 01:18  No.9331 
 ああ、今さっき自分が言ったことって、
1.2.と同じことを言葉を変えて言っただけだよなぁ。

  投稿者:TOSHI - 2010/05/14(Fri) 02:59  No.9332 
 単純に比熱,熱容量が違うからかな?

 摂氏100度の部屋の中に60kg,40度くらいの水を入れたドラム缶置いても100度の空気だけでは温度上げるのは大変でしょう。

 体重60kg,体温40度程度の人間主成分は水でしょうから1度上げるのに6万カロリーくらい?

 これなら,まわりが水だと(100−40)=60度で割って水1kg=1リットルで1度上がるけど空気の比熱をWikiでしらべたら定圧比熱Cp=0.24(cal/g・K)くらいなので温度差60度では質量で約5kgの空気=体積で約5000リットル=5m^3が1度上昇に必要。。

 したがって,空気の効果はゴミだけど長時間だと熱平衡に達して温度計と同じになっちゃうはずだから耐えられないでしょう。

 しかし,体表面の汗による「潜熱=気化熱」は子供のときに習った記憶だとまわりが100度なら539(cal/g)でした。

 1ccの汗でこれなら1度当たり6万カロリーに対抗するにはコップ半分100ccくらいの発汗で十分?だ。。。ちょっと暗算,本当かな?

                         TOSHI

  投稿者:fnbo - 2010/05/14(Fri) 08:40  No.9333 
EMANさTOSHIさん返答ありがとうございます。
>人間主成分は水でしょうから
温度計との相違ですね、一要因として納得しました。

  投稿者:kafuka - 2010/05/14(Fri) 08:57  No.9335 
>人体は体温を一定に保とうとするので、
>温度を低く保つように何らかの努力をしているかも知れない。
僕も、そんな生化学反応(吸熱反応)があるのではないか、と思い、
生理学の研究者に お訊きしたのですが、
思いつかないそうです。
http://blogs.yahoo.co.jp/nabeshi2002jp/60575118.html のコメント

物理的には、同じことですが、
犬は、汗腺がないので、呼気による 舌、口腔からの蒸発で体温調整するようです。
ヒトの場合も、呼気がかなり、熱を奪っているのではないか
と想像します。
それなら、逆に、吸気によって、ますます体温が上昇しそうです。
僕なりの答えは、考えてありますが、
fnboさん、時間があれば、考えてみて下さい。

追伸:
100℃のサウナは、普通、やけどしませんが、
100℃の湯につかると、瞬間で やけどします。
この違いも、TOSHIさんの答えから わかりますね。

  投稿者:fnbo - 2010/05/14(Fri) 09:10  No.9337 
こんにちは
>kafukaさん
犬は、汗腺がないので、呼気による 舌、口腔からの蒸発で体温調整するようです。
ヒトの場合も、呼気がかなり、熱を奪っているのではないか
と想像します。

体内中で水分子に既に熱を譲渡して体外に排出するという事ですか。
納得しました。

  投稿者:サンマヤ - 2010/05/14(Fri) 09:36  No.9339  <Home>
投稿ついでに、自分の考えを書かせてもらいます。
たぶんTOSHIさんの書かれていることが本筋なのではと思いますが。

最初にあげられている2点ですが、
1.空気は熱伝導率が低い
ずっとサウナの中にある温度計は熱に敏感なように作られていますから、
(これは熱容量が小さく、少量の熱伝導で平衡になる)
すでに熱平衡状態にあると考えられます。
熱伝導の低さは、人間が入ったときに熱平衡になりにくくしている一因ではあると思います。

2.汗をかく
fnboさんは温度計にもつゆがつく、とおっしゃっていますが、
汗とつゆはまったく別ものです。
つまり、つゆは空気中の水蒸気が凝固したものですが、
汗は体内からでるものです。
つまり、体内から熱を持つ汗を排出することによって、
直接的に排熱を行う機能をもっています。
その上で、蒸発熱によって表面から熱を奪います。
これも大きな理由になっていると思います。
温度計の表面でも蒸発はおきていると思いますが、
ガラスの表面のようなツルツルしたものの上と、
皮膚のような凹凸のあるもの上では、
後者のほうが蒸発がよりおこりやすい、という違いも、
要因の一つにあるかもしれません。

そして一番の理由は、やはり熱容量の違いでしょう。
人体は少しの温度変化で、空気をずっと冷やすことができます。
人体に触れた周囲の空気の温度は、ほぼ体温と同程度まで下がっていると考えてよいかと思います。

私の考えはこんな感じですが、いかがでしょうか。

  投稿者:fnbo - 2010/05/14(Fri) 09:47  No.9340 
こんにちはサンマヤさん
サウナでの火傷しないことと体温の恒常性について、
いくつかの要因をあわせて、おおむね理解できました。
ありがとうございました。


  投稿者:yuya - 2010/05/14(Fri) 09:54  No.9341  <Home>
kafukaさん:

kafukaさんは理解されているかも知れませんが、
生理学者さんに質問の意図が伝わっていないように見えるので、ちょっと補足を。

水の蒸発はれっきとした吸熱変化ですよね。

もしも蒸発が起こらなければ
温度上昇を引き起こしてしまうところだったエネルギー(つまり熱)を、
気体という「状態」の形で蓄えて水蒸気に持たせて、体外に放出するわけです。

つまり吸熱変化が体の放熱を担っています。

化学変化の系からみた吸熱・発熱と、
生物個体と外界のやりとりとしての吸熱・発熱(放熱と言うのかな)とは違う、ということですね。

どーでもいいけど、「吸熱/発熱反応」という言い方は正しいのかなぁ?
「吸エネルギー/発エネルギー反応」なら分かるんだけど(脱線失礼)。

  投稿者:kafuka - 2010/05/14(Fri) 09:55  No.9342 
全くの蛇足ですが、

>汗とつゆはまったく別ものです。
>つゆは空気中の水蒸気が凝固したもの
なので、
水蒸気が つゆ になる凝固熱で、温度があがり、
つゆの蒸発熱で、温度が、同じだけ下がります。
したがって、つゆ の効果は、関係なくなります。

Yuyaさん

>「吸エネルギー/発エネルギー反応」なら、、、
どうも化学の方では、「吸熱/発熱反応」というらしいです。
僕は、30年前ですが、そう習った記憶があります。
Wikipedia にも、載っています。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%90%B8%E7%86%B1%E5%8F%8D%E5%BF%9C


一般に、生体では、過去に蓄えたATPによって、いろいろな反応が進みますから、
一概に、吸熱反応はあり得ないわけではないなぁ
と思ったのです (はずれたようですが)

  投稿者:yuya - 2010/05/14(Fri) 10:22  No.9343  <Home>
あ、すみません、kafukaさんの用語の使い方にツッコミを入れているのではなくて、
化学でそう表現されること自体に疑問を感じていただけです。

いずれにしてもfnboさん、本筋から外れてしまってすみません。

>体内中で水分子に既に熱を譲渡して体外に排出するという事ですか。
>納得しました。

という理解に同意します。

  投稿者:fnbo - 2010/05/14(Fri) 10:36  No.9344 
>水蒸気が つゆ になる凝固熱で、温度があがり、
つゆの蒸発熱で、温度が、同じだけ下がります。
したがって、つゆ の効果は、関係なくなります。
No.9342 kafukaさんより

よくわかりました。サウナでの放熱要因はほとんど発汗による

犬は(横隔膜をうごかす)呼吸回数を増やし排熱するしかないが、
人は発汗に伴う気化熱の二段構えがあるということですね。

  投稿者:甘泉法師 - 2010/05/14(Fri) 10:59  No.9346 
こんにちは。東北大学サイエンスカフェ
http://cafe.tohoku.ac.jp/html/answer/answer14.html
4.プラズマの温度は高いのに金属は溶けないの?
の説明が一部こちらにもあうように見ましたので紹介します。
=甘泉法師=

  投稿者:明男 - 2010/05/14(Fri) 11:01  No.9347 
やけどをしない理由としては、今までの議論ではあまり出てこなかった見方として、人間の身体をシステムとして見ることもありかな、と思います。
まあ、茶飲み話程度のことですが。
基本は恒常的な体温維持ですが、体温は発熱しなければ外気温が低ければその温度になってしまうので、基本的には温度を上げようとする機能です。とすれば、外気温が上がれば、kafukaさんの考えられた吸熱反応は無くとも、発熱を抑制することはありそうです。発熱には筋肉以外に褐色脂肪細胞などの発熱体がありますから、それを抑制することによって相対的に温度を下げられます。また、熱交換の大きな部分は血流が担っていると思われますが、温度が上がれば毛細血管を拡張し血流を増し、そこから熱を排出しようとします。これが皮膚を通して外部へ熱を移動させるためには、皮膚温度を下げる必要があるため発汗を促がします。
つまり人体は温度計などとは違って(血液)水循環による熱交換システムであるため、生理的にも温度変化が起きにくくなっているのではないでしょうか。
話は飛躍しますが、地球生物が生まれた大きな理由のひとつが水の存在であり、その熱容量(比熱)の大きさが生命の維持に有利であることは、タンパク質の熱性変化(つまりやけどやね)を抑えるために必要だったのでしょうね。

  投稿者:hirota - 2010/05/14(Fri) 11:07  No.9348 
サウナの汗なんて蒸発してない様に見えるけど、気化熱なんて関係あるのかな?
呼吸したところで空気の方が高温なら排熱できないでしょう。
サウナで気化熱が効くかどうかは扇風機 (ウチワでも良い) を使えば分かるが、使った人いますか?
(扇いで冷えれば気化熱が効いてる)

  投稿者:kafuka - 2010/05/14(Fri) 11:48  No.9351 
Hirotaさん

>サウナの汗なんて蒸発してない様に見える
サウナの場合、汗は、瞬間的に蒸発しているから、皮膚は乾燥している
と、昔、どこかで読みました。

>扇いで冷えれば気化熱が効いてる
かどうかは、? です。
皮膚の表面の、温度がほとんで体温と同じ空気層(アナロジーで言えば止水域って感じ)が
吹き飛ぶので、高温の空気が、どんどん当たる
しかし、しみ出す汗の量は、そう変わらない。
したがって、温度が上がる と思います。