Po swoim wpisie na Facebooku zauważyłem, że sporo internautów nie rozumie mechanizmu działania koca termicznego (czyli folii NRC – wynalezionej w latach 70 tych XX wieku przez National Research Corporation do celów zastosowania w kosmosie). Pozwalam wiec sobie na bardziej obszerne wyjaśnienie w tym artykule.
Wydajność koca termicznego i jej zalety
Folia NRC odbija swoimi metalicznymi warstwami do 80% promieniowania cieplnego człowieka, a do tego jest lekka i mała po spakowaniu. Ponieważ dodatkowo jest szczelna i zatrzymuje wiatr, śnieg i deszcz często jest wykorzystywana w sytuacjach awaryjnych i ratunkowych. Nie w sumie znaczenia czy używamy strony srebrnej czy złotej, efekt jest podobny.
Sposoby wymiany ciepła – czyli odrobina Fizyki
Różne obiekty mogą wydzielać i emitować ciepło na trzy sposoby. Poprzez promieniowanie (radiację), unoszenie (konwekcję) i przewodzenie (indukcję).
Posłużę się praktycznym przykładem. Jeżeli mamy ognisko i patelnię to jeżeli umieścimy patelnię wysoko ponad płomieniami to ogrzeje się ona poprzez gorące powietrze unoszone przez ognisko. Albo balon na ogrzane powietrze. To jest właśnie konwekcja.
Jeżeli płomienie dotykają patelni i ogrzewają ją bezpośrednio to mamy do czynienia z indukcją.
Jeżeli patelnia za pomocą powyższych dwóch sposobów się nagrzeje i sama zacznie wydzielać ciepło (np. może być tak nagrzana, że zacznie świecić na czerwono i będziemy czuć jej ciepło) wtedy mamy do czynienia z promieniowaniem.
To jak nasze ciało ogrzewa ubranie to konwekcja. Ciepło naszego ciała ogrzewa powietrze, które zatrzymuje się w bieliźnie termoaktywnej i kolejnych warstwach odzieży. Czy to jest bluza z polaru, kurtka puchowa czy wełniany sweter – zasada działania jest ta sama. Ciepłe powietrze ogrzewane naszym ciałem unosi się i „grzęźnie” w ubraniu. Oczywiście bardziej w puchu niż polarze i bardziej w bieliźnie termoaktywnej niż kurtce membranowej. W dużo mniejszym stopniu wymieniamy ciepło z ubraniem przez kondukcję. Owszem, ogrzewamy ciałem tą warstwę, z którą ciało się styka, czyli bieliznę termoaktywną, ale następne warstwy już nie. Im dalej od ciała tym bardziej tego przewodzenia nie ma.
Koc termiczny czyli Folia NRC wykorzystuje ciepło człowieka z radiacji
Folia NRC nie zatrzymuje ciepłego powietrza, czyli nie korzysta z konwekcji (bo nie ma żadnej izolacji). Folia nie korzysta też z kondukcji (ponieważ nie dotyka bezpośrednio ciała). Jej metaliczna powłoka odbija promieniowanie podczerwone (IR – infrared rays) ciała człowieka. Człowiek ma temperaturę ciała około 36C. Emisja promieniowania ciała człowieka mieści się w paśmie od 3 do 50 μm (mikrometrów), z maksimum emisji fali o długości 9 -12 mikronów (1 mikron = 10 -6 metra). Częstotliwość tego promieniowania podawana jest również w Hercach. 1 THz=300 /λ(μm)
1 THz = 300 μm (0,3 mm). Czyli im mniejsza długość fali tym wyższa częstotliwość. Większość emisji promieniowania cieplnego przypada na zakres częstotliwości między 20 THz a 30 THz.
Moc, emisja, rozchodzenie się
Moc emisji promieniowania człowieka w spoczynku to zaledwie 120 watów. Możemy porównać ciało człowieka do ledwo ciepłego pieca kaflowego. Jeżeli zbliżymy do niego rękę, ale nie dotkniemy to poczujemy receptorami naszej skóry promieniowanie podczerwone jako ciepło.
Emisja promieniowania koca termicznego
Jak rozchodzi się to promieniowanie? Otóż ilość promieniowania maleje bardzo szybko wraz ze wzrostem odległości. Natężenie promieniowania cieplnego maleje wraz z kwadratem odległości. W Fizyce znane jest to jako zasada odwróconych kwadratów. Co to oznacza w praktyce? Jeżeli odsuniemy się od pieca (człowieka) dwukrotnie dalej, to emisja promieniowania cieplnego spadnie czterokrotnie. Jeżeli odsuniemy się trzy razy dalej to emisja spadnie dziewięciokrotnie, itd. W praktyce – jeżeli stoimy od pieca kilka metrów – nie czujemy już jego ciepła, bo strumień promieniowania który do nas dociera jest bardzo rozproszony.
Inny aspekt: jeżeli owiniemy piec materiałem czy ubraniami – również nie będzie do nas docierało promieniowanie. Jakie promieniowanie emituje ludzkie ciało? To fotony podczerwone o bardzo niskiej energii. Fotony te są w stanie przedostać się jedynie przez cienką odzież. Szacuje się, że luźne tkaniny syntetyczne takie jak poliester są wstanie przepuszczać 75 % fotonów od ciała a bawełna mniej niż 65 %. Im grubsze ubranie i im więcej warstw tym mniej promieniowania wydostaje się na zewnątrz.
Wnioski do praktycznego użycia koca termicznego, czyli folii NRC
Folia działa najlepiej, gdy znajduje się bardzo blisko ciała, czyli gdy poszkodowany jest nią szczelnie owinięty.
Folia działa najlepiej, gdy dużo promieniowania z ciała dostaje się do folii – czyli gdy osoba poszkodowana nie jest grubo ubrana. Szczególnie wydajna jest folia podczas letnich wypadków, gdzie osoby poszkodowane mają na sobie jedynie lekkie ubrania, nie rzadko z krótkim rękawem i spodnie szorty.
Folia nie działa odbijając promieniowanie, gdy osoby poszkodowane są grubo ubrane. Ratownicy którzy zimą okrywają poszkodowanych wypadków folią – chronią ich przed wiatrem, deszczem i śniegiem oraz zatrzymują nieco ciepła blokując konwekcję (uciekanie ciepłego powietrza z wierzchniej warstwy ubrań) ale mechanizm odbijania promieniowania cieplnego nie działa, ponieważ promieniowanie nie przedostaje się z grubych ubrań na zewnątrz. Tłumacząc prościej: Można poczuć ciepło promieniowania ciała przez koszulkę termoaktywną, ale nie przez kurtkę puchową.
Z tego samego powodu folia podłożona pod namiot nie zwiększa jego termiki i nie nagrzewa namiotu.
Tak jak folia odbija fotony podczerwone wypromieniowywane przez człowieka, tak samo sprawnie odbija dużo bardziej energetyczne fotony słoneczne. W upalane dni folia NRC jest w stanie wydajnie osłonić namiot, szałas czy samochód przed nadmiernym nagrzaniem.
Dotykanie odkrytym ciałem folii uruchamia także wymianę ciepła przez przewodzenie (kondukcję). Warto wziąć pod uwagę, że folia wykonana jest bardzo cienkiego plastiku i nie ma własności izolacyjnych. Szczególnie jeżeli od zewnętrznej strony folii jest zimno, raczej szybko się wychłodzimy niż ogrzejemy.
