Aby mohlo dojít k přenosu tepla, musí existovat teplotní gradient. Teplo se přenáší z teplejšího místa na chladnější. Přenos tepla (ve směru gradientu teploty) je tudíž analogický přenosu vlhkosti (ve směru gradientu koncentrace) [17].
Způsoby sdílení tepla mezi člověkem a prostředím jsou:
vedením (kondukcí)
prouděním (konvekcí)
sáláním (radiací)
odpařováním (evaporací)
dýcháním (respirací)
Obr. 12 Složky odvodu tělesného tepla [18]
3.1 PŘENOS TEPLA VEDENÍM
Vedení tepla souvisí s přenosem energie mezi molekulami tepelně vodivého materiálu. Přenos tepla vedením může nastat v tuhých látkách nebo tekutinách.
V porézních textiliích probíhá konduktivní přenos tepla v pevném materiálu vláken a v zachyceném vzduchu [17].
V textilním materiálu nastává vedení tepla, když textilní vrstva přiléhá přímo na kůži a odnímá teplo kontaktním způsobem. Rychlost sdílení tepla závisí na teplotě okolí, na tloušťce textilní vrstvy, na množství statického vzduchu v textilii a na vnějším pohybu vzduchu [3].
Fourierův zákon vedení tepla říká, že tepelný tok je úměrný gradientu teploty. Pro případ předávání tepla v ustáleném stavu, kdy je tepelná vodivost konstantní, je možné použít Fourierův zákon v následujícím tvaru: [17]
q = −λ * grad υ = −λ *
x
(2)
q…. tepelný tok [Js−1m−2 ]
λ…....součinitel tepelné vodivosti [Wm-1K-1]
Δ υ ….rozdíl teplot na vnějších plochách porézního materiálu [°C]
Δ x …vzdálenost vnějších ploch [m]
Množství tepla prošlého danou plochu je dáno výrazem:
Qv = −λ * (υk − υ1) * S (3) Qv…..množství tepla sdíleného vedením [J.s−1]
υk……teplota pokožky [°C]
υ1……teplota vnějšího povrchu textilie [°C]
S…...teplosměnná plocha [m2]
Obr. 13 Vedení tepla v textilii
V tomto případě je průběh teploty v materiálu lineární. Konstantou úměrnosti v tomto vztahu je součinitel tepelné vodivosti, který určuje množství tepla přeneseného za jednotku času mezi dvěma protilehlými plochami jednotkové krychle, jejichž teplota se liší o 1°C [17].
Součinitel tepelné vodivosti charakterizuje schopnost materiálu vést teplo. Kapaliny jsou dobrými vodiči tepla, zatímco plyny patří k tepelným izolantům (například nehybný suchý vzduch). Vodivost plynů však závisí na jejich vlhkosti a proudění. Pokud se člověk nachází v mokrém nebo větrném prostředí, odvádí okolní vzduch více tepla. V lidském organismu je dobrým vodičem tepla krev; tepelným izolantem je tuková tkáň [18].
3.2 PŘENOS TEPLA PROUDĚNÍM
K přenosu tepla prouděním dochází při rozdílné teplotě tekutiny a pevného povrchu, pohybem molekul uvnitř tekutiny. Při proudění se přenáší hmota i energie.
Množství tepla předaného prouděním za jednotku času vyplývá z Newtonova zákona: [17]
Q = αp * S* ΔT (4) Q…..teplo přenesené prouděním [W]
S…...teplosměnná plocha [m2]
αp…..součinitel přestupu tepla prouděním [W.m-2.K-1]
ΔT….rozdíl teploty pevného povrchu a průměrné teploty tekutiny [K]
Je-li pevný povrch ochlazován proudící tekutinou o nižší teplotě, přestupuje teplo z pevného povrchu do tekutiny. Je-li povrch ohříván proudící tekutinou o vyšší teplotě, je směr přestupu tepla opačný: z tekutiny do pevného povrchu [17].
Hodnota součinitele αp není konstantní. Závisí na fyzikálních vlastnostech tekutiny (rychlost proudění, hustota, tepelná vodivost) a na geometrii povrchu. K výpočtu tohoto součinitele se používají empirické vztahy, obsahující bezrozměrné konstanty (Reynoldsovo, Prandtlovo a Nusseltovo číslo) [17].
Nejběžnější přenosové tekutiny jsou vzduch a voda. Voda je asi 800x hustší než vzduch a má také vyšší tepelnou vodivost. Typické hodnoty součinitele přestupu tepla prouděním jsou: pro vodu 500 až 10000 Wm-2K-1, pro vzduch 5 až 100 Wm-2K-1 [17].
Vzduch se při kontaktu s teplým povrchem ohřívá a zřeďuje. Ohřátý vzduch stoupá a vytváří komínový efekt nad povrchem pokožky; toto proudění se nazývá přirozené. Při působení větru nastává proudění nucené [14].
Hodnota součinitele αp závisí na tom, je-li vzduch nehybný nebo proudící. Za bezvětří se nachází nad pokožkou poměrně silná vrstva ohřátého vzduchu. Za větru se tloušťka této vrstvy zmenšuje a přenos tepla z povrchu pokožky je vyšší [15].
Mezi pokožkou a první oděvní vrstvou se nachází vrstva vzduchu (zvaná mikroklima), ve které proudí vzduch při pohybu člověka v prostředí. Rozsah přenosu tepla závisí na míře odkrytí těla a na rychlosti větru. Za větrného počasí je odvod tepla vyšší.
Množství tepla odvedeného prouděním ve vrstvě vzduchu nad pokožkou je dáno: [3]
Qp = αp * S * [(υk − υ1) + (υ2 − υ0)] (5) Qp……množství tepla sdíleného prouděním [J.s−1]
αp……součinitel přestupu tepla prouděním [W.m-2.K-1] υ1……teplota vnitřní strany textilie [°C]
υ2……teplota vnější strany textilie [°C]
υk…..…teplota pokožky [°C]
υo….…teplota okolního vzduchu [°C]
Obr. 14 Proudění tepla v textilii
3.3 PŘENOS TEPLA SÁLÁNÍM
Každé těleso (i živý organismus) s teplotou vyšší než absolutní nula (0K) vyzařuje do okolí elektromagnetické záření. Pokud toto záření vyvolává pocit tepla, nazývá se
tepelné záření. Při běžné atmosférické teplotě je tepelné záření neviditelné - jeho vlnová
ε …. emisivita [-]; vyjadřuje schopnost tělesa vyzařovat teplo
…...Stefan–Boltzmannova konstanta 5,6710–8 [Wm–2K–4] T…….absolutní teplota [K]
Celková energie vyzářená lidským tělem se rovná rozdílu čtvrtých mocnin teploty povrchu těla a teploty okolních objektů. Proto se odvod tepla sáláním liší za extrémních klimatických podmínek. V mírném klimatickém pásmu představuje sálání až 60 % odvodu tělesného tepla. V obytných místnostech souvisí radiační přenos tepla s teplotou vzduchu v místnosti a s teplotou stěn [18].
Sálání tepla z pokožky do okolí (nebo naopak pohlcování radiačního tepla pokožkou) závisí na teplotě a vlhkosti okolí a na míře odhalení lidského těla. Sálavé teplo se odvádí, pokud je teplota organismu vyšší než teplota okolí, jinak dochází k přijímání tepla [3].
Qs = αs * S * (υk − υ0) (7) Qs……množství tepla sdíleného sáláním [J.s−1]
αs……..součinitel přestupu tepla sáláním [W.m-2.K-1] tepla sáláním pouze malou část (10 až 15%) celkového odvodu tepla. Za horkého počasí se bilance radiačního tepla zvyšuje o přijaté sluneční záření, zejména v oděvu tmavé barvy.
Speciální textilie odrážející sluneční paprsky bývají nepromokavé a zhoršují průnik vlhkosti [14].
3.4 PŘENOS TEPLA VYPAŘOVÁNÍM
Během odpařování kapalného potu se odvádí výparné teplo pryč od těla, které se tím ochlazuje. Při vysoké teplotě okolního vzduchu je odvod výparného tepla klíčový pro udržení tepelné rovnováhy. Je totiž omezen odvod tepla vedením a prouděním, v důsledku nízkého teplotního gradientu mezi pokožkou a prostředím [16].
Protože voda má poměrně veliké skupenské teplo výparné [2500 kJ/kg], může i málo rozsáhlé vypařování potu výrazně zvětšit celkový průtok tepla. Účinek větru zvyšuje odvod výparného tepla a vede k dalšímu ochlazování [16].
V ustáleném stavu je množství odvedeného výparného tepla rovno množství tepla, které přestupuje do vody z okolního vzduchu a ochlazuje ji. Rovnice energetické bilance na rozhraní vzduch – voda je následující: [16]
Qkonv = Qevap (8) Qkonv ….teplo přenesené prouděním z okolního vzduchu do vody [J]
Qevap ….teplo odvedené z vody v důsledku vypařování [J]
K odvodu tepla vypařováním dochází nejčastěji při přehřátí organismu. Množství výparného tepla , které odchází z kůže neznatelným pocením, je závislé především na měrném skupenském teplu výparném a na rozdílu parciálních tlaků vodních par [3].
Δp = pk – p0 (9)
Δi………měrné skupenské teplo výparné [J]
mk…….. permeabilita kůže [kg.s-1.m-2.Pa -1]
pk………tlak páry v mezivrstvě při určité teplotě kůže [Pa]
p0………tlak okolního vzduchu [Pa]
Pod oděvem je rozdíl parciálních tlaků malý. Závisí na sorpčních a transportních vlastnostech všech oděvních vrstev, proto je odvod tepla tímto způsobem nejvyšší u neoblečeného člověka [3].
Obr. 16 Vypařování přes textilii
3.5 PŘENOS TEPLA DÝCHÁNÍM
Respirační odvod tepla je realizován dýchacími cestami a jeho rozsah je dán rozdílem množství vodních par vdechovaných a vydechovaných [3].
(10) Wex…… množství vodních par vdechovaných [kg]
Wa …… množství vodních par vydechovaných [kg]
t………. čas [s]
Δi………měrné skupenské teplo výparné [J]