随着冷空⽓的到来，最近⼏天北⽅是⽓温骤降啊。不知道⼤家有没有感受到寒冬将⾄的讯息呢？反正⼩编已经是抱着被⼦瑟瑟发抖了。北京最近的天⽓⼁图源中国天⽓⽹。不过考虑到⽴冬之后天⽓还会更冷，本着“春捂秋冻”的指导思想，⼩编决定靠着⼀身正⽓，再坚持（苟住）⼀段时间。瑟瑟发抖的同时，⼩编突然想到，从物理学的⻆度出发，究竟什么时候换厚⾐服⽐较合适呢？要不要穿秋裤，⾐服加多少合适？不如让我们来探索⼀下这个问题。
（省流：结论在末尾）
⼈体的产热众所周知，正常没有发烧的⼈体深部的体温⼤概在37±1°C的范围，作为恒温动物的⼈要保持⾃⼰的体温，就要不断产⽣热量。⼈体的“发热机”主要依靠⻣骼肌和肝脏，他们俩分别在运动状态和安静状态承担了机体⼤部分的产热。在安静时所产⽣的热量是83.72W（每⼩时72kcal），在运动时所产⽣的热量是安静时的3倍。⽽冷环境刺激可引起⻣骼肌的寒颤反应，使产热量增加4～5倍。
所以我们在剧烈运动⼤汗淋漓的时候，通常不会觉得冷。
此外，⼈还有⼀套体温调节系统，⼈体温度的调节主要由⼤脑中的下丘脑调节，下丘脑通过神经和激素等途径来调节体温，能够在寒冷的时候增加产热减少散热。
⼈体的散热常看物理所公众号的⼤家⼀定知道，热的传递⽅式有三种：热辐射、热传导以及热对流。我们⼈体也有四种不同的散热途径来调节⼈体的体温：热辐射、热传导、对流换热、蒸发散热。
热的三种传递⽅式⼁图源⽹络。热辐射任何温度⾼于绝对零度的物品都会产⽣热辐射，以电磁波的形式辐射能量。根据斯忒藩-玻尔兹曼定律，⾯积为A、温度为T的物体辐射产⽣的热量Q：热辐射与温度的四次⽅成正⽐，σ是常数，系数ε与物体⾃身的性质有关。物理学中的绝对⿊体能够在任何温度下将辐射到它表⾯上的任何波⻓的能量全部吸收，对于绝对⿊体来说ε=1，对于其他物体ε<1。
太阳的热量也是通过热辐射到达地球上⼁图源pixabay。由于我们天冷裹着严实的⾐服，辐射散热⼤都被⾐物直接吸收，只有裸露在外的头和⼿脚直接通过辐射散热。
热传导两个物体互相接触，只要介质内或者介质之间存在温度差，就⼀定会发⽣传热。热传导传热量Q满⾜：ΔT是两个介质的温度差，热阻R的定义是当有热量在物体上传输时，在物体两端温度差与热源的功率之间的⽐值，单位为开尔⽂每瓦特(K/W)。
热阻也可以通过串并联来计算，串联热阻是指多个热阻依次串联在⼀起，热量需要依次通过每个热阻层才能传递到下⼀个热阻层；并联热阻是指多个热阻同时存在，热量可以同时通过多个热阻层传递。
⼀个有趣的点是，研究发现⼈坐姿的热阻相对于⼈体站⽴状态下的热阻要⼩4％到18％，坐着散热更多，所以觉得冷了，但是⼜不想运动，不妨从座位上站起来，可以让你稍稍暖和⼀点点。
热对流，是指通过流动介质热微粒由空间的⼀处向另⼀处传播热能的现象，只能发⽣在流体之中。对流散热满⾜⽜顿冷却公式:其中Q是热流量（W），h是对流换热系数[W/(m2?K)]。
穿上⾐服阻断⽪肤直接接触空⽓，我们可以穿着贴身的⾐服，⽪肤绝⼤部分与⾐服直接接触，这样达到保暖的效果。对于裸露的⽪肤，⽪肤跟空⽓直接接触的地⽅⾸先发⽣的是热传导，发⽣热传导之后，紧挨⽪肤表层的那部分空⽓温度升⾼，⽽离⽪肤表层较远的空⽓温度较低，这样发⽣对流。
蒸发散热当⽓温⾼于于体表温度的时候，或是体内产⽣⼤量热量的时候，辐射和对流的⽅式以及不能满⾜散热的需要，就需要启动蒸发的⽅式来带⾛热量。出汗就是蒸发散热的主要途径。不过，冬天冷且不运动的时候我们汗液⽐较少，蒸发带⾛的热量也很少，可以忽略不计了。
什么是⼈体热舒适？⼈体热舒适是个很复杂的系统，需要衡量的指标有很多。其中⽐较知名的PMV指标是由Fanger教授于70年代提出的，该指标是以热舒适平衡⽅程为基础⽽建⽴的，代表了同⼀环境中⼤多数⼈冷热感觉的平均，综合了影响⼈体热舒适的空⽓温度、辐射温度、空⽓湿度、空⽓流速、⼈体活动程度和⾐服热阻。在热舒适领域中，学者们主要关注服装热阻对⼈体热平衡及⼈体热舒适⽅⾯的影响。
我们现在就仅仅考虑其中空⽓温度和服装热阻的影响，认为其他条件保持不变且是属实的条件。只考虑舒适温度的话，⼈感到舒适的室温温度⼤概的范围是在在18 ~ 23度，⽽由于需要散热，⼈体表的温度要⽐室温更⾼⼀些，33～34度时最为适宜。
不同⾐物的热阻在⼀般环境中，尤其是偏冷的环境中，服装在维持⼈体温度⽅⾯意义重⼤。
为了定量描述⼈体和环境之间通过服装进⾏的换热量，⼈们提出了“服装热阻”的物理参数，这个热阻与物理上的热阻定义略有不同，是热阻乘上穿⾐服的⾯积。服装热阻的单位为Clo。1Clo=0.155m2·K/W。其值越⼤，⾐物的保暖性越好。不同⾐服的热阻可以通过多种⽅法来测量估计，这个量不仅与⾐服的材料、制作⼯艺等等本身条件有关，也会受到环境因素的影响，例如湿透的⼤⾐服保暖性能就会差很多。
当然我们不可能只穿⼀件⾐服，由于⾐服覆盖不到全身，多件⾐服叠穿也会对总的热阻有不同的影响。在有效热阻中已经考虑到了这些，总热阻可以按热阻的串联、并联计算。下⾯给出⼀些常⻅服装的热阻：
说了这么多，我需要换多厚的⾐服？我们换厚⾐服即改变主要影响的是热阻R，理论上讲，只要穿着合适的⾐服，让⼈体⽪肤表⾯达到舒适温度，并且产热和散热达到平衡，这时候⼈就会觉得不冷不热啦！
那么我们不妨以我⾃身为例，来做个⾮常简单的模型估计：假设我因为怕冷裹得很严实，身体的绝⼤部分80%都被⾐物覆盖，只有头的20%⾯积裸露在空⽓中。⾐服内表⾯紧贴我的身体，已经被焐热到温度等于我的体表温度，因此不考虑这部分身体的辐射散热和对流散热。⾐服外表⾯是室温。这时我身上的热量⼀部分通过裸露在外的部分热辐射、热传导散失，⼀部分通过热传导传给了⾐服，再通过⾐服的散热散失。
我在达到产热-散热平衡时，我的身体：当天⽓变冷时，要继续维持体表温度不变，温度不变，因此Q热辐射不变。温度改变但是产热不变，就有体表舒适温度取33°C，昨天的温度是16°C，我感觉穿现在的⾐服还是舒适的，因此我认为ΔT1=17K。今天的温度降到14°C，此时ΔT2=19K。取空⽓对流换热系数h=5W/(m2·K)。
不妨认为我的上半身跟下半身⾯积相同，我现在穿的是⻓袖T恤、外套、⻓裤，其中T恤、外套都在上半身是串联关系，然后再与裤⼦并联。不穿⾐服⾯积是A，穿⾐服部分占4A的⾯积。总的热阻（这⾥是物理上的热阻）为R1=0.11clo/4A。
代⼊计算那么要继续保持舒服要求，算得R2=0.12clo/4A，服装热阻是0.12clo，查表发现只需要多穿⼀双袜⼦就可以继续快乐玩耍了（不过按我们的模型要⽤袜⼦把整个身体套进去），真是好⽤啊！
那么换个思路，什么时候需要穿秋裤呢？秋裤的服装热阻是0.14Clo,T恤、外套串联，秋裤、裤⼦串联，然后再并联。那么可以算出全部这些⾐服的总热阻R2=0.17clo/4A。代⼊公式，得到ΔT2=26K，那么对应的外界⽓温降低到7°C。这样看来下周暂时还能坚持⼀下！
⼩伙伴们你们学会了吗？这下再也不⽤妈妈提醒我穿秋裤啦！（对于服装热阻的测量原理和成套服装热阻计算问题还请以专业⼈⼠为准，这⾥仅为说明物理原理作简单处理）
所以，到底什么时候能来暖⽓啊！