本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：喜欢睡凉席的小明，编辑：Garrett，原文标题：《炎炎夏日三大宝，凉席空调和西瓜！》，题图来自：视觉中国
最近几天，全国各地陆续迎来高温天气：
（华北好热嘞）
在这炎炎的酷暑夏日，能够救小编小命的唯有冰冰的空调加凉凉的西瓜！
除此之外，睡觉时铺盖一床凉席，更是绝佳的夏日避暑神器！
感受着凉席带来的凉爽，也勾起了小编的好奇：
凉席是如何让人感到凉爽的？不同材质的凉席会有什么影响？
今天小编就带大家一探凉席的原理吧！
热量从哪来？到哪去？
我们接触不同温度的物体时会有冷热的感受。能感受到热是因为温度高的物体中的热量流向人体，相反的，我们能感受到冷或凉当然是人体的热量流向更低温度的物体。
这容易使人误解温度高的物体具有更多的热量。在19世纪40年代以前，科学家们也是这样认为的，这就是大名鼎鼎的热质说理论。
后来人们才将温度与热量的概念辨别清楚，此后，“科学得到飞速的发展”——爱因斯坦[1]。
这一点在生活中也很好理解：我们接触相同温度的不同物体时，冷热的感觉会不一样。
比如在冬天时，用手触碰铁栏杆比触碰旁边的树木感到更凉。在夏天，同样的室外三十多摄氏度的高温，下雨之前的闷热，或者湿度更大的地区往往会让人感到更热。
从微观上来理解，温度是处于热平衡系统的微观粒子热运动强弱的量度。
所有的宏观物体都是由大量的微观粒子组成的，而这些微观粒子每时每刻都在运动，被称为热运动。微观粒子热运动的平均动能与温度的关系为：
温度高的物体粒子热运动更快，当与温度更低的物体接触时，更快的粒子碰撞慢的粒子使其运动加快，从而完成了热量传递。
分子热运动示意图，图源：维基百科
所以，热量实际上就是不同温度物体间传递的能量。
为了清晰地描述这一现象，傅里叶提出了描述热传导的傅里叶定律。定义Q为单位时间能通过物体横截面的热量：
可以看到热量的传导过程除了与温差dT有关外，还与一个特定的常数κ有关。这个常数是热导率。
不同的材料具有不同的热导率。材料的热导率也会随着温度的变化而变化。
在这里给大家列出一些常见材料的热导率：
常见材料的热导率，来源：参考文献[1]
可以看到，金属的热导率比木材的热导率大得多，所以热量传递更快。
所以冬天时，在相同的时间里，对于相同温度的金属和木材来说，人体向金属比向木材传递更多的热量，这就是我们感受到铁栏杆更凉的原因。
与此同时，由于水蒸气的导热率比空气小。所以，湿度越大，人体向空气中散热越困难，从而感到更热。
除了热传导以外，物体间热量的传递过程还包括热对流和热辐射。热对流主要发生在流体比如空气、液体中，是通过流体流动来实现传热过程。
对流传热和热传导过程类似，其单位时间内传递的热量也与温差呈正比，其经验公式为牛顿冷却定律：
其中h为热适应系数。
把热传走就是凉
回归正题，我们感受到的凉席的凉爽，主要就是来自于人体与凉席之间的热传导。
目前市面上的凉席种类主要有：竹席、再生纤维素纤维凉席、亚麻凉席、皮凉席、草席、藤席等。
以竹席为例，毛竹的导热系数约为0.3~0.5Wm-1K-1[2]，所以相比于空气，人体更容易向竹席中传递热量，从而有冰凉的感觉。
除此之外，凉席的表面结构也会影响热量的传导效率，但是厚度对皮肤与编织物瞬时的热量传递影响不大[3]。
比如说，凉席表面越光滑，其与人体皮肤接触的面积就越大，传导的热量就更多，所以皮肤的接触凉感就越强。
制作凉席的材料除了选用热导率较高的材料以外，还要保证材料自身升温慢。这需要满足两个条件：
第一点是材料的比热较大。比热是指单位质量的物体升高或降低单位温度所吸收或放出的热量：
如果选用的凉席的比热较大，凉席可以从人体吸收更多的热量而升高较少的温度，所以才可以保持长时间的凉爽。
在室温环境下，常见毛竹的比热大小为：0.8~1.6J(goC)-1[4]。
作为对比，常见的金属和水的比热为：
参考自文献[1]
所以，相比于金属，竹子的比热更大，更不易受到人的体温影响。
第二点则是保证凉席散热快。这需要合理的结构设计。
编织凉席一般具有很多空隙，对于纤维编织物来说，纤维集合体内部还存在着很多气孔，里面存在空气。所以，凉席内部的热传递过程十分复杂，包括纤维和空气、水分之间的热传导，纤维空隙之间的热对流，凉席自身的热辐射等过程。
例如，通过构造特定的编织结构，可以控制凉席内部空隙、空隙中空气的多少，从而改善导热性能。与此同时，更紧致的编织也会使得凉席内部孔隙变小，从而使导热性能更好[5]。
不同的织物编织结构以及导热性能模拟 来源：[5]
把汗吸走就是爽
夏天炎热的感觉除了直接感受到的温度以外，还有人体分泌出的大量汗水。
出汗可分为非显汗和显汗两种方式。非显汗是指人体皮肤表面蒸发的水分以水蒸气的形式存在，显汗就是肉眼可见的汗液[3]。
人体大量出汗时，由于非显汗的存在，使得皮肤表面附近的空气湿度大。
一方面，如前所述，空气湿度越大，人体散热效率越低，从而感到更热。
另一方面，空气湿度大导致汗液更不容易蒸发，无法通过汗液蒸发带走热量，从而也会感到更热。
所以，一个好的凉席是否令人凉爽，其湿传递性能也尤为重要。也就是凉席对汗液水蒸气和汗液的吸收传递效果。
汗液水蒸气可以通过凉席中的纱线、纤维内以及纤维间的空气，通过热扩散过程从水蒸气分压高的一侧扩散至水蒸气分压低的一侧。
热扩散过程是由于分子的热运动，分子从数密度高的地方迁移到数密度低的地方的过程。
粒子的数密度n就是指单位空间里微观粒子的数目。显然，对于水蒸气来说，空气湿度越大，水蒸气分压越大，水蒸气分子数密度越大。
19世纪法国生理学家菲克描述了扩散过程的规律，某个方向（假设z方向），在单位时间扩散的粒子数为：
其中D为扩散系数，与扩散的粒子有关。
下表给出了常见的气体扩散系数，其中互扩散是指从一种气体向另一种气体的扩散过程。
常见气体的扩散系数 [1]
这就是描述了凉席的透气性能。
水接触不同的物体会有浸润现象和不浸润现象。比如水在清洁的玻璃上会摊开，这就是浸润现象；小水滴在荷叶上形成晶莹的球形水珠，这就是不浸润现象。
这种现象与分子间的作用力有关。
当水接触到物体表面时，我们把固体分子对水中某个水分子A的吸引力的合力称为附着力，把水中其他分子对这个水分子A的吸引力的合力称为内聚力。
如果附着力大于内聚力，附着层液面就会向外扩散，增大附着面积，这就是浸润现象。
反之，如果内聚力大于附着力，附着层液面就会向内收缩，减小附着面积，这就是不浸润现象。
（a）浸润与（b）不浸润示意图 来源：[1]
这时定义固、液、气三者共同接触点处分别作液体表面的切线与固体表面的切线，其夹角被称为接触角θ。可见，接触角小于90度为浸润现象，接触角大于90度小于180度为不浸润现象。
接触角示意图 来源：[1]
与水发生浸润现象的是亲水材料，不浸润的就是疏水材料。
当用亲水材料做成内径细小的毛细管，插入水中，就会发现管内水面升高，这就是毛细现象。
这是由于浸润现象，在细管中的水会形成明显的弯曲面，从而产生一个附加压强，为了满足平衡条件，液面需要升高抵消附加压强的影响。毛细现象使得水更容易进入细小的管道之中。
毛细现象示意图 来源：[1]
由于编织凉席的纤维结构以及纱线结构中存在大量毛细管，汗液则可以通过毛细作用被吸收传递。
我们还可以知道，如果采用纤维编织，则需要用亲水纤维编织毛细管，使液态汗更好地被吸收传递，从而挥发掉。
结语
小小的一床凉席，其背后竟有着如此丰富的物理内涵。每一个环节都是人类对世界基本组成原理理解的体现。
在没有空调、西瓜奢侈的古代，竹席、草席为广大劳动人民在炎炎夏日中带来一丝清凉。
随着进入现代社会，除了凉席以外，在现代科学的指引下，研究着各种夏日凉爽的衣服、织物，正是人们不断追求更高品质的生活的体现！
参考文献
[1] 秦允豪，普通物理教程 热学，高等教育出版社，2010年第三版。
[2] 刘帅等，毛竹导热系数的神经网络预测模型，中国农学通报，2011，27(31):53-57。
[3] 暴少帅，军用凉席织物的设计与性能研究，2014年，北京服装学院硕士论文。
[4] 吴舒辞等，毛竹竹材几个热力学特性参数的测试与分析，中南林学院学报，2004年，第24卷，第5期。
[5] 张洁等，织物结构参数对热传递性能影响的模拟分析，Jornal of SilK， 2019年第57卷第2期。
本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：喜欢睡凉席的小明，编辑：Garrett