物理的な解説をお願いします

Question

はーってやるとあったかいのに、
ふーってやると涼しいのはなんでですか？

狭いところを通ると温度が下がるらしい、というのは聞いたのですが、詳しく教えてください。
物理は中学レベルの知識しかないので、わかりやすく教えていただけると助かります。

yasu2209 · Accepted Answer

おもしろそうな話なので、つい考えてしましました。

まず、”狭いところを通ると温度が下がる”というのはおそらく断熱膨張という現象のことで、高圧のガスが急に圧力を開放されて出て行く時に温度が下がる現象です。口のなかではーとかふーとかではそんなに大きな圧力は生じませんからこれは無視してもいいと思います。

次にはーとふーの時、出てくる空気の状態（温度、湿度０が違うのかどうか考えてみました。
試しに息を吸って口をふさいで息を止め、何回か口と肺の間を空気を行き来させます。
こうすれば、温度はほぼ体温に近くなり、湿度は100％に近くなり、つまりある程度安定した状態の空気が作れると思ったからです。この状態ではーとふーを行ってみるとやはりはーは暖かく、ふーは冷たいという感じがします。
つまり、暖かく感じる、冷たく感じるは吹き出す空気の状態で決まるのではなく、吹き出し方、速度に関係して決まることだとわかります。

でははーはどうして暖かいのか。手の甲にはーと吹き出したあと、手の甲を触ってみると少し湿った感じがします。これは吹き出された空気に含まれる水蒸気が手の甲で水になったためです。これは結露という現象で、手の甲の表面温度が、吹き出される空気に比べて低いために起こる現象ですが空気の湿度が高い時には小さな温度差でも発生します。また結露が生じるためには 空気中の水分が表面との間で熱のやりとりをしなくてはならないため、風速がゆっくりとしたときに発生しやすくなります。
そして結露が生じるときは気体が水になるわけですから潜熱という熱を発生します。これは水が熱をもらうと気化して気体になることの反対で、気体は熱を放出して水になります。　このとき放出された熱が手の甲に暖かく感じるのだろうと思います。

次にふーの場合ですが、ふーは風が早いので、水分が手の甲と熱交換をする暇がなく結露がおこりません。そのかわり、手の甲の表面付近にある熱境界層と言われる、手の甲の表面温度に近い空気の層を吹き飛ばし、（熱伝達率が高くなるといいます）、それだけでなく今度は先ほどとは逆に、手の甲のついている水分を気化させます。このときは水から気体への変化ですから熱を奪って生きます。このために手は冷たさを感じます。

確認のために、口から吹き出す空気と温度は同じで湿度だけが周囲と同じ湿度（相対湿度で）の空気を作ってての甲にゆっくりと早くと吹きかけてみる実験をしたかったのですが、手元に適当な道具がありませんでした。
はーの風速の時に息で吐くよりも暖かく感じなければそれが結露による熱（凝縮熱）の効果分だとわかるのですが。。。
またふーの風速の場合は息の場合より涼しく感じると思います。これも相対湿度が息よりも低いために手の表面の水分が気化して気化熱が奪われる効果なのでしょう。

この問題は小学生のころから気化熱、凝縮熱による効果と表面の熱伝達率変化の効果とどちらが大きいのだろうと気になっていましたからゆっくり考えてみるいい機会になりました。

yoshi20a · Answer

まず、喉付近の息が体温くらいと仮定しましょう。

はーっ！の場合、気体の圧縮もなく、そのまま空気がゆっくりと出ていきます。つまり、喉付近にあった空気がほぼそのまま出ていくわけです。したがって、あたたかいのです。

ふっー！の場合、口を小さくしているため、息がなかなか出て行きません。したがって、口の中の圧力が上がります。しかし、そのせいで、口から出て行くとき、息のスピードは速いですよね？その速い流体と言うのは、熱を一緒に運んでいくため、熱を奪う効果が高いのです。風が吹くと涼しく感じるのと同じことです。熱を運んでくれるわけです。

厳密には、他にもいろいろな現象がからんでいますが、主原因は上記の内容かと。

物理的な解説をお願いします

おもしろそうな話なので、つい考えてしましました。

まず、喉付近の息が体温くらいと仮定しましょう。

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