Физика бани: что происходит с телом в парной
Существует три разновидности горячих водных процедур: финская сауна (температура 70-110 градусов Цельсия, влажность 10-15 процентов), турецкий хамам (температура не выше 50 градусов Цельсия, а влажность почти 100 процентов) и русская баня (60-70 градусов Цельсия при влажности 90 процентов).
Получается, приходя в баню, мы подвергаемся воздействию температур, которые теоретически должны заставить нашу кровь свернуться. Ее нормальная температура составляет от 32 до 38 градусов — более точное значение зависит от индивидуальных особенностей организма и места, где кровь находится. Например, в капиллярах на поверхности кожи она холоднее, а вот во внутренних органах горячее. В подмышечной впадине ее значение у здорового человека равно 36,6 градуса. При повышении температуры начинается процесс свертывания крови, необратимо меняется ее структура. Проще говоря, она варится, когда градусник показывает больше 42-43 градусов.
Так почему же мы с таким удовольствием принимаем горячие водные процедуры, если наша кровь портится при температуре гораздо ниже банной? Может, дело в особом строении бани, и жар там неведомым образом становится меньше? Но это не так, ведь если мы положим яйцо на банную полку и оставим его на десять минут, то получим состояние "вкрутую"! А если невнимательная девушка зайдет в парную с маской из сырого яйца на волосах, то будет долго потом вычесывать яичные волокна из локонов.
Чтобы разобраться в данном феномене, для начала сравним разные виды бань и отметим, что чем выше температура, тем ниже влажность. Последняя показывает количество молекул воды в воздухе, иными словами, его насыщенность водяным паром.
Нагревается в бане наш организм через кожу, с которой сталкиваются "горячие" молекулы. На самом деле температура — это аналог кинетической энергии; смысл, который мы вкладываем в понятия "горячий" или "холодный", подразумевает более или менее быстрое движение молекул.
Взаимосвязь температуры и кинетической энергии легко понять, если посмотреть на пар и лед. В первом случае видно активное движение (конечно, не отдельных молекул, а их совокупности), а во втором нам кажется, что замороженная вода неподвижна. На самом деле это не так, но наш глаз не улавливает столь малого движения.
Существует простая формула пересчета температуры в энергию.
Слева кинетическая энергия, которая и является мерой движения всех физических тел. k — постоянная Больцмана, а T — непосредственно температура в кельвинах. Чтобы перевести ее в градусы Цельсия, достаточно отнять 273. Из школьного курса мы помним еще одну формулу, по которой можно рассчитать кинетическую энергию.
Из этого можно вывести формулу для расчета скорости движения молекул воды в зависимости от температуры.
Масса молекулы воды приблизительно составляет 3x10⁻²⁶ килограмма. Этих данных хватит, чтобы рассчитать скорость движения молекул воды в каждом виде бани. Получим, что в турецком хамаме молекулы "бегают" со скоростью 667 метров в секунду, в русской бане 689 метров в секунду, а в финской сауне 717 метров в секунду. Кажется, что разница невелика, но клетки нашей кожи выдерживают весьма небольшой диапазон скоростей молекул, в частности воды. И если выйти за его пределы, кожа начинает повреждаться, ведь молекулы, из которых состоят приповерхностные клетки, перенимают часть энергии каждой молекулы воды, с которой "соприкасаются". Они тоже начинают двигаться быстрее и активнее — так мы и получаем ожоги.
Таким образом, большее количество молекул воды приводит к более быстрому нагреву организма. Конечно, воздух состоит не только из водяных паров, в нем еще присутствуют азот, кислород, углекислый газ, аргон, гелий, криптон. Но эти вещества являются летучими газами и практически не оседают на коже, поэтому не могут передать ей свою энергию. Теперь понятно, почему в жаркой финской сауне так сухо, а во влажной турецкой бане температура невысокая.
И все же мы бы не смогли переносить такой жар, если бы не умение организма поддерживать температурный режим. Пот на 98-99 процентов состоит из молекул воды, а один-два процента приходятся на органические и минеральные вещества. На поверхность тела он выделяется при помощи потовых желез. Молекулы воды двигаются, собираясь при этом в капли на коже. Это происходит благодаря связям между молекулами. Находясь в капле, они перемещаются хаотично — одни быстрее, другие медленнее, порой врезаясь друг в друга. И чем больше тепла, тем шустрее они носятся. Данную систему-каплю можно сравнить с мирно пасущимся табуном — пожилые лошади разве что время от времени делают шаг для поиска нового корма, более молодые общаются и слегка играют друг с другом, а вот резвые жеребята настолько переполнены энергией, что порой убегают далеко от табуна. Так и наиболее быстрые (горячие) молекулы "вырываются на свободу" из скопления себе подобных, тем самым уменьшая общую кинетическую энергию. А если вспомнить о приведенной выше формуле — логично, что падает температура капли.
При низкой влажности телу проще запускать описанный выше процесс, защищающий нас от перегрева. А во влажном воздухе пот не может испаряться достаточно быстро, этому препятствует сильный приток "горячих" молекул из насыщенного водой воздуха. С этим и связана наша переносимость жары — бывалые путешественники знают, что одну и ту же температуру проще переносить в пустыне (в тени, конечно), чем в тропическом лесу.