Некоторые специалисты считают, что горячие банные помещения зародились в глубокой древности как средство для мытья в различных малоразмерных открытых сосудах (посуде, емкостях, углублениях). Такие сосуды заполнялись водой, затем в них бросали раскаленные камни из костра. Такая процедура являлась единственно возможным способом получения, хранения и экономного порционного отпуска горячей воды моющимся. Малые размеры сосудов не позволяли погрузить в горячую воду все тело целиком (как мы имеем в случае природных водоемов, бассейнов, ванны, душа) . Поэтому мытье требовало теплого и даже жаркого помещения, чтобы не замерзнуть. Такое помещение оказалось настолько комфортным, что не могло не найти также и иных применений, в частности, ритуального и развлекательного характера.
При всей своей кажущейся логичности, такая точка зрения крайне наивна. Человек, а тем более древний, никогда не был настолько благоразумным, чтобы поставить вопросы личной гигиены, а тем более дозирования воды, во главу угла при первичном зарождении бань. Мытье физиологически не предусмотрено в качестве жизненной необходимости при возникновении млекопитающих, и многие животные (да и многие люди даже в Европе в средние века) ни разу не мылись в воде за всю жизнь. В то же время тепло любят все теплокровные. Более того, теплые помещения жизненно необходимы для человека и многих животных в холодных климатических зонах. С удовольствием греясь в пещерах и в шкурах у жарких костров, древние люди неминуемо потели, чесались и при контактах с водой и паром получали еще большее наслаждение. И только спустя многие тысячелетия заметив, что это приятное времяпровождение в виде омовения разгоряченного потного тела способствует сохранению здоровья, человечество осознало мытье как средство личной гигиены, необходимое для выживания в борьбе с инфекциями, паразитами и недугами. Тем не менее, как и сейчас родители заставляют малолетних малышей мыть руки, так и раньше многие поколения предков передавали своим потомкам любовь и привычку мыться отнюдь не генетическим врожденным путем, а методом приучения, насилия и даже насаждения через языческие и религиозные обычаи и обряды.
Регулярная мойка тела давно превратилась в жизненную потребность культурного человека. Но до сих пор элемент удовольствия, развлечения и животного наслаждения от жаркого воздуха остается немаловажным фактором даже в условиях высокой цивилизации и благоустроенности быта. В том заключается живучесть концепции потешных бань, которые в настоящее время даже более популярны, нежели общегигиенические.
Так какие же климатические условия делают баню столь комфортной для мытья и отдыха?
Приятные ощущения при контакте с водой (в том числе и при мытье в шайке на открытом воздухе) достигаются лишь при вполне определенных соотношениях пяти параметров:
Все эти параметры могут быть различными для разных участков тела, более того, на практике они всегда различны, а для максимального комфорта и должны быть различными в зависимости от физического состояния человека. Баня фактически представляет собой устройство для обеспечения оптимальных значений указанных параметров для приятного нахождения и одновременно для эффективной очистки кожного покрова, в том числе путем обильного выделения пота.
В банях известных древнейших типов, в том числе и черной, в силу ограниченных технических возможностей указанные параметры контролировались чисто интуитивно с применением понятий «тепло» и «холодно», «сухо» и «сыро». Поэтому говоря о климатических характеристиках, мы должны разобраться, когда человеку тепло, а когда холодно.
Главным показателем комфортности бани считается безусловно температура воздуха. При этом точкой отсчета является нормальная температура тела человека, составляющая в подмышечной впадине 36—37°С. Температура внутренних органов человека более высокая: в прямой кишке на 0,3—0,4°С выше, чем в подмышечной впадине, а температура печени в нормальных условиях не снижается ниже 38°С. Нормальная жизнедеятельность человека возможна в диапазоне температур внутренних органов всего в несколько градусов: понижение температуры тела ниже 36°С приводит к замерзанию, шоку и отморожению, повышение выше 39— 40°С — к тепловому удару.
Температура кожи в обычных условиях существенно более низкая — пальцев ног 24°С, кончика носа 25°С, пальцев рук 28°С, прикрытых частей тела 30—34°С. В пониженной температуре кожи легко убедиться: достаточно приложить ладонь к своей щеке, лбу, колену, и вы сразу почувствуете тепло, исходящее изнутри тела. Одновременно становится ясным, что в коже расположены органы, дающие сигнал в мозг о температуре кожи — так называемые периферические терморецепторы. Есть и центральные терморецепторы, расположенные внутри тела в различных областях головного и спинного мозга и реагирующие на изменение температуры внутренней среды, в частности крови, омывающей нервные центры. Терморецепторы являются элементами центральной нервной системы, которая совместно с эндокринной системой осуществляет терморегуляцию тела человека посредством изменения проводимости кровеносных сосудов, неощущаемой или ощущаемой (озноб) мышечной дрожи, потовыделения, а также осознанных действий.
Казалось бы, что температура воздуха 36°С во всех случаях является наиболее комфортной для человека — ни холодно, ни жарко. Но это далеко не так. При этой температуре воздуха человеку очень жарко, если тело по какой-либо причине разгорячено (из-за физической нагрузки, перегрева в парилке или просто недомогания) и очень холодно, когда тело предварительно переохлаждено.
Состояние комфорта обеспечивается не температурой воздуха, а температурой внутренних органов, которая не должна отклоняться от номинала, во всяком случае отклонения в 2—3°С воспринимаются крайне болезненно. Температура же кожи может кратковременно повышаться (например, рук и ног до 55°С, губ до 90°С) или понижаться в известных пределах без потери ощущения комфортности, что с успехом используется в банях всех типов (чтобы согреться, охладиться, встряхнуться, растормошиться, расслабиться, продезинфицировать кожу и т. п.).
Перегрев внутренних органов человека может происходить как за счет внешних факторов (повышенной температуры окружающей среды — воздуха, воды), так и за счет собственных внутренних факторов — повышенного тепловыделения внутри тела. Теплообразование внутри тела всегда является следствием выполнения какой-нибудь работы (вернее следствием химических реакций, которые ее обеспечивают). В состоянии покоя организм вырабатывает 50—70 ватт тепла, причем 70% тепла производится за счет постоянной работы внутренних органов (печени, почек, легких, сердца и т. п.), а 30% — за счет работы мышц тела, волокна которых даже в состоянии полного покоя незаметно и очень слабо, но постоянно сокращаются («дергаются»). При физической работе образование тепла возрастает в несколько раз до 300—400 ватт, при этом механическая мощность мышц намного ниже и не превышает 100 ватт. Велика доля тепла от мышечной работы и при инстинктивной мышечной дрожи (ознобе) при низкой температуре воздуха или при лихорадке.
Выработанное организмом тепло необходимо сбрасывать в окружающую среду. Теплоотдача из тела происходит путем теплопроводности через кожу (преимущественно через кожу тех частей тела, температура которых минимальна — лица, рук и ног) и за счет испарения воды с поверхности кожи и легких. В условиях бани температура воздуха больше температуры тела. При этом единственным механизмом теплоотдачи и терморегуляции остается испарение пота с кожи человека и влаги (крови) из легких.
Таким образом, температура тела человека не задается сама по себе приказами нервной системы, а формируется в результате баланса факторов, нагревающих тело и его охлаждающих. При перегреве внутренних органов организм начинает выделять пот на поверхность кожи.
Пот человека на 98—99% состоит из воды. Кроме того, пот содержит около 0,5% хлорида натрия (поваренной соли), 0,1% мочевины, а также до 1,5% других сложных органических веществ, в быту называемых «шлаками». Выделение пота является нормальным явлением: в условиях покоя тело теряет через кожу и легкие 0,6—0,7 литра воды в сутки, что соответствует примерно четверти теплоотдачи тела. А при физических нагрузках и при перегревах тела вся теплоотдача может осуществляться через испарение пота с поверхности кожи и воды из легких — в экстремальных случаях до 2 литров в час, что соответствует максимальной мощности теплоотдачи телом человека через испарение 1200—1500 ватт (до 2 лошадиных сил!). Тем не менее, при высоких температурах воздуха и одновременных физических нагрузках охлаждение за счет испарения пота может оказаться недостаточным, вследствие чего может наступить тепловой удар — перегрев тела.
Перегрев тела может случиться и не при столь уж высоких температурах, но при высоких уровнях влажности воздуха. Высокая влажность воздуха не дает возможности испаряться поту. Механизм охлаждения не срабатывает. Тело перегревается и, стремясь охладиться, все больше и больше отдает пота. Но пот не испаряется, а тело никак не охлаждается. Этот режим самообмана организма с потерей способности терморегуляции называется потением, он сопровождается накоплением и стеканием (без испарения) пота по телу человека без эффекта охлаждения тела.
В условиях потения человек чувствует себя крайне дискомфортно, так как не чувствует облегчения от текущего по телу пота. В повседневной жизни длительное потение считается вредным противоестественным явлением: в быту оно часто связано с использованием влагонепроницаемой синтетической одежды, либо слишком теплой одежды, либо заболеванием особой болезнью — потливостью.
Таким образом, само по себе наличие пота на коже не означает, что тело охлаждается: охлаждение тела возникает лишь при испарении пота. В связи с этим в медицине различают два предельных последствия выделения пота: потоотделение (режим, при котором весь выделяющийся пот тотчас испаряется, и кожа фактически остается сухой несмотря на значительную скорость потовыделения) и потение (режим, когда выделяющийся пот не испаряется и накапливается на коже). В режиме потоотделения («сухого» потения) эффект охлаждения тела максимален. В режиме потения эффект охлаждения отсутствует. В реальных случаях наблюдается комбинация этих предельных форм потовыделения: пот частично испаряется, а частично накапливается на коже человека.
В быту никогда не используют официальные медицинские термины — «потовыделение в формах потоотделения и потения». Любое потовыделение обычно называют потением — сухим потением в случае потоотделения и мокрым потением в случае потения.
Процесс потоотделения характерен для сухой высокотемпературной (70°С и выше) бани, а процесс потения — для влажной низкотемпературной (40—60°С). Трудно сказать, какая баня более полезна — во всех может случиться вредный перегрев тела. Но во влажной бане перегрев тела (и кожи) идет как бы «изнутри», а в сухой — как бы «снаружи». Вместе с тем можно сказать вполне определенно — сам процесс потовыделения абсолютно естественен для человека, абсолютно не вреден, более того, в условиях бани полезен. Но главное — без пота нет ощущения тепла, комфортности приема водной процедуры. Так уж устроен теплокровный организм.
Человек очень чутко реагирует на изменение характера выделения пота. Именно по появлению потения человек сразу определяет, что в помещении повышенная влажность. Если тело человека грязное (то есть пережирено выделениями сальных желез), пот под слоем кожного сала испаряется плохо, появляется потение — тело, как говорят в быту, «не дышит». Чистая кожа человека легко испаряет влагу в режиме потоотделения, тело сухое и поэтому «дышит». Здесь термин «дышит» не имеет ничего общего с процессом дыхания как поглощением кислорода легкими. Человеку просто кажется, что кожа «дышит», когда она чистая и легко испаряет пот. Отметим попутно, что излишне «дышащая» кожа нынче считается у косметологов вредным фактором, поскольку приводит к пересушиванию эпидермиса (см. раздел 7).
Испарение воды является механизмом охлаждения и в неживой природе. Роль процессов испарения наглядно демонстрируется следующим экспериментом. Нагреем баню до 40°С, поместим в нее два обычных стеклянных спиртовых капиллярных термометра и обмотаем нижние резервуары термометров ватой. Один из термометров назовем сухим, а другой, смочив на нем вату водой, влажным. Снимем показания обоих термометров при разных относительных влажностях воздуха в бане и получим следующую таблицу:
Относительная влажность воздуха, % 94 88 82 76 72 66 61 56 52 48 Показания сухого термометра, °С 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 Показания влажного термометра, °С 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30
Снимем вату с сухого термометра — показание его не изменится. Показание сухого капиллярного термометра, совпадающее с показанием пружинного биметаллического или иного сухого термометра, соответствует температуре воздуха. Но что же тогда показывает влажный термометр? Размотаем вату и будем лишь увлажнять поверхность стеклянного резервуара (например, протирая резервуар той же мокрой ватой) — показание влажного термометра останется тем же, что и при обмотке влажной ватой, хотя теперь влажный резервуар капиллярного термометра контактирует непосредственно с воздухом.
Таким образом, полученная таблица имеет какой-то фундаментальный смысл, а именно: испарение жидкости с поверхности предмета приводит к охлаждению предмета, то есть испарение требует затрат тепла. Действительно, на испарение (выкипание) воды уходит очень много тепла 0,63 кВт. час/кг (так называемая скрытая теплота испарения). За счет испарения воды резервуар термометра начинает охлаждаться, при этом возникает кондуктивный поток тепла от воздуха к охлаждающемуся термометру, и при определенной разности температур наступает баланс влажного термометра: сколько тепла поступает на термометр, столько и тратится на испарение воды. Если же испарение невозможно (например, при относительной влажности воздуха 100%), то влажный термометр показывает ту же температуру воздуха, что и сухой.
Вышеприведенная таблица, составленная для всех температур и влажностей воздуха, называется психрометрической таблицей. Она известна каждому метеорологу: по этой таблице определяют относительную влажность воздуха.
Что же дает нам эта таблица применительно к бане? Предположим, мы вошли сухими в баню, нагретую до температуры 40°С. Также как и сухой термометр мы начинаем нагреваться до 40°С, становится тепло. Протрем себя мокрой, пусть даже нагретой до 40°С горячей тряпкой (или просто подождем пока на коже не появится пот). Казалось бы, ничего не должно случиться. Но чудо, если баня сухая с влажностью 48%, наше тело также как и влажный термометр начинает охлаждаться до 30°С. Становится очень холодно! Значит надо повышать температуру воздуха, чтобы не замерзнуть.
Но есть, оказывается, и другой путь. Повысим влажность воздуха до 94%, например, плеснув («поддав») воду на раскаленные камни или просто открыв крышку чана с кипящей водой. Тотчас наше влажное тело в соответствии с таблицей начинает нагреваться до 39°С, вновь становится тепло, хотя судя по сухому термометру температура воздуха в бане от поддачи воды практически не повысилась и осталась на уровне 40°С.
Так что же, достаточна ли температура в 40°С для бани? Почему, то жарко, то холодно? Что все это означает? А это означает только одно: говорить просто о температуре бани нет смысла, надо говорить сразу о двух климатических параметрах — температуре и влажности воздуха. Точно так же, как и в обычной метеорологии — если вы приземляетесь в Гаване, и вам говорят, что температура воздуха за бортом 40° С при влажности 90%, то надо срочно снять пиджак, так как вы сейчас выйдете в пекло, но если вы приземляетесь в Ашхабаде, и вам говорят, что за бортом 40°С при влажности 10%, то надо еще подумать, так ли необходимо этот пиджак снимать.
Что такое сухой или влажный воздух, мы сразу интуитивно понимаем «кожей». Но что такое влажность воздуха, как ее измерить? Ведь психрометрическая таблица является лишь следствием процессов испарения. Первичным объективным параметром является абсолютная влажность воздуха — массовая концентрация молекул воды в воздухе, то есть массовое содержание газообразной воды (водяного пара, влаги) в воздухе, например, количество килограммов или литров жидкой воды, испаренной в одном кубическом метре воздуха (а также в одном кубическом метре бани). Если водяного пара в воздухе мало, то воздух сухой, если много — влажный. Но что значит много? Например, 100 граммов газообразной воды в одном кубическом метре воздуха — это много? И не много, и не мало, просто именно столько и ничего больше. Но если спросить, много ли — 100 граммов газообразной воды в одном кубическом метре воздуха при температуре 40°С, то можно определенно сказать, что очень много, так много, что никогда не бывает.
Снова вспомним школьный курс физики и проведем простейший эксперимент. Нальем в кастрюлю воду и, закрыв крышкой, поставим в термостат-духовку, нагретую до 40°С. По мере нагрева воды до 40° С замеряем абсолютную влажность воздуха под крышкой, которая, повышаясь, наконец достигает некоторого предельного максимального значения 0,05 кг/м3, называемого плотностью насыщенного пара при 40°С. Затем поднимаем температуру термостата до 50°С, абсолютная влажность воздуха под крышкой также повышается и достигает уже другого максимального значения 0,08 кг/м3, называемого плотностью насыщенного пара при 50°С. В результате продолжения эксперимента получаем следующую таблицу плотностей насыщенного пара (то есть максимальных значений абсолютной влажности воздуха) при различных температурах воды в кастрюле:
Теперь начнем охлаждать термостат, например, с 50°С до 40°С. Абсолютная влажность воздуха (содержание водяных паров в воздухе над водой под крышкой) сокращается до того же самого значения 0,05 кг/м3, что приведено в таблице. Куда же пропадает вода из воздуха? Так же как при нагреве вода в воздухе образуется в виде пара испарением воды, так же и сейчас — излишний пар конденсируется, то есть ожижается, превращается в воду. Конденсироваться пар может на охлаждающихся стенках кастрюли в виде мелких капель воды (то есть в виде росы), точно так же, как в случае запотевшего стекла, зеркала, а также в объеме охлаждающегося воздуха в виде тумана (мелких капелек воды размером менее 1 микрона в воздухе). При этом температура 40°С называется точкой росы для абсолютной влажности воздуха 0,05 кг/м3, так как при этой температуре начинает выделяться роса.
Сделаем небольшое отступление и поясним, что такое водяной пар (пары воды). Пары воды, так же как любой газ (или любой пар, например, испаряющегося бензина), невидимы, а туман, рассеивая свет, видим в виде белой «дымки». Каждый день мы можем наблюдать, как из чайника или из-под крышки кастрюли выходит пар, охлаждающийся в воздухе — при выходе из кастрюли сначала невидимый (в виде газа) он постепенно по мере удаления от кастрюли начинает охлаждаться, конденсироваться и превращаться в струи тумана. Затем капельки тумана вновь испаряются при смешении с большими количествами воздуха и пропадают. Отметим, что в кухонном быту под паром неправильно понимают именно струи тумана («клубы пара»), В банном деле под паром правильно понимают невидимые пары воды в воздухе, хотя зачастую в обиходе паром называют сам горячий воздух в бане: «в бане горячий пар или в бане холодный пар». Если при входе в баню лицо чувствует влагу (потеет), а очки запотевают, — то говорят, что пар «влажный», если не потеет — пар «сухой». Конечно же сам водяной пар (в виде газа) сухим или влажным быть не может, правильней говорить — сухой или влажный воздух. В профессиональном жаргоне сантехников зачастую применяют технические термины «мокрый» или «влажный» пар, когда хотят пояснить, что в магистральном паропроводе имеется конденсированная вода или пар содержит туман, а также термины «сухой», «перегретый» или «острый» пар, когда труба сухая, а пар не содержит тумана. Таким образом, терминология бывает совершенно разнообразной, и порой требуются дополнительные разъяснения. Научная, профессиональная и бытовая терминологии не одно и то же.
Но вернемся к таблице, что следует из нее? Во-первых, содержание воды в воздухе в виде водяного пара не может быть сколь угодно большим. Содержание водяных паров в воздухе (значение абсолютной влажности) ограничено неким максимальным значением, приведенным в таблице, которое называется плотностью насыщенного пара при заданной температуре. Во-вторых, плотность насыщенного пара быстро растет с температурой. В-третьих, если абсолютная влажность воздуха ниже плотности насыщенного пара и если есть вода (жидкая), контактирующая с воздухом, то вода может (и должна) испаряться до тех пор, пока абсолютная влажность воздуха не вырастет до значения плотности насыщенного пара при этой температуре. Если воздух не контактирует с водой, то абсолютная влажность воздуха возрастать не может, так как испаряться нечему.
Остановимся более подробно на последнем заключении. Как и раньше, возьмем кастрюлю с водой и поставим в термостат. Содержание водяных паров в воздухе под крышкой (абсолютная влажность) повышается до плотности насыщенного пара. Теперь продуем кастрюлю абсолютно сухим воздухом с той же температурой, что и вода в кастрюле, так, чтобы полностью удалить влажный воздух из-под крышки. В кастрюле установится абсолютная влажность воздуха равная нулю. Затем абсолютная влажность воздуха неминуемо за счет испарения воды начинает увеличиваться, и мы знаем, что она будет увеличиваться вновь до значения плотности насыщенного пара. Каким же параметром охарактеризовать процесс увлажнения воздуха?
Наиболее естественно определить степень влажности (сухости) воздуха отношением реальной абсолютной влажности воздуха в данный момент к максимально достижимой абсолютной влажности воздуха при данной температуре. Называется это отношение относительной влажностью воздуха и измеряется в процентах. Если относительная влажность воздуха равна нулю, то водяных паров в воздухе совсем нет (абсолютно сухой воздух). Если относительная влажность равна 100%, то воздух максимально влажен. Иногда в техническом жаргоне не совсем правильно воздух характеризуют значением относительной влажности более 100% — это означает, что в воздухе помимо паров воды находятся капельки конденсированной воды (туман), при этом говорят, что пар «влажный», что тоже терминологически неправильно.
Таким образом, процесс повышения абсолютной влажности воздуха под крышкой кастрюли, если в ней есть вода, характеризуется повышением относительной влажности воздуха от нуля до ста процентов. Относительная влажность указывает, может ли увеличиться влажность воздуха, если воздух привести в контакт с водой той же температуры, и на сколько может увеличиться, то есть фактически характеризует потенциальную влагоемкость воздуха.
Например, относительная влажность воздуха 30% означает, что в воздухе испарено лишь 30% того, что в принципе можно было бы в воздухе испарить, но пока не испарено (или пока не может быть испарено по причине отсутствия жидкой воды или низкой температуры воды). Относительная влажность воздуха обязательно относится к какой-либо конкретной температуре воздуха, то есть указание значения относительной влажности воздуха без указания значения температуры воздуха бессмысленно. На самом деле, относительная влажность 30% при температуре 20°С означает, что в воздухе испарено 0,005 кг/м3 воды, а относительная влажность 30% при температуре 80°С означает, что в воздухе испарено 0,09 кг/м3 воды, что, согласитесь, не одно и то же. С другой стороны, одна и та же абсолютная влажность соответствует, естественно, различным относительным влажностям при различных температурах.
Конкретизируем вышеприведенные абстрактные рассуждения и рассмотрим в качестве примера турецкую баню, представляющую собой каменное помещение с нагреваемым полом, называемым гипокаустом. По существу, турецкая баня является той же каменной «кастрюлей» с нагреваемым дном. Нагреем баню до 60°С, сохраняя полы сухими. Воздух в бане тоже нагреется до 60°С и сохранит ту же абсолютную влажность, так как в бане нет воды, которая могла бы испаряться. Если воздух вначале имел температуру, например, 20°С и относительную влажность 70%, то абсолютная влажность как была, так и сохранится на уровне 0,01 кг/м3, что соответствует относительной влажности 8% при температуре 60°С. Таким образом, мы получили очень сухую турецкую баню с температурой полов и воздуха 60°С, которую тем не менее горячей не назовешь, так как показания влажного термометра не превышают 25°С. Плеснем воду на горячий пол. Вода начинает испаряться, насыщая воздух парами воды. Относительная влажность в бане будет расти от 8% до 100%, абсолютная влажность от 0,01 кг/м3 до 0,13 кг/м3. При объеме бани Юм3 при этом может испариться до 1,2 литра воды. В результате получаем влажную турецкую баню с температурой полов и воздуха на уровне тех же 60°С, но очень горячую, так как показание влажного термометра достигает 60°С. Такие климатические параметры фактически соответствуют нахождению в воде с температурой 60°С — этого не выдержит ни один человек. При входе в такую баню человека, имеющего температуру кожи 40°С, воздух вокруг человека начинает остывать так же до 40°С, начинается интенсивная конденсация горячего водяного пара из воздуха с выделением скрытой теплоты конденсации, в результате чего кожу начинает сначала «пощипывать», а затем словно обливать невыносимо горячей водой. Присутствие человека в такой бане приводит фактически к переносу горячей воды (путем испарения с последующей конденсацией) с горячего пола с температурой 60°С на холодную кожу человека с температурой условно 40°С. Таким образом, различие температур человеческого тела, воды, стен, полов и воздуха в бане приводит к явлениям переноса воды внутри бани. Если воды на полу не очень много, то вся она переконденсируется на тело человека (если он выдержит), после чего абсолютная влажность воздуха снизится до 0,05 кг/м3, и конденсация прекратится.
Теперь рассмотрим противоположный случай: человек входит в упомянутую выше сухую турецкую баню с температурой 60°С и относительной влажностью 8%. Хотя такая баня весьма прохладная, тем не менее человек пусть слабо, но выделяет пот и, кроме того, влагу из легких. Абсолютная влажность воздуха в бане начинает потихоньку возрастать (при отсутствии вентиляции), но стать больше, чем 0,05 кг/м3 не может, так как в противном случае началась бы обратная конденсация водяных паров на тело человека, имеющего температуру порядка 40°С.
Значение абсолютной влажности воздуха 0,05 кг/м3 соответствует плотности насыщенного пара при температуре кожи человека в бане 40°С. При достижении такой абсолютной влажности воздуха человек теряет возможность испарять пот с кожи. Такая абсолютная влажность воздуха является критической для человека при любой температуре воздуха, долго вынести такую абсолютную влажность человек не в состоянии. Вместе с тем, именно такую абсолютную влажность человек создает (вернее пытается создать) при входе как в сухую, так и влажную баню путем либо испарения пота, либо конденсации пара из воздуха бани.
Теперь такую баню с абсолютной влажностью 0,05 кг/м3 начнем нагревать или охлаждать как единое целое и при каждой температуре рассчитывать относительную влажность воздуха делением значения 0,05 кг/м3 на плотность насыщенного пара при разных температурах. В результате получим следующую таблицу, которую назовем хомотермальной (от латинских слов «homo» — человек и «thermae» — теплые купальни):
Вышеприведенная хомотермальная таблица (и соответствующая ей классическая хомотермальная кривая на рис. 1) практически в точности описывает реальные климатические условия парных бань всех возможных типов — турецких, русских, финских... Для всех бань характерна одна и та же критическая абсолютная влажность порядка 0,05 кг/м3, что с первого взгляда просто крайне удивительно. Однако, все встает на свои места, если учесть вышеприведенные соображения. С точки зрения молекулярной кинетической теории при такой абсолютной влажности концентрация молекул воды в воздухе бани сравнивается с концентрацией молекул воды в прикожном слое воздуха, градиент концентрации молекул воды становится равным нулю, и диффузия молекул воды в воздухе (обуславливающая процесс испарения) от тела человека в окружающую воздушную среду становится не возможной.
Рис 1. Теоретические зависимости относительной влажности от температуры воздуха при фиксированных абсолютных влажностях воздуха: 1 — 0,050 кг/м3, 2 — 0,103 кг/м3. Указанные зависимости представляют собой хомотермаль- ные кривые для температур кожи: 1 — классическая для 40°С (нормальная баня), 2 — экстремальная для 55°С (предельно высокая для рук и ног). Кривые соответствуют показаниям влажного термометра: 1 — (40—45)°С, 2 — (45—50)°С; соответствуют точкам росы: 1— 40°С, 2 — 55°С.
Столь же удивительным с первого взгляда представляется тот факт, что все известные климатические условия бань могут быть достигнуты в конструкции типа простой турецкой бани.
Многие люди, в том числе и врачи, по наивности полагают, что климатические режимы различных традиционных парных бань специально разработаны «многовековым опытом многочисленных поколений предков». Это глубочайшее заблуждение. Других режимов, помимо приведенных в теоретической хомотермальной таблице, просто не существует в природе.
Для конструирования бань важно понять не только то, что при определенной температуре воздуха человек способен выдержать лишь некоторую максимальную относительную влажность воздуха, о чем так много пишут в литературе. Еще более важно понять, что вне зависимости от температуры человек способен выдержать лишь некоторую максимальную абсолютную влажность воздуха порядка 0,05 кг/м3. Конечно, есть люди, способные, охладившись, кратковременно вынести и более высокую влажность. Считается, что люди для мытья тела используют воду с температурой 45 ° С, а для мытья рук и ног даже 55°С. При этом следует учитывать, что туловище настолько массивно, что разогревается долго. Отсюда и экстремальная хомотермальная кривая, рассчитанная для точки росы 55°С и абсолютной влажностью 0,1 кг/м3 соответствен- но(кривая 2 на рис. 1). Это предельные условия для паровой бани.
Теперь рассмотрим случай финской бани, конструктивно представляющей собой деревянный ящик с раскаленной печью. Ранее, анализируя турецкую баню, мы рассматривали ее как «кастрюлю с крышкой», в которой температуры воздуха, потолка, стен, пола и воды подразумевались равными друг другу (изотермальная баня), только человек имел температуру 40°С, поскольку иную температуру человек иметь просто не может. Но в финской бане температура потолка всегда много выше температуры пола и вовсе не равна температуре воздуха. Поэтому для анализа климатических характеристик в финской бане надо рассматривать каждую точку бани (неподвижную или, что бывает порой даже удобней, движущуюся вместе с хаотическими потоками воздуха) в отдельности, в каждой такой локальной точке бани мысленно как бы «выгородить маленькую кастрюлю с крышкой» и замерить в ней температуру и влажность. В качестве простейшего примера «выгородим кастрюлю» в воздухе бани в непосредственной близости к разгоряченной коже человека, где температура воздуха всегда составляет 40°С, а абсолютная влажность всегда равна равновесной порядка 0,05 кг/м3. Далее эта «выгороженная кастрюля» вместе с потоками воздуха в бане начнет перемещаться по всему объему бани, то поднимаясь вверх, нагреваясь у печки, то опускаясь вниз, охлаждаясь у стен. Понятно, что абсолютная влажность в «кастрюле» не изменяется (в предположении отсутствия процессов испарения-конденсации). Но относительная влажность изменяется: в полном соответствии с хо- мотермальной таблицей. Поэтому в финской бане (финской по конструктивному оформлению, см. раздел 3) мы имеем финскую баню (по климатическим параметрам) у потолка (где самая высокая температура), турецкую баню ближе к полу (где самая низкая температура), а по середине — русскую баню. Такова реальная картина. Таким образом, все известные банные режимы, «подобранные многовековым опытом человечества», сами собой реализуются одновременно в любой финской сауне. Вывод, согласитесь, нетривиальный. Правда, здесь есть важные нюансы, связанные с наличием процессов испарения-конденсации, которые мы рассмотрим позже.
Наиболее любознательные любители бани пытаются контролировать климатические условия в бане с помощью гигрометров. К сожалению, бытовые гигрометры, в том числе и дорогостоящие специализированные импортные приборы для сауны, ненадежны, особенно при сопоставлении данных при различных температурах. Кроме того, знание относительной влажности мало что дает парильщику, необходим пересчет по хомотермальной таблице. Рекомендуем для оценки климатической обстановки очень простой, крайне дешевый, и безошибочный прибор: любой капиллярный термометр, резервуар которого обмотан ватой, то есть обычный влажный термометр. Зафиксировав показания сухого термометра, спрыснем на вату водой (лучше горячей) и проследим, как изменяются показания термометра, пока не высохнет ватка. Понижение температуры термометра после его увлажнения будет характеризовать влажность воздуха: чем больше понижение температуры, тем суше воздух. Если температура по влажному термометру выше 50°С, то это очень жаркая (экстремальная) парилка для любителя, если 40—50°С — это нормальная парилка, чтобы не спеша погреться и расслабиться, если 35—40°С — это хорошая климатическая обстановка, чтобы помыться после парной. Температура по обычному сухому термометру не играет роли, можно мыться даже при 100°С, но удержать при этом в процессе мойки температуру по влажному термометру 35°С очень трудно: необходимо постоянно осушать воздух или вентилировать баню, что экономически и технически нецелесообразно.
Еще более точный метод оценки абсолютной влажности (но, к сожалению, довольно сложный) — определение точки росы, которая при абсолютной влажности 0,05 кг/м3 составляет ровно 40°С. Во всяком случае при проектировании стен бани надо исходить из точки росы 40°С. Что такое роса? Мы ее видим постоянно в ванной комнате в виде запотевшего зеркала при приеме душа.
Принцип работы прибора по определению точки росы заключается в подборе той температуры поверхности (желательно зеркальной стеклянной или металлической), при которой появляются мелкие капельки росы. Например, на полированной металлической пластинке закрепляется термометр и трубочка, по которой можно пропустить холодную воду. Даем пластинке нагреться до температуры воздуха в бане, а затем начинаем медленно пропускать холодную воду. Пластинка начнет охлаждаться. Температура, при которой появится роса (запотевание) на пластине, и будет точкой росы. Точное определение температуры росы возможно только при помощи микроскопа, поскольку капельки росы вначале очень маленькие (такие же, как на запотевшем зеркале в ванной).
Однако убедиться в том, что в результате поддач достигнут режим конденсации, можно сравнительно легко с помощью крайне упрощенного «прибора»: ведра с температурой воды 40°С или блестящей пластинки (зеркала), прикрепленной к телу человека (металлического никелированного браслета или даже обычной липкой металлизированной ленты типа скотча). При достижении режима конденсации (то есть точки росы 40°С) на ведре, браслете или скотче, протираемых сухим полотенцем, появляются мелкие капельки росы (запотевание).
Значение относительной влажности имеет смысл только для изотермических условий, когда температура воды равна температуре воздуха. Так например, после дождя листья на деревьях мокрые и температура листьев (вместе с водой, которая находится на листьях) равна температуре воздуха. Тогда низкое значение относительной влажности воздуха означает, что листья быстро высохнут, а высокое значение относительной влажности воздуха означает, что листва на деревьях, видимо, еще долго будет мокрая. Иная картина имеет место в случае, если вода присутствует в виде большого водоема, который не успевает нагреваться и охлаждаться вместе с воздушными массами и который, вследствие этого, имеет совсем другую температуру, нежели окружающий воздух. Здесь уже только по одному значению относительной влажности воздуха однозначно сказать что-либо совершенно невозможно. То есть при одной и той же относительной влажности, но при различных температурах воды и воздуха, вода может и испаряться из водоема, а может и конденсироваться из воздуха на поверхность водоема. Также и в бане, низкая относительная влажность означает только то, что листья на вашем венике сохнут быстро, может быть, быстро высохнет и та полка, вблизи которой установлен гигрометр. Но что касается человека, который по чисто физиологическим причинам не может нагреться выше 40°С (вернее, не может позволить себе нагреться выше 40°С), то сказать, что пот с него будет испаряться при низкой относительной влажности, однозначно нельзя.
К примеру, вы сидите на полке парной бани, рядом с вами гигрометр, указывающий относительную влажность 40%, температура по сухому термометру 40°С. Смачиваете кожу водой — сохнет. Смачиваете водой полку — сохнет. Поднимаете температуру воздуха до 70°С, сохраняя ту же относительную влажность. Казалось бы, что вода у вас на коже и на полке должна испаряться еще более интенсивно, температура ведь возросла. Так нет же, кожа перестает сохнуть вовсе, более того, пот начинает течь «ручьем». Но полка сохнет. К вашему удивлению сохнут и кончики волос на неприкрытой голове и становятся горячими. Казалось бы, объяснение только одно: начали сильно потеть. Но пот почему-то не соленый. Да и не пот это вовсе, а конденсат водяных паров из воздуха. Так почему тогда сохнут волосы, полки и веник? Только потому, что их температура поднимается вместе с температурой воздуха вплоть до 70°С, а температура тела подняться выше 40°С не может — человек просто выскакивает из парной, если перегревается. При этом человек неминуемо представляет собой холодный элемент бани, на нем конденсируется вода, испаряющаяся в каменке, на полках, на венике, на волосах головы, то есть со всех горячих элементов бани.
В том, что в воздухе бани с температурой 70°С и относительной влажностью 40% действительно содержится много воды, легко убедиться, анализируя процедуру получения бани с такими климатическими параметрами. Вначале мы имеем 40° С при относительной влажности 40%, при этом в воздухе объемом 10 м3 содержится 0,2 кг воды. Нагреем баню без увлажнения до 70°С, относительная влажность автоматически снизитсядо 10%. Чтобыподнять относительную влажность до 40% нам придется испарить в объеме бани еще 0,6 кг воды (путем поддачи воды на камни, либо испарением воды из кастрюли, либо с помощью какого-либо иного парогенератора). Это достаточно много для такого объема бани. Вот эта испаренная вода и конденсируется на теле человека с «пощипыванием», стекает «ручьем», смачивает веник при похлопывании по телу. Кроме того, и, можно сказать, более того, вода конденсируется и на прохладных стенах и на холодном полу, особенно при сильной циркуляции воздуха, например, за счет горячей печи, так что влажность воздуха в бане быстро снижается (баня «не держит пар»), и приходится вновь поддавать воду на камни, чтобы тек «пот». Но это не пот, как мы уже установили, столько пота за пять минут человек выделить не может. Этот якобы «пот» (а на самом деле конденсат) усиливается при обмахивании тела веником, так как это обеспечивает приток к коже новых порций влажного горячего воздуха. Движениями веника вниз можно направить влажный воздух и к холодному полу, где и выделится роса. Это называется «посадить пар».
То, что в бане могут быть элементы еще более холодные, чем человек, имеет очень большое значение для формирования климатической обстановки в бане, хотя напрямую эти холодные элементы на человека могут и не воздействовать. Воздух в бане при наличии горячей печи непрерывно циркулирует, перемещается то вверх, то вниз. При соприкосновении с холодными элементами воздух охлаждается и, выделяя росу, обезвоживается путем конденсации (осушается). Если охлаждение воздуха на холодных элементах (полах, нижних частях стен, ведрах и бочках с холодной водой) компенсируется последующим нагревом от печи, то осушение воздуха ничем не компенсируется. Абсолютная влажность постепенно снижается и устанавливается на уровне плотности насыщенного пара при температуре самого холодного элемента в бане. Если самым холодным элементом является сам человек или вода, которой он моется, то абсолютная влажность воздуха в бане, как мы установили выше, стремится к 0,05 кг/м3. Если есть элементы с температурой, например, 20°С, то абсолютная влажность стремится к 0,017 кг/м3. Таким образом, если в сауне хорошая циркуляция воздуха, а пол имеет температуру 20°С, то относительная влажность у потолка с температурой 100°С составит 3%, что в три раз ниже критической относительной влажности при 100°С по хомотермальной таблице (а это означает, что человек в такой сауне не испытывает изнуряющей жары и может сидеть на верхней полке сколь-угод- но долго, пока не покинет баню уже совсем по другой причине — например, по причине обезвоживания крови из-за длительного потоотделения). Если же пол в сауне теплый с температурой выше 40°С, то человек становится самым холодным элементом, и в бане постепенно устанавливается изнуряющая жара с относительной влажностью 9% при при температуре 100°С, а любая поддача воды на камни приводит к конденсации всей этой испаренной воды на кожу человека, так как конденсироваться этой воде больше некуда. Поэтому и говорят, что баня с холодным полом (или, например, с холодным оголовком кирпичной дымовой трубы) «не держит пар», особенно при сильной циркуляции воздуха, а баня с теплым полом и с увлажненными горячими стенами — «пар держит». Увлажнение бани путем поддачи воды на камни, действительно, можно заменить увлажнением (лучше пульверизатором) горячих деревянных стен, потолка, полов, или просто открытием крышки на баке с горячей водой — никакого значения для формирования более-менее длительной климатической обстановки это не имеет. Действительно, и «при правильных поддачах» происходит в основном увлажнение стен и потолка, причем если потолок не очень горячий, испарение с него конденсата будет происходить долго (баня будет долго «держать пар»). Подчеркиваем это для того, чтобы пояснить, что горячая деревянная полка в финской конструкции бани, если ее полить водой, является фактически таким же испарителем воды, так и политый водой мраморный горячий пол в турецкой конструкции бани или раскаленная каменка, на которую поддают воду в русской конструкции бани, или электронный банный парогенератор.
Анализ климатической обстановки в банях можно продолжить. Например, если в банной парилке прикрыть отдельные части тела тканью (простыней, шапочкой, рукавицами и т. п.), то ткань будет впитывать в себя пот и одновременно, ввиду своей малой теплоемкости, нагреваться до температуры воздуха и испарять с себя этот выступивший пот даже в тех условиях, когда пот непосредственно с тела человека испаряться не может по климатическим причинам, изложенным выше. Этот метод часто употребляется в банях для устранения текущего пота. Кроме того, в режимах конденсации ткань не позволяет влажному воздуху достигать тела (особенно при обдувах веником) и тем самым препятствует выделению горячей росы на теле (особенно на голове, находящейся обычно в бане в наиболее критических условиях). Поэтому шапочки на голове целесообразны лишь при высоких абсолютных влаж- ностях воздуха.
Для специалистов приведем соотношения показаний сухого и влажного термометров при различных значениях абсолютной влажности воздуха (то есть при различных значениях точки росы):
В популярной строительной литературе при обсуждении вопросов выделения конденсата в паропроницаемых стенах домов часто встречается ошибочное заявление, что точка росы всегда равна 0°С. Температура 0°С соответствует точке замерзания воды (или таяния льдов) и никакого отношения к точке росы не имеет. Точка росы определяется только абсолютной влажностью воздуха (что и отражено в вышеприведенной таблице) и, наоборот, точка росы однозначно определяет абсолютную влажность воздуха. Действительно, летом роса выпадает на траве ночью при температуре значительно выше 0°С. Так и в бане, где абсолютная влажность в парилке чаще всего находится на уровне 0,050 кг/м3, точка росы составляет примерно 40°С (хотя в финской бане она обычно ниже, а в русской парной бане выше). В жилых помещениях при температуре 20°С и относительной влажности 50% точка росы равна 10°С (при абсолютной влажности 0,007 кг/м3), а при температуре 25°С и относительной влажности 50% точка росы равна 15°С (при абсолютной влажности 0,010 кг/м3). Точка росы равна 0°С при абсолютной влажности 0,004 кг/м3, то есть, например, если в жилом помещении при температуре 25°С относительная влажность равна 20%. Следовательно, точка росы может быть разной и изменяться во времени, она может быть и отрицательной, но для воздуха жилых помещений реально она всегда выше 0°С.
Выделение росы легко наблюдать, «дыхнув» на зеркало. Абсолютная влажность выдыхаемого воздуха 0,04 кг/м3 как раз и равна абсолютной влажности нормальной бани. Если не выдыхать, а выдувать из легких воздух (с силой дуть на зеркало), то образование росы затрудняется как за счет разогрева зеркала выдуваемым воздухом, так и за счет снижения абсолютной влажности выдыхаемого воздуха. В нормальной бане роса на зеркале от выдыхаемого воздуха в любом случае образовываться не должна (в отличие от помещений для ванн и душа).
Выделение конденсата может наблюдаться не только в виде росы, но и в виде тумана. Протапливая баню в холодное время года образование тумана в выдыхаемом воздухе (пара при дыхании) происходит при температурах ниже плюс 8— 10°С. При более высоких температурах туман при дыхании уже не образуется, но роса при дыхании на зеркало выделяется вплоть до температур 30—35°С. То есть, если выделяется туман, то образование росы наверняка возможно, но не наоборот. Этот факт очень важен при подготовке влажной паровой бани конденсационного типа: правильная процедура увлажнения потолка и стен путем выделения росы на потолке (впитывающейся деревом или превращающейся в капли на металле) при поддаче воды на каменку не должна сопровождаться образованием тумана («клубов пара») в помещении парной. Пар из каменки надо направлять вверх, а не вниз, где в холодном воздухе преимущественно и образуется туман. Образование тумана не относится к недостаткам (в старых банях туман даже ценился), но является однозначным свидетельством плохо протопленной или плохо построенной бани.
В заключение еще раз подчеркнем, что для комфортного мытья какие-либо экстремальные режимы с высокой температурой или влажностью вовсе не требуются. Но знание методов получения экстремальных режимов совершенно необходимо при постройке бань любых типов и назначений. Дело в том, что мытье в ванне или под душем возможно в климатических условиях обычных жилых помещений, поскольку все тело контактирует с горячей водой. В банях же в отличие от ванн и душа нагрев тела осуществляется не водой, а воздухом. Причем в случае мокрого тела ощущения тепла создаются только в условиях экстремальных режимов.
Кстати, потеть и париться совсем не одно и то же. Это понятия из совершенно разных областей: физиологической и климатической. Но они настолько связаны, что в бытовой терминологии стали одним и тем же: «бегал и запарился», «бегал и вспотел». Не будем обсуждать, откуда в русском языке пошла эта неразбериха в терминах: конечно из бани.
Выводы:
Комфортные климатические условия в гигиенической бане соответствуют абсолютной влажности воздуха порядка 0,05 кг/м3. Такая абсолютная влажность может быть достигнута при температурах выше 40° С и относительных влажное- тях воздуха в соответствии с теоретической хомотермальной таблицей. Хомотермальная таблица показывает, при какой относительной влажности воздуха при заданной температуре перестает испаряться пот с кожи человека (критический переход от потоотделения к потению) и перестает действовать механизм терморегуляции организма.
Для русских паровых бань характерны кратковременные повышения абсолютной влажности сверх критических значений путем поддач воды на раскаленные камни с реализацией режима конденсации влаги из воздуха на кожу человека с ощущениями «пощипывания и покалывания», нестерпимого жара и обильного выделения влаги на коже (конденсата).
Для практической оценки комфортности банных условий удобно пользоваться обычным влажным термометром, показания которого (вне зависимости от температуры и влажности воздуха) для парных отделений должны составлять 40—50°С, для моечных бань 35—40°С, а в режимах поддач с конденсацией пара на тело человека — кратковременно до 60°С.
Скачать каталог оборудования
Котел Казак по Белому
Самый производительный и безопасный котел от создателя!
Перейти в раздел >> Вопросы и техническая поддержка.
Печь Казачка Твердыня по Белому Настоящая печь для бани от создателя!