厚的一件外套，不如薄的多層疊穿更保暖，為什麼？
― 真正保暖的不是布料，而是夾在中間的空氣
每到換季的時候，總會聽到「疊穿比較保暖」這句話。布料的量明明相同，甚至更少，為什麼反而更暖？答案不在布料本身，而在布料之間形成的那層薄薄的空氣。而這層空氣，還有一個「再厚也沒用」的明確界線。
早晚開始轉涼，該把長袖從衣櫃深處拿出來了。這時你會猶豫：要穿一件厚厚的毛衣，還是疊穿幾件薄襯衫？
登山的人、在戶外工作的人，多半會選擇後者。「別穿一件厚的，寧可疊穿幾件薄的」，在這些場合幾乎是一句口號。
這其實很奇怪。如果保暖程度是由布料量決定，厚的那一件應該更有利。可是實際上，減少布料反而可能更暖。
原因只有兩個
布料的纖維本身，其實比空氣更容易傳熱。疊穿衣物時，布與布之間會形成一層靜止不動的空氣層。這層空氣，比布料更是優秀的絕熱材料。
熱量不易散失的程度，會隨著每多夾一層而累加。所以即使是薄布料，只要在中間夾入空氣層層疊穿，效果也能超過一件厚外套。
不過，並不是疊得越多越好。空氣層一旦太厚，裡面的空氣會開始流動，反而把熱量帶走。這個臨界點，之後也會用計算求出來。
空氣，是身邊最優秀的絕熱材料
物體導熱的程度，用「熱傳導率」這個數值來表示。數值越小，代表越不容易導熱。
靜止空氣在20℃時的熱傳導率大約是0.026。而羊毛或棉布，因為纖維本身較密實，大約是0.04左右。也就是說，布料反而比空氣更容易導熱。
毛茸茸的毛衣很暖、羽絨被很暖，道理是一樣的。真正製造出溫暖感的，是纖維所包裹住的大量空氣。把羽絨壓扁後就不暖了，原因就是空氣被擠出去了。
疊穿其實也是在「衣服與衣服之間」做同樣的事。請看圖1。即使布料量差不多，中間夾了空氣的那一邊，熱量更不容易通過。
不過，空隙上限是1公分
那麼，把衣服穿得寬鬆一些、讓空氣層變厚，是不是就能一直更保暖下去呢？並不是這樣。
只要空氣靜止不動，熱量就只能緩慢傳導。可是一旦空氣層變厚，下方變熱的空氣就會變輕開始上升。空氣一旦開始流動，熱量就會被空氣本身帶著，一下子跑到外面去。
這個開始流動的臨界點，在皮膚與外部氣溫相差約15℃時，空隙厚度大約是1公分。計算方式收在最後的收合區塊裡。
也就是說，最適合的空隙大約是幾毫米到1公分。緊貼身體的話形成不了空氣層，反過來太寬鬆的話空氣又會開始流動。登山服之所以做成「稍微寬鬆一點」的樣子，就是瞄準這個範圍。
外面吹來的風，會把辛苦形成的空氣層吹散。不管裡面的衣服多優秀，只要風穿透進來，效果就會大幅下降。在最外層加一件擋風的衣服，就能保護內側的空氣層。比起把中間那件加厚，多加一件外層往往更有效，原因就在這裡。
汗水的水分一旦積在空氣層裡，那個部位的導熱能力會一下子提高。因為水的導熱能力是空氣的20倍以上。動之前先脫一件，停下來之前再穿上，這才是最能發揮疊穿效果的用法。
總結
疊穿之所以保暖，不是因為布料變多了，而是因為布與布之間形成的靜止空氣層增加了。熱量不易散失的程度會隨層數累加，但空隙一旦超過1公分，空氣就會開始流動，效果也就到了上限。
製造出溫暖的，不是衣服本身，
而是衣服所困住的空氣。
「困住空氣」這個機制，其他場合也會出現。保溫瓶為什麼能撐好幾個小時不變涼？ 講的是把空氣本身抽掉的方法。冷的時候為什麼會起雞皮疙瘩？ 則是身體想靠體毛做同樣的事。
- 準備兩支相同的寶特瓶，裝入相同溫度、相同量的熱水。
- 其中一支用毛巾緊緊纏繞三層。另一支用同樣的毛巾，鬆鬆地纏繞，中間留出約一指寬的空隙。
- 30分鐘後，測量並比較兩邊的水溫。即使布料量相同，鬆鬆纏繞的那一支應該仍然比較溫熱。
如果把纏法放寬到「三指寬的空隙」，差距反而會縮小。因為空氣在裡面開始流動了。
想知道更多 ― 用語、公式與教科書的連結從國中理科到大學專業科目，明確標示這是哪個層級的內容
- 國中國中理科課程範圍
- 高中高中「物理基礎・物理」課程範圍
- 高中＋高中進階內容，或教科書專欄性質的內容
- 大學高中不教的大學專業科目（傳熱工程・流體力學）內容
- 研究即使在大學也不當作「定論」教授、研究者仍在探究中的內容
國中用語：這個現象是有名字的
- 熱傳導：物體本身不移動，熱量從高溫處傳到低溫處的現象。疊穿衣物中發生的，主要就是這個。
- 熱傳導率：表示各材料導熱難易程度的數值。單位是瓦每米每凱爾文，數值越小越不易導熱。
- 熱阻：表示某一層有多不容易導熱的量。用厚度除以熱傳導率求得，層層疊加時可以直接相加。
- 對流：變熱的空氣或水本身移動，把熱量帶著走的現象。空隙太寬時就會開始發生。
國中高中用公式驗證：逸失的熱量，差了幾瓦
實際算出穿一件厚外套，和疊穿三件薄衣時，身體逸失的熱量分別是多少瓦。
| 用符號寫 | Q ＝ A × ΔT ÷ R 以及 R ＝ d ÷ λ 、 R合計 ＝ R1 ＋ R2 |
| 用文字寫 | 逸失熱量 ＝ 面積 × 溫差 ÷ 熱阻。熱阻 ＝ 厚度 ÷ 熱傳導率。多層並排時，熱阻可以相加。 |
| 公式的來源 | 來自「熱流量與溫度下降幅度成正比」的定律（傅立葉定律）。這與電學中「電流 ＝ 電壓 ÷ 電阻」的形式相同，連串聯電阻相加的方式都一模一樣。 |
| 布料的熱傳導率 λ | 大約 0.04（單位是瓦每米每凱爾文） |
| 靜止空氣的熱傳導率 λ | 20℃時大約 0.026（同單位） |
| 成人體表面積 A | 大約 1.7（單位是平方米） |
| 皮膚與外部氣溫的溫差 ΔT | 33℃與18℃相差 15（單位是凱爾文） |
| 一件厚外套的厚度 d | 0.008（單位是米） |
| 三件薄衣布料的總厚度 d | 0.006（同單位） |
| 中間空氣層的總厚度 d | 0.004（同單位） |
| 一件厚外套的熱阻 | 0.008 ÷ 0.04 ＝ 0.2 |
| 疊穿中布料部分 | 0.006 ÷ 0.04 ＝ 0.15 |
| 疊穿中空氣部分 | 0.004 ÷ 0.026 ≒ 0.154 |
| 疊穿的熱阻合計 | 0.15 ＋ 0.154 ＝ 0.304 |
| 面積乘以溫差 | 1.7 × 15 ＝ 25.5 |
| 一件厚外套逸失的熱量 | 25.5 ÷ 0.2 ＝ 127.5 |
| 疊穿逸失的熱量 | 25.5 ÷ 0.304 ≒ 83.9 |
單位是瓦。減少了2毫米的布料，逸失的熱量卻從127.5瓦降到83.9瓦，減少了將近四成。靜坐不動的人所產生的熱量，大約是100瓦。穿一件厚外套時，逸失的熱量比產生的熱量還多，體溫會慢慢下降。疊穿時逸失的熱量較少，按計算能維持體溫。
高中高中＋空隙1公分就是上限的原因
高中空氣層越厚，熱阻就越大。可是一旦超過某個厚度，層內變熱的空氣就會上浮，變冷的空氣則會下沉，形成循環。這就是自然對流。一旦發生，熱量就會搭著空氣被帶走，加厚空氣層的效果也就消失了。
高中＋循環是否開始，取決於想要上浮的力與黏性所產生的阻力之間的拉鋸。表示這個比例的無量綱數稱為雷利數，已知在上下夾住的空氣層中，數值一旦超過大約1708，循環就會開始。以溫差15℃反推達到這個數值所需的厚度，大約就是1公分。正文中提到的參考值，就是從這個計算得來的。
大學設計衣物絕熱時的思考方式
在傳熱工程中，這類問題會當作熱阻的串聯電路來處理。若加入對流因素，會用努塞爾數表示包含對流的導熱能力，並透過與雷利數的關係式（雷利－貝納對流的相關式）來估算。在服裝領域，熱阻用一種名為克羅（clo）的專用單位表示，並利用會發熱的假人「熱假人」實際測量。國際標準甚至規定了從這個數值推估所需衣著量的步驟。
📖 公式的推導與更深入的內容：熱傳導（日文版維基百科） ／ 雷利數（日文版維基百科）
研究目前仍未完全清楚的部分
- 活動中的人所穿的衣物，仍無法妥善計算。 每走一步，衣服就像風箱一樣把空氣抽出、吸入。這種進出會多大程度削弱絕熱效果，強烈受身體動作與衣服形狀左右，尚未形成通用公式。
- 汗水在布料中移動的過程很棘手。 由水蒸氣帶走的熱量，與被布料吸收的水分帶走的熱量交纏在一起，還會跨層凝結、再度蒸發。要正確解出這種組合的計算，目前仍在持續改良中。
- 假人測得的數值，與人實際感受到的溫暖有落差。 人體會透過改變血流量自行調節皮膚溫度，這與保持表面恆溫的假人條件不同。如何填補這個差距，至今仍是研究課題。
也就是說，本文的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。作為靜止不動時的參考值已經足夠，但在活動的場合會有落差。
與教科書的連結（依層級）
| 層級 | 科目・單元 | 本文對應位置 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科・身邊的現象（熱的傳遞方式） | 傳導與對流的差異、空氣不易導熱這件事 |
| 高中 | 物理基礎・熱（熱的移動、熱量） | 用厚度與熱傳導率求出熱阻、計算逸失熱量的部分 |
| 高中＋ | 物理・進階（對流、無量綱數） | 空隙1公分就是上限的原因、雷利數 |
| 大學 | 傳熱工程・建築環境工程 | 熱阻的串聯、努塞爾數、克羅這個單位 |
| 研究 | 被服科學・生理人類學 | 包含活動與汗水在內的衣物絕熱評估 |
| ― | 與生活的連結 | 換季、登山與戶外工作的服裝選擇、被子的選擇 |
- 國立天文台 編《理科年表》（空氣及各種材料的熱傳導率）
- 日本建築學會 編《建築環境工學用教材 環境篇》（Nihon Kenchiku Gakkai《建築環境工学用教材 環境編》，熱阻的串聯計算、衣著的熱阻）
- 國際標準 ISO 9920（衣物熱阻及水蒸氣阻的推估）
- 田村照子 編著《衣環境の科学》建帛社（Tamura Teruko《衣環境の科学》，被服的絕熱與空氣層）
※本文為一般大眾的科普解說。文中數值僅為理解原理所用的參考、概算值。實際衣物的保暖程度，會因材質、縫製方式、風、濕氣而大幅改變。在嚴寒環境下，請遵循氣象資訊及地方政府、主辦單位的指示。