Thermische Energie, Teil 1: Was ist Wärme?
Dieser Artikel beschreibt Wärme und Temperatur für alle, die ein tieferes Verständnis der Thermoregulation erlangen möchten. Dafür ist eine kurze Erklärung einiger grundlegender physikalischer Prinzipien erforderlich. Wir beginnen damit, bevor wir uns der praktischen Frage zuwenden, warum das wichtig ist.
Was ist Wärme?
Auf der grundlegendsten Ebene ist Wärme Energie. Oft als thermische Energie bezeichnet, ist Wärme eine Art von kinetischer Energie (kinetische Energie ist die Energie der Bewegung), die auf molekularer Ebene wirkt. Wärme wurde beschrieben als „unsere makroskopische Wahrnehmung sich bewegender Teilchen – je schneller sie sich bewegen, desto heißer fühlt sich eine Substanz für uns an“.
Mit kinetischer Energie bist du bereits vertraut, auch wenn du nie darüber nachdenkst, da sie allem innewohnt, was sich bewegt. Wenn du fährst, erlebst du kinetische Energie als Fahrzeugbewegung. Um anzuhalten, übst du eine entgegengesetzte Kraft aus – Reibung durch die Bremsen –, die nahezu die gesamte kinetische Energie des Autos in thermische Energie umwandelt. Deshalb werden überbeanspruchte Bremsen heiß und rauchen (ein kleiner Teil der Energie wird auch in Schall umgewandelt, wie das Quietschen, das man hört, wenn man die Bremsbeläge wechseln muss).
Die Menge der kinetischen Energie eines Autos hängt von zwei Faktoren ab – der Masse (Größe und Gewicht) des Autos und der Geschwindigkeit, mit der es sich bewegt. Von diesen beiden Faktoren hat die Geschwindigkeit den weitaus größeren Effekt auf die Energiemenge, da die Gleichung für kinetische Energie den Geschwindigkeitsanteil quadriert (KE = ½mv²). Wir haben ein Auto als Beispiel verwendet, aber dasselbe Prinzip gilt für alles mit Masse und Bewegung – buchstäblich alles im Universum, das mindestens so groß ist wie ein Atom.[1]
Wir müssen uns Materie ansehen, die viel kleiner ist als ein Auto, um Wärme zu verstehen. Bei Energie in Atomen und Molekülen stammt die Geschwindigkeitskomponente aus Vibration (in festen Stoffen) oder Vibration und Bewegung (in Flüssigkeiten und Gasen). Jedes Atom mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt vibriert, wenn auch nur geringfügig (der absolute Nullpunkt liegt bei -273,15 °C oder 0 K, gemäß der wissenschaftlich bevorzugten Kelvin-Temperaturskala). Was die Masse betrifft, so haben selbst infinitesimal kleine Atome eine geringe Masse.
Die Kombination aus Masse und Geschwindigkeit bedeutet, dass in allen Atomen und Molekülen Energie vorhanden ist, auch wenn nur in sehr geringer Menge. Laut dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik ist das Erreichen des absoluten Nullpunkts unmöglich, also wissen wir, dass jedes Atom und Molekül im Universum eine Temperatur hat, die zumindest etwas über -273,15 °C liegt!
Wärme messen
Wärme wird üblicherweise in zwei Einheiten gemessen: Joule und Kalorien. So wie Meilen und Kilometer beide Entfernungen messen, nur nach unterschiedlichen Standards, messen Joule und Kalorien beide Energie (eine Kalorie entspricht etwas mehr als vier Joule).
Es ist kein Zufall, dass wir Kalorien verwenden, um die Energie von Lebensmitteln zu messen; die ursprüngliche Methode zur Bestimmung der Kalorienmenge in Lebensmitteln bestand darin, sie zu verbrennen und die freigesetzte Wärme zu messen. Menschen wandeln Nahrungsenergie, die in chemischen Bindungen in Fett, Protein und Kohlenhydraten gespeichert ist, in nutzbare Energie (größtenteils Wärme) um, indem sie ebenfalls „Kalorien verbrennen“.[2]
Die Physik der Schweißverdunstung
Das Konzept der Temperatur als durchschnittliche thermische Energie einer Substanz ist grundlegend für das Verständnis, wie Schwitzen dich abkühlt. Bei heißen Bedingungen ist Schweißverdunstung die einzige natürliche Methode des Menschen, um metabolische Wärme abzugeben. Deshalb ermöglichen Qore Performance Produkte, die den Luftstrom fördern, längeres, härteres und sichereres Arbeiten bei Hitze.
Um das zu verstehen, betrachten wir einen einzelnen Schweißtropfen.
Vielleicht hast du an einem heißen Tag hart gearbeitet, genug, um deine Körperkerntemperatur auf etwa 37,8 °C zu erhöhen. Die H₂O-Moleküle in deinem Schweißtropfen haben ebenfalls eine durchschnittliche Temperatur von 37,8 °C. Einige H₂O-Moleküle haben jedoch eine höhere als durchschnittliche Energie. Dein überhitzter Körper pumpt mehr thermische Energie in den Schweißtropfen, indem er heißes Blut nahe der Hautoberfläche zirkulieren lässt. Die energiereichsten H₂O-Moleküle haben bald genug Energie (also Geschwindigkeit)[3], um in den gasförmigen Zustand überzugehen und zu verdampfen.
Da nur die energiereichsten Moleküle verdampfen, sinkt die durchschnittliche Temperatur des Schweißtropfens etwas. Das ist gut für die Thermoregulation, da unser überhitzter Körper weiter Energie auf den Schweißtropfen überträgt und dessen Temperatur wieder erhöht.
Der Prozess ist kontinuierlich. Die energiereichsten H₂O-Moleküle verdampfen und nehmen Energie mit, was die durchschnittliche Temperatur des Tropfens senkt, während der Körper weiter Energie überträgt und die Temperatur erhöht.
Schließlich ist dein Schweißtropfen vollständig verdunstet. Wenn die Kerntemperatur erhöht bleibt (und du hydriert bist), schwitzt du weiter. Der Energietransfer geht weiter – vom Kern durch den Blutkreislauf zur Schweißverdunstung und letztlich an die Umgebung. Durch Schwitzen vermeiden wir Überhitzung, wenn die durch Verdunstung abgegebene Wärmemenge gleich oder größer ist als die durch den Stoffwechsel erzeugte Wärme.
Dieser Prozess setzt voraus, dass der Schweiß verdunsten kann. Wenn der Schweiß nicht verdunsten kann, werden die energiereichen H₂O-Moleküle nicht entfernt und kein Energietransfer findet statt. Hohe Luftfeuchtigkeit reduziert die Schweißverdunstung, da die Luft bereits nahezu gesättigt ist. Auch Sicherheitskleidung kann die Verdunstung behindern.
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Über den Autor: Dr. Erik Patton hat einen PhD der Duke University, wo er zu den Herausforderungen steigender Temperaturen im militärischen Training forschte. Als Veteran der US-Armee hat Erik in zahlreichen extremen Klimazonen gedient, von Wüsten im Südwesten der USA und dem Nahen Osten (48,9 °C) bis zu arktischen Bedingungen in Zentralalaska (-41 °C).
[1] Für kleinere Teilchen als Atome braucht man Quantenphysik – das geht über den Rahmen dieses Artikels hinaus.
[2] Wenn wir „Kalorien“ in Lebensmitteln angeben, meinen wir eigentlich Kilokalorien. Ein Schokoriegel mit 300 Kalorien enthält tatsächlich 300.000 Kalorien.
[3] Die durchschnittliche Geschwindigkeit eines Wassermoleküls bei 100 °C beträgt 2.414 km/h.
[4] Technisch beschreibt der zweite Hauptsatz die Entropie, aber praktisch bedeutet es: Wärme fließt von heiß nach kalt.
