Die Physik des Frierens – Wie man sich warm hält

Bildquelle: Frank E. Kleinschmidt - Library of Congress Prints and Photographs Division, Washington, DC 20540

Der Winter naht und mit ihm wird es kalt. Wie reagiert der menschliche Körper darauf, welche Mechanismen helfen ihm dabei seine Körpertemperatur auf Betriebstemperatur zu halten und wie kann man sich im Winter ganz praktisch warm halten? Um diese Fragen zu beantworten beschäftigt sich der heutige Adventkalendereintrag mit dem Thema Wärme und Mensch. Was ist Wärme, wieviel Wärme produziert der menschliche Körper und wie gibt er Wärme ab?

Man kann den menschlichen Körper als thermodynamische Maschine betrachten, die bei ihren Bewegungen und molekularbiologischen Prozessen (auch Denken benötigt Energie) Wärme produziert. Man kann diese Wärmeleistung mit ca 150 Watt, also etwa der Leistung von zweieinhalb klassischen 60 Watt Glühbirnen angeben (oder ca 15 neuen LED-Filament Lampen). Generell muss diese Wärme nach außen abgegeben werden. Der menschliche Körper kann dazu einige raffinierte Techniken vorweisen:

1. Wärmeabgabe über die Haut. Jeder Körper gibt Wärme über Konvektion an seine Umgebung (Luft) ab. Die Luft in der Nähe der warmen Haut wird erhitzt und nimmt so die Wärme des menschlichen Körpers auf. Durch Luftströme kommt immer frische (kühlere) Luft an die Haut und kann so weitere Wärme aufnehmen. Im Detail kann man sich diese Wärmeübertragung so vorstellen: Wenn ein kühles Luftmolekül an ein warmes menschliches Hautmolekül stoßt (das Hautmolekül schunkelt entsprechend seiner Temperatur richtig stark), wird das Luftmolekül regelrecht weggeschleudert, und hat eine viel höhere Geschwindigkeit und damit höhere Energie als vorher (es ist wärmer).

2. Strahlungswärme. Jeder Körper gibt Wärmestrahlen (sogenannte Infrarotstrahlung) je nach Temperatur mit unterschiedlicher Frequenz ab. Man kennt diese völlig harmlosen Strahlen von Wärmebildkameras, in denen diese sichtbar gemacht werden können und man Objekte anhand ihrer Wärmeabgabe erkennt. Der Mensch kann diese Infrarotstrahlen nicht sehen, aber spüren, man denke nur an eine sogenannten Infrarotkabinen.

3. Materieausstoß. Der Mensch nimmt und gibt über seinen Stoffwechsel Materie (Nahrung, Ausscheidungen) auf und ab. Die abgegebenen Stoffe sind meist wärmer als die aufgenommenen. Man denke nur an die Atemluft.

4. Schwitzen. Dies stellt eine geradezu raffinierte Kühlungsmethode des Körpers dar, die dann zum Einsatz kommt, wenn die Außentemperatur oder die menschliche Wärmeproduktion (bei körperlicher Anstrengung) so hoch ist, dass die Wärmeabgabe über die Luft und Strahlung nicht mehr ausreicht. Beim Schwitzen scheidet der Mensch Wasser ab, dass dann an der Hautoberfläche verdunstet. Um Wasser zum Verdunsten zu bringen benötigt es viel Wärme, die der menschliche Körper dabei abgeben kann (2,4 Kilojoule pro Milliliter Schweiß)

Warum benötigt der menschliche Körper eigentlich eine Betriebstemperatur von ca 36° Celsius? Was passiert wenn es kälter wird?

Viele Prozesse im Menschen brauchen um richtig ablaufen zu können eine bestimmte Temperatur damit chemische und molekularbiologische Reaktionen richtig ablaufen können. Das empfindlichste Organ des Menschen ist dabei das Gehirn, das Funktionseinbußen außerhalb des Temperaturbereichs von 35 bis 40,5° Celsius aufweist.

Der Mensch hat auf seiner Haut zahlreiche etwa einen Quadratmilimeter große Temperatursensoren, sogenannte Kälte- und Wärmepunkte, die aufgrund von temperaturabhängigen chemischen Reaktionen die Kälte (8° bis 37°) bzw. Wärme (37° bis 45°) detektieren. Dabei weisen die Lippen die höchste Sensordichte (25 Sensoren pro cm²) und die Waden die geringste Dichte (5 Sensoren pro cm²) auf. Unterhalb von 8° Celsius kann der Mensch die Temperatur nicht mehr unterscheiden, sondern empfindet Schmerz.

Wie reagiert der menschliche Körper, wenn er Kälte feststellt und was passiert, wenn er die Temperatur von 36° Celsius nicht mehr halten kann?

Es gibt zwei Strategien um auf Kälte zu reagieren:

1. Isolation. Zunächst kann man versuchen, den Wärmeverlust zu verringern, indem man sich besser isoliert. In der Hautoberfläche verengen sich dazu die Äderchen, die die Haut durchziehen und eigentlich dafür da sind, Wärme an der Hautoberfläche abzugeben. Die Haut erscheint durch die geringere Durchblutung weißlich bis blau und fungiert als Isolationsschicht. Kühlt der Körper noch weiter ab, führt die verringerte Durchblutung der äußeren Bereiche (Arme, Beine) dazu, dass quasi zwei Durchblutungsbereiche im Körper entstehen, ein innerer wärmerer Kern und eine äußere kalte, wenig durchblutete Schale. Der Körper nimmt dabei in Kauf, dass Gliedmaßen teilweise abfrieren können, während die wichtigsten Organe im Kern geschützt bleiben. Ein Überbleibsel aus jenen Zeiten wo die Vorfahren der Menschen noch ein Fell hatten zeigt sich an der sogenannten Gänsehaut. Wenn es kalt wird, versucht der Körper seine nicht mehr vorhandenen Haare aufzustellen um so ein isolierendes Luftvolumen in seinem nicht mehr vorhandenen Fell zu erzeugen. Bei Katzen kann man diese Isoliertechnik gut beobachten.

2. Heizen. Die zweite Methode besteht in der zusätzlichen Erzeugung von Wärme durch nicht bewusst steuerbares Zittern (Anregung des sympatischen Nervensystems) oder einem Ansteigen der Herzfrequenz und der Atmung. Schafft es der menschliche Körper nicht, seine Körpertemperatur trotz Isolations- und Heizmaßnahmen zu halten, so werden sowohl kognitive als auch physiologische Fähigkeiten beeinträchtigt. Die Aufmerksamkeit lässt nach und man verliert zunehmend die Fähigkeit zu sprechen. Bei niedrigeren Körpertemperaturen von 33° Celsius wird der Stoffwechsel reduziert, dabei kann es zu einem Zuckerschock kommen, da die Zellen den vorhandenen Zucker nicht mehr verstoffwechseln können. Mit weiterer zunehmender Abkühlung verliert der Mensch zunehmend die Fähigkeit seine Muskeln zu bewegen (der dazu notwendige Stoffwechsel kann einfach nicht mehr ablaufen). Somit verlangsamt sich auch die Atmung und der Herzschlag bis eine Unterversorgung mit Sauerstoff zum Tod führt (etwa 25° Celsius Körpertemperatur).

Was kann man praktisch tun um sich vor Kälte zu schützen?

Die beste Methode ist sicherlich sich ausreichend warm anzuziehen, also die Wärmeabgabe des Körpers nach außen zu verringern. Dabei sollte man vorallem darauf achten, dass man nicht nass wird (undichte Schuhe), da trocknende Kleidung dem Körper immens viel (Verdunstungs-) Wärme entzieht. Bei kalten Füßen oder Händen kann man versuchen die Durchblutung durch Bewegung zu steigern (Klatschen, sportliche Betätigung, Aufwärmübungen, etc…).

Wieso funktioniert die Rettungsdecke? Sie fühlt sich ja eigentlich nicht sehr warm an.

Die Rettungsdecke besteht im Prinzip aus einer Metallfolie, die Infrarotstrahlung reflektiert und somit den Wärmeverlust durch Abstrahlung verhindert. Weiters schließt sie den eingewickelten Körper luftdicht ab und verhindert das Entweichen der warmen Luft (etwa durch Wind), die wie ein Isolator zwischen Folie und Körper wirkt.

Seit 1. Dezember ist das Kältetelefon der Caritas unter 0676/89 85 27 90 20 in Kärnten wieder in Betrieb. Wenn Sie jemanden hilflos am Straßenrand liegen sehen, dann rufen Sie bitte die Hotline an.

Was ist Wärme? Unter Wärme versteht man die durchschnittliche Energie eines Körpers (Gegenstandes) die in den Bewegungen der Atome oder Moleküle (Zusammenschluss von Atomen) gespeichert ist. Man stelle sich gedanklich eine Box mit Luft vor. Luft besteht aus vielen kleinen Molekülen (Sauerstoff, sehr viel Stickstoff und andere Gase), die sich mit relativ hoher Geschwindigkeit bewegen. Die Durchschnittsgeschwindigkeit eines Luftteilchens bei Raumtemperatur (25° Celsius) beträgt in etwa 1400 bis 1800 km/h, also sogar mehr als die Schallgeschwindigkeit. Dabei fliegen die Teilchen aber gar nicht weit, weil sie relativ bald auf andere Teilchen stoßen und so ihre Energie an andere Moleküle oder Atome übertragen. Dieses wilde Durcheinander und ständige aneinander Stoßen (man könnte an einen Moshpit denken) wird gemeinhin als Wärme bezeichnet. Dabei entspricht die durchschnittliche Bewegungsenergie, die in dem Körper oder Gas gespeichert ist, der Wärmeenergie.

Was ist Temperatur? Die Temperatur hingegen ist ein Maß für den Wärmegleichgewichtszustand in einem Körper. Körper mit gleicher Temperatur tauschen keine Wärmeenergie aus. Dabei kann in einem Körper eine sehr höhere Menge an Energie gespeichert sein. Diese Materialeigenschaft bezeichnet man als Wärmekapazität, die beschreibt, wie viel Wärme ein Körper aufnehmen kann. Wasser kann zum Beispiel bei weitem mehr Wärme speichern als Luft. Dies zeigt sich daran, dass die Temperatur am Meer nicht so stark schwankt, wie im Landesinneren, oder dass es viel länger dauert eine Menge Wasser zu erhitzen als die gleiche Menge Luft (vergleiche Sauna mit beheiztem Swimmingpool).

Quiz

Über den Autor

Gerhard Dorn ist theoretischer Physiker und arbeitet als Universitätsassisten an der Technischen Universität Graz, wo er Quanteneffekte im elektrischen Transport durch Moleküle untersucht.