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Wärmeübertragung aus physikalischer und physiologischer Sicht

Jeder physikalische Körper besitzt ein Maß an thermischer Energie, die als Wärme zwischen Körpern verschiedener Temperatur ausgetauscht wird. Der Austausch von Wärme geschieht immer in der Richtung vom höheren zum niedrigeren Energieniveau - also vom wärmeren zum nicht so warmen Gegenstand. Beispielsweise gibt Wasser, das im Vergleich zur Raumtemperatur eine höhere Temperatur hat, die Wärme nach und nach an die Umgebung ab, die sich dadurch aufwärmt, bis ein Ausgleich hergestellt ist.

  • Wärme im physikalischen Sinn ist der Begriff für die übertragene thermische Energie. "Kälte" kennt die Physik nicht.

Wärmeaustausch reduzieren - den Körper "auf Betriebstemperatur" halten

Unser Leben hängt davon ab, dass unser Körper seine "Betriebstemperatur" in sehr engen Grenzen zwischen ca. 35°C und 40°C konstant aufrechterhalten kann. An der Hautoberfläche findet ein ständiger Austausch von Wärmeenergie mit der Umgebung statt, deren Temperaturniveau fast immer zu hoch oder zu niedrig für unsere Bedürfnisse ist. Der Körper nimmt dies über seine Wärme- und Kälterezeptoren wahr und reagiert - z.B. mit Erweiterung oder Verengung der Blutgefäße unter der Haut, mit Schwitzen oder mit Zittern. Damit die Regulierungsfähigkeit unseres Körpers nicht überbeansprucht wird, versuchen wir in der Regel, diesen Wärmeaustausch so gering wie möglich zu halten.

Wärmeisolierung für unseren Körper

Luft in der Kleidung isoliert den Körper gegen die Umgebung 

Ein im Wortsinne "naheliegender" Ansatz zur Beschränkung der Wärmeübertragung ist Kleidung. Je nach Einsatzzweck leitet sie Wärme mehr oder weniger gut. Das liegt vor allem am Material, an der Dicke des Stoffes. Bei dem Versuch die Wärmeübertragung zu verlangsamen, ist es entscheidend, Materialien als Leiter zu wählen, die als schlechte Wärmeleiter bekannt sind, wie viele Kunststoffe, Wasser und vor allem Luft. In unserem Alltag kommen alle drei Stoffe als Wärmeisolatoren zum Einsatz, vor allem aber die Luft spielt eine große Rolle. Betrachtet man Winterkleidung, wie dies in der vorliegenden Unterrichtsreihe geschieht, wird vor allem dann der Wärmestrom behindert, wenn Lufträume enthalten sind oder luftgefüllte Zwischenräume am Körper entstehen können. Dies ist beispielsweise bei Daunen, Fellen, aber auch mehrschichtiger einfacher Baumwolle der Fall.

Wie wir Wärme (und Kälte) erfahren und verstehen

Unserer Sinneswahrnehmung erscheinen Wärme und Kälte als äußere Kräfte, die auf den Körper einwirken. Diese Kräfte scheinen entgegengesetzt zu wirken und von Dingen in der Umwelt auszugehen: von Luft, Wasser, Sonne, Niederschlägen, Feuer, Heizung, Klimaanlage, Eiswürfeln, Ofen, Wind, Schnee, „warmer“ Kleidung etc.

Umgangssprachliche Begriffe und Redewendungen unterstützen diese (Prä-)Konzepte:

  • "Zieh den warmen Pullover an!"
  • "Draußen herrscht eine beißende Kälte."
  • "So ein Kamin wärmt ganz schön."
  • "Der scharfe Wind kühlt einen aus."

Aus physikalischer Sicht existiert jedoch kein Konzept von „Kälte“. Es gibt nur unterschiedlich hohe Niveaus an thermischer („Wärme“-)Energie, die bewirken, dass Wärme zwischen den physikalischen Körpern ausgetauscht wird - stets vom höher zum niedriger temperierten Körper, vom höheren zum niedrigeren Energieniveau - nie umgekehrt.

Dieser Austausch von Wärmeenergie, die an der Hautoberfläche nach außen abgegeben oder von außen aufgenommen wird, wird auch von den Wärme- und Kälte-Rezeptoren unseres Körpers wahrgenommen - einen direkten Sinn für die Temperatur besitzen wir nicht. Ist der Wärmestrom nach innen gerichtet, nimmt der Körper also Wärmeenergie auf, so stellt sich eine Empfindung von Wärme ein. Ist der Wärmestrom nach außen gerichtet, verliert der Körper also Wärmeenergie, so stellt sich eine Empfindung von Kälte ein.