Wärmeempfindung

Woher kommt nun der bereits erläuterte und im Alltag oft falsch verstandene Wärmebegriff, der sehr oft mit der Temperatur eines Körpers gleichgesetzt wird - schließlich fühlt sich doch ein Körper mit einer höheren Temperatur wärmer an als ein Körper mit einer niedrigeren Temperatur?

Dass bereits diese Aussage nicht zutreffend ist, zeigt sich, wenn man an einem Sommertag eine Hand in eine 40 °C warme Wasserschüssel hält und die andere Hand in die 40 °C warme Sommerluft. Obwohl Luft und Wasser offensichtlich dieselbe Temperatur aufweisen, fühlt sich das Wasser wesentlich wärmer an. Ab 50 °C Wassertemperatur weist die Haut sogar innerhalb kurzer Zeit Verbrennungen auf. Im Gegensatz hierzu können Lufttemperaturen von teilweise über 90 °C wie sie in eine herrschen ohne größere Probleme minutenlang ausgehalten werden können.

Dieses Paradoxon liegt daran, dass wir Menschen letztlich kein Sinnesorgan für Temperaturen besitzen sondern lediglich auf Wärmeströme reagieren! Der Begriff Wärmestrom ist dabei nicht auf den Wärmetransport der Wärmeströmung beschränkt sondern schließt alle Formen der Wärmeübertragung ein, egal ob durch Wärmekonvektion, Wärmeleitung oder Wärmestrahlung).

Wirkt auf die menschliche Haut nun ein großer Wärmestrom ein (d.h. sehr viel Wärme in kurzer Zeit), so interpretiert das Gehirn dies als warm. Entsprechend interpretiert das Gehirn ein geringer Wärmestrom als weniger warm. Genau dieser Sachverhalt führt dazu, dass sich Wasser mit 40 °C wesentlich wärmer anfühlt als Luft mit derselben Temperatur. Der Wärmestrom den das Wasser auf die Haut überträgt ist trotz derselben Temperatur größer als der Wärmestrom der von der Luft auf die Haut übergeht.

Wärmeempfindung, Wärmeempfinden, Wasser, Luft, warm, kalt, Temperatur, Wärmestrom, Sinnesorgang

Interaktive Abbildung: Warmes Wärmeempfinden

Zwar ist der resultierende Wärmestrom nicht unabhängig von der Temperatur des angefassten Stoffes. So wurde im Abschnitt Wärmestrom gezeigt, dass ein Wärmestrom umso größer ist, je größer die vorhandene Temperaturdifferenz. Im vorliegenden Beispiel ist für den Wärmestrom der Temperaturunterschied zwischen Hand und Wasser bzw. zwischen Hand und Luft relevant. Dieser Sachverhalt verleitet zu meinen, dass wir Menschen Temperaturen fühlten könnten. Aber entscheidend für die Stärke des Wärmestromes ist neben der Temperaturdifferenz allerdings auch wie gut oder schlecht das angefasste Material die Wärme auf die Haut überträgt. In diesem Zusammenhang spielt der sogenannte Wärmeübergangskoeffizient eine große Rolle, der angibt wie gut Wärme durch eine Grenzfläche hindurch übertragen wird. Manche Materialien hindern den Wärmestrom trotz gleicher Temperaturdifferenz stärker als andere. Entsprechend werden sich die Stoffe trotz gleicher Temperatur unterschiedlich warm anfühlen.

Weshalb das 40°C warme Wasser nun offensichtlich mehr Wärme in derselben Zeit auf die Haut überträgt als Luft, kann qualitativ mit dem Teilchenmodell erklärt werden. Da sich in Wasser mehr Teilchen als im vergleichbaren Luftvolumen befinden, stehen auch mehr Teilchen in Hautkontakt. Somit können die Wasserteilchen in derselben Zeit auch mehr (Bewegungs-)Energie durch Stoßprozesse auf die Haut übertragen [fahre hierzu mit der Maus über die obere Abbildung]. Die pro Zeiteinheit übertragene (Wärme-)Energie ist im Falle des Wassers somit größer und damit der Wärmestrom auf die Haut höher. An dieser Stelle sei erwähnt, dass neben der Dichte des Stoffes auch noch die spezifische Wärmekapazität des angefassten Materials einen großen Einfluss auf den Wärmeübergang(skoeffizient) und damit auf das Wärmeempfinden hat.

Weshalb fühlt sich nun aber Wasser mit einer Temperatur von 10 °C wiederum wesentlich kälter an als Luft derselben Temperatur? Dabei muss zunächst bedacht werden, dass sich die Wärmestromrichtung in diesem Fall umkehrt. Der Wärmestrom ist nicht mehr auf die Haut gerichtet sondern von dieser weg, da die Hauttemperatur mit ca. 32 °C höher liegt als die Temperatur des umgebenden Mediums. Wärmeströme die von unserer Haut weggerichtet sind interpretiert das Gehirn nun nicht mehr als warm sondern als kalt! Dabei fühlt sich ein Gegenstand umso kälter an, je größer der abgehende Wärmestrom ist. Deshalb fühlt sich Wasser mit einer Temperatur von 10 °C nun wesentlich kälter an als Luft derselben Temperatur.

Wärmeempfindung, Wärmeempfinden, Wasser, Luft, warm, kalt, Temperatur, Wärmestrom, Sinnesorgang

Interaktive Abbildung: Kühles Wärmeempfinden

Die Begründung ist dabei analog wie im vorhergehenden Fall. Aufgrund der höheren Teilchendichte von Wasser im Vergleich zu Luft können die Wasserteilchen mehr Wärme pro Zeiteinheit aufnehmen. Oder umgekehrt ausgedrückt: die vielen Wasserteilchen verlangsamen die Bewegungsenergie der Haut stärker als die wenigen Luftteilchen [fahre hierzu mit der Maus über die obere Abbildung]. Damit ist die "abbremsende" Wirkung der Wasserteilchen auf die Haut stärker als die der Luftteilchen. Der Wärmestrom weg von der Haut ist also höher und das Gehirn interpretiert dies wiederum als relativ kalt.

Zusammenfassend lässt sich also festhalten:

  • Wärmeströme die auf die Haut einwirken werden als warm empfunden,
  • Wärmeströme die von der Haut abgehen hingegen als kalt,
  • die Stärke des Wärmestroms entscheidet über die Intensität des jeweiligen Empfindens!

Mit derselben Begründung wie oben lässt sich auch erklären, weshalb sich ein Metallgriff im Sommer wärmer und im Winter kälter als ein Holzgriff mit jeweils derselben Temperatur anfühlt: der Wärmestrom zwischen Haut und Metall ist größer als zwischen Haut und Holz.

Auch ein weiteres Phänomen kann mit dem Verständnis des Wärmeempfindens nun erklärt werden. So stellt man bspw. fest, dass sich 35 °C warmes Wasser wesentlich heißer anfühlt, wenn man die Hand zuvor für kurze Zeit in Eiswasser getaucht hat. Wird die Hand bspw. für eine Minute in Eiswasser gehalten, so kühlt die Haut hierdurch auf rund 16 °C ab (siehe Wärmebild unten links). Wird die Hand in diesem Zustand nun in das 40 °C warme Wasserbecken getaucht, so ist die Temperaturdifferenz zwischen Haut und Wasser wesentlich größer als im Normalzustand mit einer Hauttemperatur von 32 °C (siehe Wärmebild unten mitte). Dies resultiert schließlich in einem größeren Wärmestrom, was das Wärmeempfinden deutlich erhöht. Deshalb fühlt sich warmes Wasser mit einer unterkühlten Hand auch wärmer an als sonst. Umgekehrt empfindet man kühles Wasser als wesentlich kälter, wenn man die Hand zuvor in heißem Wasser "überhitzt" hat. Auch dies führt zu einer gesteigerten Temperaturdifferenz zwischen Hand und Wasser und damit zu einem größeren Wärmestrom. Dieser ist nun allerdings von der Haut weggerichtet und lässt das Wasser deshalb kälter erscheinen als sonst.

Wärmeempfindung, Wärmeempfinden, Wasser, Luft, warm, kalt, Temperatur, Wärmestrom, Sinnesorgang, Wärmebild-Kamera, Eis-Wasser

Interaktive Abbildung: Kühles Wärmeempfinden

In diesem Zusammenhang ist auch die häufig gehört Aussage an einem Baggersee zu interpretieren: "wenn man erst einmal im Wasser ist, fühlt es sich gar nicht mehr so kalt an". So kühlt die Haut bereits nach kurzer Zeit im kalten Wasser ab. Dies senkt die Hauttemperatur und verringert somit die Temperaturdifferenz zum Wasser, was fortan in einem verminderten Wärmestrom resultiert. Das Wasser fühlt sich durch den geringeren abgehenden Wärmestrom folglich nicht mehr so kalt an.

Diese Seite verwendet Cookies. Mit Verwendung dieser Seite erklären Sie sich hiermit ausdrücklich einverstanden. Für mehr Informationen sowie die Möglichkeit zur Deaktivierung klicken Sie auf "Datenschutzerklärung".
Datenschutzerklärung Einverstanden