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Zusammenhang zwischen Energiebedarf und Wärmeentstehung – Ist alles physikalisch erklärbar?

Liebe Blogleserinnen und Leser, Liebe PEAK-Kundinnen und –Kunden,

Wärme Energiein der Physik versucht man die ganze Welt über Formeln und Zahlen zu definieren. Wie für Gebäude, Maschinen und sonstige technischen Einrichtungen bestehen Erklärungsversuche auch für den Menschen und tatsächlich spricht einiges dafür, dass sich viele Abläufe in unserem Körper auf physikalischer Basis darstellen lassen.

Ich möchte Ihnen heute im PEAK-Blog eine interessante Arbeit eines gewissen Prof. Dr.-Ing. E. Specht von der Otto-von-Guericke-Universität in Magdeburg vorstellen, der sich auf Basis der Physik mit der Wärmeentstehung und in diesem Zusammenhang mit dem Energiebedarf des Menschen befasst hat. Seine Denkansätze sind vielleicht nicht gängig, dennoch aber nicht fernab der Realität.

Viel Spaß

Thermodynamik – Der Mensch als physikalische Größe

Die Betriebstemperatur des Menschen beträgt 37 Grad Celsius. Eine niedrigere Umgebungstemperatur sorgt zum einen dafür, dass wir ständig Wärme abgeben, zum anderen macht sie es notwendig, dass wir über innere Oxidations- (Verbrennungs-) prozesse Wärme erzeugen. Im Rahmen dieser Prozesse entstehen natürlich auch Abfallstoffe, die in fester, flüssiger und gasförmiger Form auftreten. Das Interessante an dieser Tatsache ist eine daraus resultierende physikalische Erklärbarkeit dieser Vorgänge, die im Überbegriff als Thermodynamik bezeichnet werden.

Thermodynamik (auch genannt Wärmelehre) befasst sich mit der Möglichkeit über ein Umverteilen von Energie zwischen ihren Erscheinungsformen Arbeit zu verrichten. Zur Thermodynamik gibt es einige Hauptsätze, die wichtig sind, um ein bestimmtes Grundverständnis zu vermitteln:

  • Bei gleicher Temperatur zwischen zwei Systemen herrscht thermodynamisches Gleichgewicht
  • In einem angeschlossenen System ist die Energie konstant
  • Man kann thermische Energie NICHT in beliebigem Maß in andere Energieformen umwandeln

Fazit

Der Mensch muss Wärme bilden und sie auch wieder abgeben, um konstante 37 Grad Betriebstemperatur aufrecht zu erhalten.

 

Wo ist es wie warm?

Die Körperkerntemperatur beträgt, wie bereits genannt, 37 Grad Celsius +/- 0,5 Grad. Da in der Leber und in den Nieren die intensivsten chemischen Reaktionen ablaufen, ist es dort generell am wärmsten. Die Haut, als kältestes Organ, ist in der Regel dagegen sogar 4-7 Grad kälter als der Rest des Körpers. Am empfindlichsten reagiert unser Gehirn auf Temperaturschwankungen. Über 40,5 Grad, aber auch unter 35 Grad, geht es zu Grunde. Ab 41 Grad verformen sich bereits Eiweißstrukturen in unserem Körper und Gewebe wird zerstört. Bei einer Körpertemperatur von 34 Grad und weniger tritt ein Verlust von Aufmerksamkeit ein und man verliert das Sprachvermögen. Unter 33 Grad reduziert sich zudem der Stoffwechsel und thermoregulatorische Vorgänge werden eingestellt. Hier besteht bereits Lebensgefahr. Bewegungsunfähigkeit tritt mit 27 Grad ein, während man ab 25 Grad an ungenügender Atmung zu Grunde geht.

Fazit

Hinsichtlich der Körpertemperatur kann sich unser Körper keinen größeren Spielraum erlauben. Ihre Konstant entscheidet über Dasein und Leistungsfähigkeit.

 

Wie nimmt der Mensch Temperatur wahr?

Menschen verfügen über einen Kälte- und einen Wärmesinn. Über in der Haut vorhandene Wärme- und Kältepunkte und darunter liegender Nervenzellen (Sensoren) gelangen Informationen zu Kälte und Wärme ins Gehirn. Am dichtesten mit diesen Sensoren besiedelt sind unsere Lippen, da wir hierüber die Temperatur der Nahrung überwachen müssen, die wir zu uns nehmen. Weniger, aber immer noch eine Menge Sensoren befinden sich an den Fingern, mit denen wir so Temperaturen gut ertasten können. Die unempfindlichsten Stellen mit den wenigsten Sensoren befinden sich an unseren Waden, weshalb zur Senkung von Fieber gerne auch Wadenwickel gemacht werden, um das Kältegefühl länger tolerieren zu können.

Unsere Kältesensoren können Temperaturen von 8-37 Grad erfassen, die Wärmesensoren Temperaturen von 37-50 Grad. Darüber und darunter besitzen wir keinen Temperatursinn. Was einsetzt, wenn wir mit derartigen Temperaturen konfrontiert werden, ist dann die  Schmerzempfindung. Maximale Empfindlichkeit der Kältesensoren besteht bei 25 Grad, die der Wärmesensoren liegt bei 45 Grad.

Fazit

Bei den fünf Sinnen des Menschen werden die Sinne für Kälte- und Wärme außen vor gelassen, obwohl sie bestehen.

Wärme Energie

Die Wärmeabgabe

Wärmeabgabe macht einen Großteil des Energieumsatzes aus, die wir über die Nahrung aufnehmen. Der Wirkungsgrad unserer Muskulatur liegt bei etwa 20%, d.h., von 100kcal setzen wir nur etwa 20kcal in Bewegung um, 80kcal werden als Wärme umgewandelt und müssen als „Wärmeverlust“ an die Umgebung abgegeben werden.

Bewegung erzeugt darum auch mehr Wärme!

Unser Blut bzw. das Ader- und Venensystem ist für die Wärmeabgabe verantwortlich. Ist eine vermehrte Abgabe notwendig, nimmt die Durchblutung aus diesem Grund auch zu und zwar bis auf das 8-12-fache. Kälte sorgt für eine verringerte Durchblutung bis zu lediglich einem Fünftel des Normalwertes. Wir erkennen dies an der Hautfarbe. Mehrdurchblutung sorgt für rötliche Haut, Minderdurchblutung sorgt für bleiche Haut. Die Haut gibt letztlich die Wärme an die Umgebung ab. Dies geschieht mittels Strahlung (elektromagnetische Wellen) oder Konvektion (Abgabe an das umgebende Medium also Luft, Wasser…). Reichen diese beiden Möglichkeiten nicht aus, kommt es zudem zur Absonderung von Wärme über Schweiß mittels Verdunstung. Der Mensch besitzt hierfür mehr als 2 Millionen Schweißdrüsen, von denen sich die höchste Dichte am Kopf befindet (Logisch da hier unsere Schaltzentrale liegt). Die geringste Anzahl Schweißdrüsen befindet sich an den Gliedmaßen.

Interessant zu wissen ist auch, dass die Schweißdrüsen an den Handflächen und Fußsohlen nicht der Thermodynamik dienen, sondern eher bei Unruhe, Beklemmtheit und Angst ansprechen. Hier findet also das sog. psychische Schwitzen statt. Die Schweißdrüsen der Achselhöhlen erzeugen Duftstoffe mit sexueller Bedeutung, haben also ebenfalls eine alternative Bedeutung.

Der ruhende Mensch gibt Wärme im Groben wie folgt ab:

- 46 % Strahlung

- 33 % Konvektion

- 19 % Schwitzen

- 2 % Atmung

Variablen, wie beispielsweise Windverhältnisse oder der Aktivitätsgrad, verändern die Anteilsbestimmung natürlich.

Fazit

Es existieren mehrere Arten der Wärmeabgabe, die je nach Umgebung und Aktivität unterschiedlich stark greifen. Nicht überall wo Schweiß entsteht, dient dies dem Ausgleich der Körpertemperatur.

 

Wie viel Wärme geben wir ab?

Diese Frage lässt sich in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur, der Größe der Hautoberfläche (also der Körpergröße bzw. dem körperlichen Ausmaß), der Schwere der Tätigkeit und unter Berücksichtigung des Wärmedurchgangskoeffizienten beantworten.

Darstellung_Mensch_Wärme

Umgebungstemperatur

Die beigefügte Darstellung zeigt den Wärmeverlust eines 75kg schweren Menschen und zwar in Abhängigkeit von der Schwere der Arbeit und der Umgebungstemperatur. Je schwerer die Arbeit, desto höher die Wärmeabgabe. Je höher die Lufttemperatur (bis zu 36 Grad), desto niedriger die Wärmeabgabe. Während bei 36-37 Grad das thermodynamische Gleichgewicht herrscht, sorgt eine höhere Lufttemperatur dafür, dass nur noch über Schwitzen und nicht mehr über Konvention oder Strahlung abgeben.

Intensität der Arbeitsleistung

Unter mittelschwerer Aktivität kann man von einer Verdoppelung der Wärmeabgabe im Vergleich zum ruhenden Zustand ausgehen. Schwere Arbeit kann diesen Wert auf den Faktor 2,5 oder noch höher ansteigen lassen.

Hautoberfläche

Die Wärmeabgabe ist über dies auch proportional abhängig von der Hautoberfläche und damit indirekt von der Körpergröße. Dies ist auch der Grund, warum größere Menschen mehr Wärme abgeben als kleine Menschen und somit auch einen höheren Energiebedarf aufweisen.

Wärmedurchgangskoeffizient

Um nicht fortwährend zusätzliche Energie abgeben zu müssen (je kälter die Umgebungstemperatur ausfällt) versucht er seinen Wärmedurchgangskoeffizient (k) zu verringern. Es handelt bei k um ein Maß für die Wärmeisolierung. Während ein nackter Mensch einen k-Wert von 10 aufweist, halbiert sich dieser Wert wenn warme Kleidung getragen wird.

Fazit

Eine Reihe von Faktoren beeinflusst die Wärmeabgabe.

 

Wie viel Energie benötigt der Mensch?

Täglicher Bedarf

Physikalisch gesehen gibt der normale Mensch bei leichter Tätigkeit und einer Temperatur von 20 Grad eine Wärmemenge von 2,9kWh pro Tag ab, was in einer anderen Größe dargestellt, über 24 Stunden einem Bedarf von etwa 2500kcal entspricht.

Der arbeitsunabhängige Energiebedarf lässt sich theoretisch über die abgegebene Wärmemenge ermitteln.

Wie reagiert der Körper auf verminderte Energiezufuhr?

Die Differenz aus benötigter und zugeführter Energie deckt der menschliche Körper über seine Energiespeicher abgerufen. Im Falle der benötigten Wärmeenergie werden hierfür hauptsächlich Fettspeicher abgerufen. Wenngleich 1g Körperfett in der Literatur meist mit 7kcal angegeben wird, ist hier die Rede von 8000kcal pro Kilogramm Fett, also 8kcal pro Gramm Körperfett.

Würden wir also 1 Tag lang keine Energie zu uns nehmen, wäre bei den durchschnittlich ermittelten 2500kcal Energiebedarf eine theoretische Abnahme von 312,5g Fettmasse pro Tag denkbar.

Aus physikalischer Sicht besteht die maximale Kapazität zur Abnahme von Körperfett bei durchschnittlich 312,5g Fett pro Tag.

Wie reagiert der Körper auf eine vermehrte Energiezufuhr?

Wird mehr Energie zugeführt als zur Wärmebildung benötigt wird, landet der Überschuss in den Fettspeichern. Nach dem ersten Gesetz der Thermodynamik wird unter Voraussetzung einer fortwährenden Überversorgung Fett solange gespeichert, bis sich über die Vergrößerung der  Hautoberfläche und damit der Kalorienbedarfs ein neues Gleichgewicht einstellt. Ein theoretischer Bedarf von 2500kcal mit einer Ist-Aufnahme von 3000kcal würde bedeuten, dass sich die Hautoberfläche um 20% vergrößern muss.

Interessant

Für die aus Übergewicht entstehende erhöhte Notwendigkeit zur Wärmeabfuhr wird ein höherer Blutkreislauf benötigt. Die Folge ist eine stärkere Belastung des Herzens.

Gemäß dem ersten Gesetz der Thermodynamik versucht unser Körper dauerhaften Energieüberschuss durch eine Vergrößerung der Hautoberfläche und einen damit steigenden Verbrauch zu kompensieren. Ziel ist energetische Homöostase.

Welche Rolle spielt der Stoffwechsel

Prof. Dr. E. Specht sieht in der Individualität des Stoffwechsels und in einer unterschiedlichen Verwertungsqualität von Nährstoffen keinen Grund dafür, oben genannte physikalische These in Frage zu stellen. Im Gegenteil: Die Evolution hat uns seiner Theorie zur Folge stets darauf getrimmt, alle Nährstoffe möglichst vollständig aufzunehmen, da Mangelernährung noch bis vor wenigen Jahren (betrachtet man die gesamte Menschheitsgeschichte) eher die Regel war. Die einzige Ausnahme bestünde in einer krankhaften Veränderung des Organismus oder in der Unverdaulichkeit einiger weniger Lebensmittel, wie beispielsweise Getreidekörnern.

Eine individuelle Stoffwechselaktivität oder Unterschiede in der Nährstoffverwertung beeinflussen den Kalorienverbrauch nicht in signifikantem Ausmaß. In der Physik sind metabolisch gesehen also beinahe alle Menschen gleich.

Zusammenfassung

Aus der Arbeit von Prof. Dr. E. Specht geht hervor, dass der Energieverbrauch des ruhenden, wenig aktiven Menschen im Wesentlichen von der Wärmeabgabe bestimmt wird. Der durchschnittlich große Mensch mit 75kg verbraucht so bei sitzender Tätigkeit etwa 2500kcal. Jedes Kilogramm Abweichung von diesen 75kg verändert den Energieverbrauch um 30kcal. Sportliche Aktivität oder Fieber verändert diesen Faktor genauso, wie es zu leichten Abweichungen aufgrund des individuellen Wärmeempfindens und Veränderungen des Wärmedurchgangskoeffizienten durch Kleidung kommen kann.

Sich unter Bedarf zu ernähren führt zwangsläufig zum Fettabbau, die bei vollständigem Fasten theoretisch bis zu 312,5g pro Tag betragen kann. Frauen nehmen bei Nulldiäten weniger ab, weil sie in den meisten Fällen kleiner sind und folglich weniger Hautoberfläche haben, was die Wärmabgabe vermindert. Sich über Bedarf zu ernähren führt solange zur Zunahme an Körpergewicht, bis die Hautoberfläche den Mehrbedarf kompensiert. Die individuelle Verstoffwechslung von Nährstoffen beeinflusst die Entstehung von Über- oder Untergewicht nicht.

Kritik

Unabhängig vom der Körperzusammensetzung, dem Alter und dem Geschlecht lässt sich über den Ansatz der Wärmeabgabe bei durchschnittlicher Lufttemperatur theoretisch der Energiebedarf bei unterschiedlich schwerer Tätigkeit ermitteln.  

 

Mit derzeit 95kg Körpergewicht wäre der Berechnung zur Folge mein persönlicher Kalorienbedarf bei 3100kcal. Eine durchschnittliche Bikiniathletin würde mit 50kg Körpergewicht 1750kcal verbrauchen. Da diese Werte von leichter Tätigkeit ausgehen und den Mehrbedarf für Training NICHT mit einbeziehen, kann man diesen Ansatz als durchaus realitätsnah interpretieren.

Auch eine aus Erfahrungswerten bekannte Individualität in Sachen Thermogenese würde sich bei einer individuellen Messung des abgegebenen Wärmestroms aufzeigen, da auch bei diesen Personen eine Körpertemperatur von 37 Grad eingehalten werden muss. Die Folge wäre auch hier also eine verstärkte Abgabe von Wärme über die Haut, da niemand mehr Kalorien über eine im Mittel erhöhte Körpertemperatur von beispielsweise 39 statt 37 Grad verbrennt.

Für die Praxis ist es auf den ersten Blick natürlich ein schwieriges Unterfangen, Institutionen zu finden, die den individuellen Wärmestrom für unterschiedliche Aktivitäten messen. In Wirklichkeit gibt es eine derartige Bestimmungsmöglichkeit bereits jetzt, sie nennt sich SenseWear! Der Sense-Wear-Körpermonitor bestimmt den Kalorienverbrauch über die Hautsensorik und somit genau über den Ansatz meines heutigen Artikels!

Fazit

Was erst so abstrakt klingt, ist bei genauerem Hinsehen eine längst in meinen Coachings etablierte Theorie, mit dessen Hintergrund ich mich bis dato lediglich nie auf dieser Art und Weise befasst habe.

Peak Blogger Holger GuggSportliche Grüße

Euer

Holger Gugg

www.body-coaches.de 

 

Quellen

Der Mensch als wärmetechnisches System - Prof. Dr.-Ing. E. Specht - Institut für Strömungstechnik und Thermodynamik - Otto-von-Guericke