D – physikalische Gründe

Betrachten wir dazu ein anfangs geschildertes Beispiel:

Justins Fahrrad stand die ganze Winternacht (-10oC) draußen. Er stellt fest, dass der Metallrahmen kälter ist als die Handgriffe, zumindest erscheint es ihm so. Haben Metallrahmen und Handgriffe also tatsächlich eine unterschiedliche Temperatur?

Hier müssen wir wieder unterscheiden zwischen Wärme und Temperatur: Da das Fahrrad die ganze Nacht über draußen stand ist anzunehmen, dass es komplett die Temperatur der Umgebung angenommen hat. Alle seine Teile, egal aus welchem Material, haben also eine Temperatur von -10oC. Aber dennoch haben wir ja den Eindruck, die Metallgriffe fühlten sich wärmer an als der Metallrahmen – und die Gefahr, am Metallrahmen festzufrieren ist auch tatsächlich größer als an den gepolsterten Handgriffen.

Entscheidend für unser Empfinden aus Sicht der Physik ist die Menge an Wärme, die auf unsere Hand auf- bzw. von ihr wegfließt, wenn wir einen Gegenstand berühren. Wir können dafür wieder unsere Gleichung heranziehen:

Es kommt also darauf an,

      • um welchen Stoff es sich handelt, d.h. wie viel Wärme er speichern kann
        cStoff: Wasser speichert viel Wärme, Luft deutlich weniger
      • um wie viel Stoff es sich handelt
        mStoff: heißes Wachs speichert auch aufgrund der höheren Masse mehr Wärme als Wachsdampf
      • wie groß die Differenz von der Temperatur unserer Hand zu dem berührten Gegenstand ist (/\ T = Delta(T)).

Im Fall unseres winterkalten Fahrrads ist der Temperaturunterschied Delta(T) von Rahmen und Handgriffen zur Hand identisch, da Rahmen und Handgriffe beide die gleiche Temperatur (der Umgebung) angenommen haben. Auch die Wärmekapazitäten  unterscheiden sind ein wenig, aber nicht dramatisch. Die Masse m unterscheidet sich, aber der Effekt tritt ja auch auf, wenn wir nur ein Stück Gummi und ein Stück Stahl nehmen.

Wir brauchen also einen weiteren Kandidaten, um den Unterschied unseres Temperaturempfindens zu erklären: Die Wärmeleitung. Wir berühren mit der Hand die Handgriffe, und Wärme fließt von unserer wärmeren Hand auf die kälteren Handgriffe über. Das detektiert unser Körper über die Haut, und das Gehirn meldet: Das ist kalt. Während diese Information aber noch verarbeitet wird, erwärmt sich der Handgriff bereits an der Berührungsstelle durch die hinüberfließende Wärme. Da die Wärmeleitfähigkeit des Gummis relativ gering ist, wird die Wärme von dort kaum weitertransportiert. Es bleibt die Empfindung, dass der Handgriff etwas kälter ist als die Hand, aber dass dieser Unterschied auch spürbar abnimmt.

Anders beim Metallrahmen. Auch hier fließt Wärme von unserer Hand an der Berührungsstelle auf den Rahmen über. Da Metall allerdings über eine exzellente Wärmeleitfähigkeit verfügt, wird die Wärme von der Berührungsstelle in die weitere Umgebung weitergeleitet. Das Temperaturgefälle zwischen Rahmen und Hand bleibt also relativ groß, so dass fortwährend Wärme von unserer Hand an den Rahmen abgegeben wird. Unser Körper nimmt dies als eine Berührung mit einem sehr kalten Gegenstand wahr.

Festzuhalten ist über das Empfinden von Wärme und Kälte also, dass die Sinneszellen unserer Haut detektieren, wenn Wärme / Energie an unseren oder von unserem Körper abgegeben wird. Geben wir viel Wärme ab, empfinden wir es als sehr kalt, nehmen wir viel Wärme auf, empfinden wir es als sehr warm. Dies führt uns zu einem kurzen Exkurs über die physiologischen Hintergründe unseres Wärmeempfindens.

D.2 Physiologische Gründe

Mit dem bis hierher erarbeiteten physikalischen Wissen kommen wir bei der Erklärung vieler Alltagsphänomene nun schon sehr weit. Aber es wäre nicht vollständig, wenn wir nicht auch einbeziehen, dass auch unser physiologisches Wärmeempfinden an sich uns manches Mal dazwischenfunken kann. Wir betrachten dazu noch kurz drei Aspekte:

Unser Wärmeempfinden hängt auch ab

    1. vom Temperaturbereich und unserer persönlichen Erfahrung
    2. vom betroffenen Teil unseres Körpers und der dort befindlichen Sicht von Sinneszellen
    3. von der direkten thermischen Vorgeschichte.
    1. Unser Temperaturempfinden hängt vom jeweiligen Temperaturbereich ab. Es gibt Temperaturbereiche, in denen wir uns bei einer Temperaturschätzung sicher fühlen und es gibt andere Temperaturbereiche, in denen uns das nicht so gut gelingt. Gute Temperaturbereiche sind zum Beispiel Temperaturen rund um unsere Körpertemperatur. Wir können auf wenige Grad genau sagen, wann uns das Badewasser zu heiß oder zu kalt ist. Wir können Kindern die Hand auf die Stirn legen und auf deutlich weniger als ein Grad genau abschätzen, ob sie Fieber haben oder nicht. In Bezug auf Luft können wir in einem Raum sehr gut sagen, ob die Temperatur unter oder über 20 oC liegt. Es gibt also Temperaturbereiche und Kontexte, in denen unsere Schätzungen durchaus präzise ausfallen. In anderen liegen wir auch schnell 5K oder mehr daneben.
    2. Unsere Haut ist je nach Körperbereich sehr unterschiedlich sensitiv für Wärme. Das liegt daran, dass wir über Kälte-, Wärme- und Hitzerezeptoren verfügen, die je nach Hautpartie aber unterschiedlich dicht aneinanderliegen. Im Gesicht und am Handrücken liegend die Punkte beispielsweise relativ dicht. (Für weiteres ist die Biologie zuständig.)
    3. Das vorangegangene Wärmeempfinden beeinflusst das nachfolgende. Wenn wir also in Winter von draußen kommen, kommt uns schon der Hausflur warm vor. Saßen wir hingegen eine Weile vor dem Kamin, frösteln wir, wenn wir direkt im Anschluss daran über den Flur gehen.

Insgesamt lässt sich hieraus festhalten, dass wir über die Rezeptoren der Haut Wärme empfinden und in „warm“ oder „kalt“ unterscheiden, ggf. auch Temperaturen zuordnen können. Die soeben diskutierten Beispiele zeigen aber auch deutlich, dass wir uns auf dieses subjektives Empfinden nicht „verlassen“ können und dass objektives Messen von Temperaturen sich mitunter deutlich von unseren subjektiven Einschätzungen unterscheiden kann.

Zusammenfassende Knobelaufgabe

Warum fühlen wir uns wohl in einer Umgebungsluft von ca. 20oC, aber empfinden Wasser von 20oC als kalt? Und warum baden wir umgekehrt ganz entspannt in bis zu 37oC warmen Wasser, aber stöhnen bei einer Lufttemperatur von 37oC?

Anschlussfrage:

Und warum fühlt sich 40oC warme schwüle Luft noch unerträglicher an, während uns „trockene“ Kälte weniger ausmacht als „normale“?