Menschen brauchen Wärmeenergie

Ohne Wärme, Sonnenlicht und Wasser gäbe es kein Leben. Allerdings müssen die Temperaturwerte „stimmen“, denn Kälte und Hitze belasten den menschlichen Organismus. Wie kommt Energie „in den Menschen hinein“? Wie schützen sich Menschen vor Hitze und Kälte?

Arbeitsmittel

Wärmehaushalt des Menschen

Damit wir Menschen leben können, brauchen wir eine relativ konstante Körpertemperatur, die bei rund 37 °C liegt. Da die Umgebungstemperatur jedoch zumeist niedriger ist, gibt der menschliche Körper ständig Wärme ab. Damit trotzdem seine Temperatur gleich bleibt, muss Energie zugeführt werden. Dies geschieht durch die Nahrungsaufnahme. Lebensmittel haben unterschiedlichen Energieinhalt.

Nährwerttabelle auf einer Lebensmittelverpackung
Bei abgepackten Nahrungsmitteln ist die Energiemenge meist pro 100 g angegeben.

Nährwerte von Lebensmitteln

Ziehe das Lebensmittel in die richtige Spalte!

Apfel
100 g Apfel

wenig Energie (< 500 kJ pro 100 g)

mittlere Energie (500-1500 kJ pro 100 g)

viel Energie (> 1500 kJ pro 100 g)

Kichererbsen 515 kJ pro 100 g

Manchmal steht bei der Angabe der Energie von Nahrungsmitteln auch Brennwert. Diese Bezeichnung versteht man dann, wenn man weiß, wie der Energieinhalt von Nahrungsmitteln bestimmt wird.

So bestimmt man den Energieinhalt von Nahrungsmitteln

Um den Energieinhalt von Nahrungsmitteln zu bestimmen, verwendet man ein spezielles Kalorimeter.

Kalorimeter
Aufbau einer sogenannten Kalorimeter zur Bestimmung des Brennwerts von Nahrungsmitteln.

Um den Brennwert des Nahrungsmittels zu bestimmen, entzieht man ihm zuerst das Wasser. Dann gibt man 1 g des zu untersuchenden Nahrungsmittels in den inneren Behälter, der mit Sauerstoff gefüllt ist. Man zündet nun elektrisch, sodass das Nahrungsmittel verbrennt. Aus der Erwärmung des Kalorimeterwassers kann man den Energieinhalt berechnen.

Alle Teile des menschlichen Körpers benötigen Energie, um zu funktionieren. Auch dann, wenn man schläft, benötigt man Energie, denn Atmung, Blutkreislauf, Verdauung und Körpertemperatur müssen weiter aufrecht erhalten bleiben. All das, was man im Ruhezustand an Energie benötigt, wird Grundumsatz genannt.

Der Grundumsatz ist der Energiebedarf eines Menschen im Ruhezustand.
Schlafendes Kind
Auch beim Schlafen brauchen wir Energie.

Der Grundumsatz für Kinder und Jugendliche lässt sich sehr einfach berechnen: Körpermasse in Kilogramm mit 115 multiplizieren ergibt den Grundumsatz pro Tag in Kilojoule.

Grundumsatz (kJ pro Tag) = Körpermasse (in kg) $$\times$$ 115

Bei vorwiegend sitzender Tätigkeit, was für Schüler*innen sicher gilt, benötigen Jugendliche eine Energiezufuhr von ca. 10 000 kJ pro Tag.

Der Grundumsatz bei Erwachsenen berechnet sich nach der Faustformel:

Grundumsatz (kJ pro Tag) = Körpermasse (in kg) $$\times$$ 100

Zu beachten ist, dass bei Erwachsenen der Energiebedarf und damit auch der Grundumsatz mit dem Lebensalter abnimmt. So muss die obige Formel zur Berechnung des Grundumsatzes bei Personen über 60 Jahre wie folgt geändert werden:

Grundumsatz (kJ pro Tag) = Körpermasse (in kg) $$\times$$ 88

Grundumsatzrechner

Körpermasse

Geschlecht

Alter




Grundumsatz

4 600 kJ
(entspricht 6,8 Kugeln Eis)

Man muss die Energiezufuhr durch die Nahrungsmittel dem Lebensstil anpassen. Wer körperlich viel arbeitet oder viel Sport betreibt, kann auch mehr essen als jemand, der nur sitzende Tätigkeiten ausführt.

Um zu wissen, wieviel Energie man während eines Tages benötigt (Leistungsumsatz), muss man den Grundumsatz mit dem sogenannten PAL-Faktor multiplizieren. PAL bedeutet physical activity level. Dieser Faktor gibt also an, welche körperliche Tätigkeit jemand ausübt.

Leistungsumsatz = Grundumsatz $$\times$$ PAL-Faktor

Den jeweiligen PAL-Faktor entnimmt man der folgenden Tabelle:

Tätigkeit PAL-Faktor
Sitzende oder liegende Tätigkeit (z. B. krank im Bett liegen oder im Rollstuhl sitzen) 1,2
Viel am Schreibtisch sitzen und keinerlei Sport betreiben 1,4
Vornehmlich sitzende Tätigkeit aber durchaus auch viel gehen (trifft auf Schüler*innen zu) 1,6
Menschen die viel gehen (Kellner*innen, Verkäufer*innen, im Haushalt Tätige) 1,8
Anstrengende Tätigkeit (Landwirt*innen, Leistungssportler*innen) 2,0 bis 2,4

Speiseplan

Plane deine Mahlzeiten, damit dein Tagesbedarf (Grundumsatz $$\times$$ PAL-Faktor 1,6) abgedeckt wird. 1000 kJ

Hat man mehr Energie aufgenommen, als der Körper benötigt, dann wird die überschüssige Energie dazu verwendet, Fettreserven anzulegen. Dies macht der Körper deshalb, weil er für Hungerzeiten vorsorgen möchte, denn dann wandelt er Fett in Energie, also auch Wärme um. Vielleicht hast du schon bemerkt, dass dir dann eher kalt ist, wenn du hungrig bist. Bewegung erhöht den Energiebedarf. Die folgende Tabelle zeigt den Energiebedarf für jeweils eine Stunde sportlicher Betätigung.

Sportart Energiebedarf in kJ/h
Basketball 1340
Fußball 1430
Gymnastik 670
Laufen (7 min/km) 1390
Rad fahren (15 km/h) 1010
Schwimmen 1470
Schifahren 1010
Walken 1090

Regelmäßige sportliche Betätigung ist nicht nur gut, um ein Zuviel an Energieaufnahme auszugleichen, sondern stärkt auch das Immunsystem und verzögert Alterungsprozesse. Allerdings gilt auch hier: Allzuviel ist ungesund. Leistungssportler sind sich der Gefahr der Überbeanspruchung bewusst und erstellen daher ausgewogene Trainingspläne und legen auch auf richtige Ernährung großen Wert.

Heute fühlen sich sehr viele Leute zu dick. Manche Diäten, über die man in Zeitschriften liest, versprechen, dass man innerhalb einer Woche mehrere Kilogramm Körperfett verliert. Eine Überschrift in einer Zeitung lautete: „Blitzdiät: 5 kg in einer Woche abnehmen!“ Kann das stimmen?

1 kg Körperfett hat einen Energieinhalt von rund 30 000 kJ, also haben 5 kg Fett einen solchen von 150 000 kJ. Um 5 kg Körperfett abzubauen, müsste man in dieser Woche 150 Stunden Rad fahren. Selbst dann, wenn man eine Woche lang gar nichts essen würde, könnte man höchstens ein Drittel, also rund 1 ½ kg Körperfett verlieren. Ärzte empfehlen daher eine Körpermassenreduktion durch moderates Essen und sportliche Betätigung um weniger als 1 kg pro Woche.

So schützen wir uns vor Überhitzung

Bei Menschen spricht man von Fieber, wenn die Körpertemperatur 38 °C übersteigt. Bei sportlicher Betätigung steigt jedoch die Körpertemperatur an und sie muss abgeführt werden, denn ein Anstieg der Wärme im Körper führt zu Leistungsverlust und kann auch zu Schäden an den Organen führen. Ein sehr effektives Mittel, Wärme aus dem Körper zu bringen, stellt das Schwitzen dar. Immer dann, wenn die Körpertemperatur sich erhöht, produziert der menschliche Körper mit Hilfe der Schweißdrüsen Wasser. Besonders viele Schweißdrüsen befinden sich an den Handinnenflächen, den Fußsohlen und auf der Stirn. Das durch die Schweißdrüsen produzierte Wasser verdunstet. Dazu ist Energie notwendig. Aus der Körperwärme nimmt das Schwitzwasser die notwendige Energie, um in den gasförmigen Zustand überzugehen. Ist der Körper wieder auf normaler „Betriebstemperatur“, dann hört die Schweißproduktion auf. Du siehst: Der Mensch hat eine körpereigene Klimaanlage.

Ein Mensch mit Schweißperlen auf der Stirn
Die Schweißdrüsen auf der Stirn helfen uns wieder abzukühlen.

Dass der menschliche Körper in der Sauna auch Temperaturen von mehr als 100 °C aushält, hängt auch mit der Verdunstungsenergie beim Schwitzen zusammen.

Warum man bei sportlicher Betätigung auch dann schwitzt, wenn die Außentemperaturen im Minusgradbereich liegen, hat folgenden Grund: Zur Sportausübung ist die Bewegung vieler Muskeln notwendig. Diese Muskelbewegung führt zur Produktion von Wärme. Das Muskelzittern bei Kälte ist übrigens ebenfalls ein Mittel, um Wärme zu produzieren. Jetzt ist wohl auch klar, warum man beim Sport luftdurchlässige Kleidung tragen sollte: Nur so kann der produzierte Schweiß verdunsten und an die Außenwelt abgegeben werden. Außerdem ist diese sogenannte Funktionswäsche aus einem Material, das Wasser kaum aufnimmt und deshalb selbst trocken bleibt. Wäsche, die Wasser aufnimmt, wie etwa Baumwolle, klebt am Körper und dieses Wasser verdunstet auch dann, wenn die sportliche Betätigung aufhört, was zur Unterkühlung führen kann.

Der Mensch – eine Strahlungsquelle

Aber nicht nur durch Schwitzen kann der menschliche Körper Wärme an die Umgebung abgeben, er strahlt auch Wärme ab. Da letztlich die zugeführte Energie aus den Nahrungsmittel in Wärme umgewandelt wird, würde der Körper überhitzen, wenn nicht ein Wärmeausgleich stattfindet. Auch in vollkommener Ruhe wird die Energie des Grundumsatzes in Wärme übergeführt. Ein erwachsener Mensch gibt in Ruhe rund 100 Watt an Leistung an die Umgebung ab. Wenn in einem Konzertsaal fünfhundert Leute sitzen, dann geben diese Personen sehr viel Wärme an die Umgebung ab. Es gibt heute schon interessante Projekte, die die Wärme der Menschen (man nennt sie Humanwärme) zur Heizung verwenden. Seit 2010 heizen die rund 250 000 Personen, die sich täglich auf dem Stockholmer Flughafen bewegen, ein Bürogebäude. Dies geschieht so: Mit Ventilatoren wird die durch die Menschen erwärmte Luft im Gebäude in einem Belüftungssystem gesammelt und in Wassertanks geleitet. Das so erwärmte Wasser wird in Leitungen in das nahegelegene Bürogebäude gebracht, wodurch dieses geheizt wird.

Flughafen in Stockholm
Die vielen Menschen am Stockholmer Flughafen heizen ein Bürogebäude.

Die einzelnen Körperregionen geben unterschiedlich viel Wärme an die Umgebung ab, was man an den verschiedenen Farben der Wärmebildkamera sehen kann. Bei Brillenträgern leiten die Brillengläser besser als Luft Wärme ab, sodass nur ein Teil der Wärme senkrecht abgestrahlt wird.

Wärmebild einer Person mit Brille. Die Nase strahlt etwas weniger, die Brille bei weitem weniger Wärme ab als das restliche Gesicht.
Wärmebildaufnahme eines Brillenträgers

So schützen wir uns vor Kälte

Kühlt der menschliche Körper auf unter 26 °C ab, wird es lebensbedrohlich. Aber bereits dann, wenn die Körpertemperatur unterhalb von 35 °C liegt, beginnt der Körper mit drastischen Mitteln, eine weitere Abkühlung zu verhindern. Herz- und Atemfrequenz werden heruntergefahren, man wird schläfrig und es kommt zu Bewusstseinseinschränkungen. Noch ein zweiter Mechanismus setzt ein, wenn es außen kalt ist: Bei Kälte ziehen sich die Arterien zusammen und es kommt weniger Blut an die Hautoberfläche, wodurch die Wärmeabgabe verringert wird.

Durch richtige Kleidung schützt man den Körper vor dem Auskühlen. Die schlechte Wärmeleitung von Luft gibt uns eine Hilfe an die Hand. In den Zwischenräumen des Wollpullovers ist viel Luft eingeschlossen, die die Wärme von der Haut nicht so schnell nach außen ableitet.

Eine Frau hat einen Pullover und Handschuhe an und schmeißt Schnee in die Luft.
Ein Wollpullover hilft, dass im Winter die warme Luft am Körper bleibt.

Ein gutes Mittel gegen das Auskühlen ist auch Bewegung, denn dadurch produzieren die Muskeln Wärme.

6. Menschen brauchen Wärmeenergie
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