Samstag, 3. Oktober 2009

Wärmeverlust vs. Isolation

Um in das zwar komplex wirkende, aber doch recht einfache Thema einzusteigen, muß einem zuerst klar werden, dass ein wesentlicher Punkt zu unserer Gesunderhaltung der Wärmeerhalt unseres Körpers ist.

Für die Gesunderhaltung des Körpers ist eine möglichst konstante Kerntemperatur (von ca. 36,6 Grad) nötig. Wird es zu warm, kühlt sich der Körper durch Schwitzen oder man ist genötigt Schatten aufzusuchen. Wird es zu kalt braucht man entsprechende Isolation (Kleidung).

Wenn man jemanden nach Bekleidung „für draußen“ fragt, wird fast immer eine Regenjacke genannt, viel seltener aber warme Kleidung. Dabei ist es wichtiger, dass der Körper warm gehalten wird, als trocken.
Warum? Währe es so schädlich für uns, nass zu werden, würden wir wahrscheinlich nicht Baden, geschweige denn Schwimmen gehen. Unangenehm wird ein ein Bad nur, wenn man dabei (oder danach) auskühlt. Dann holt man sich schon mal schnell einen Schnupfen. Hierbei begünstigt das Wasser aber nur das schnelle Auskühlen des Körpers und ist nicht die eigentliche Ursache für das Unwohlsein. Darum tragen Wassersportler auch Neoprenkleidung, die den Körper eben vor dem Auskühlen, nicht aber vor dem Wasser schützt.

Das Auskühlen des Körpers wird durch verschiedene Faktoren begünstigt, denen man durch entsprechende Maßnahmen (Isolation) entgegen treten kann.

Die drei Hauptursachen für den Wärmeverlust sind:

-Konduktion (Wärmeabgabe über feste Stoffe)
-Konvektion (Wärmeabgabe über Luftaustausch)
-Radiation (Strahlungswärme)

Jeder Stoff leitet Wärme unterschiedlich schlecht, bzw. gut. Die Wärmeabgabe die durch Kontakt mit einem festen Stoff entsteht wird als Konduktion bezeichnet.
Metall fühlt sich meist kühl an, da es Wärme gut leitet und dem Körper dadurch Energie entzieht. Holz z.B. fühlt sich eher warm an, da es ein schlechter Wärmeleiter ist. Wasser wiederum ist jedoch ein recht guter Wärmeleiter. Unter anderem kühlt daher nasse Kleidung auch schneller aus, als trockene.
Ebenfalls ein schlechter Wärmeleiter, wenn auch kein fester Stoff, ist eine stehende Luftschicht.

Je schlechter ein Stoff Wärme leitet, umso besser isoliert er.
Daher nutz man z.B. Fleecestoffe oder Daunenprodukte als Isolierung im Bekleidungsbereich, da die zwischen den feinen Fasern stehende Luftschicht sehr gut isoliert.

Warum friert man dann, wenn man mit einem Schlafsack direkt auf dem Boden liegt?

Ganz einfach. Das Schlafsackmaterial wird zum Boden hin zusammengedrückt und es bildet sich keine Isolierende Luftschicht. Der kalte Boden (ein guter Wärmeleiter) entzieht so ungehindert die Körperwärme.
Um dem Vorzubeugen benötigt man eine Isomatte. Diese besteht aus gut isolierendem Material (z.B. Evazote) und wird durch das Körpergewicht kaum zusammengedrückt.
Sowohl bei Kleidung und Schlafsack, als auch bei Isomatten gilt: Je dicker die isolierende Schicht umso geringer ist der Wärmeverlust.

Warum sollte man dann keine Luftmatrazen als Isomatten nutzen?

Immerhin sind sie ja prall mit Luft gefüllt und Luft ist ein schlechter Wärmeleiter?
Das stimmt leider nur bedingt. Hier kommt die Konvektion ins Spiel. Die Konvektion ist der Wärmeaustausch durch Bewegung einzelner Luftschichten.
Damit ein Austausch zwischen kalter und warmer Luft entstehen kann (quasi ein Mini-Wind) ist eine Mindest-Dicke für eine Luftschicht nötig. Bzw. genug Raum für zwei Luftschichten, die untereinander einen Wärmeaustausch vornehmen können.
Bei Bekleidung, Schlafsäcken oder selbstaufblasenden Isomatten ist die dort „festgehaltene“, bzw. stehende Luftschicht zu gering, bzw. zu dünn für eine Luftbewegung.
Der luftgefüllte Raum einer normalen Luftmatraze reicht jedoch um darin eine warme und eine kalte Luftschicht zu erzeugen, die durch kleinste Luftverwirbelungen einen Wärmeabtransport bewirken.

Mit dem Effekt der Konvektion hat man aber vor allem bei Wind zu kämpfen. Die in der Kleidung stehende (und isolierende) Luftschicht wird durch Wind einfach weggeblasen und durch kalte Luft ersetzt. Diese muß der Körper erst wieder erwärmen, was zu einem ständigen Energie, bzw Wärmeverlust des Körpers führt. Dieser Effekt ist auch als Windchillfaktor bekannt.
Durch winddichte Kleidung, z.B. eine Windjacke lässt sich dieser Effekt stark reduzieren. Auch ein geschlossenes Zelt oder auch ein Felsvorsprung kann jemanden vor Wind schützen.
Bliebe noch die Radiation, die Strahlungswärme.

Gerade die Diskussion um Energiesparlampen zeigt deutlich, wie viel Energie über Wärmestrahlung verloren geht. Klassische Glühbirnen werden bei Betrieb regelrecht heiß. Moderne Energiesparlampen oder LEDs bleiben bei selber Lichtausbeute kühl und benötigen deutlich weniger Strom.
Auch unser Körper strahlt Wärme ab. Um einem Wärmeverlust über Radiation vorzubeugen, verwendet man z.B. im Rettungsdienst sog. Rettungsdecken, die ähnlich wie Alufolie aussehen. Zwar sind diese „Decken“ nur papierdünn, durch ihre wärmereflektierende Beschichtung dämmen sie den Wärmeverlust durch Radiation deutlich ein.
Zusätzlich schützen sie durch das winddichte Material auch vor der Konvektion. (Solange sie eng um den Körper gewickelt sind)
Um sich unter „gewöhnlichen“ Umständen gegen Auskühlung durch Radiation zu schützen, reicht meist schon die normale Kleidung.

Der Kopf verfügt im Gegensatz zum restlichen Körper über kaum eine natürliche Isolierung (gemeint ist eine schützende Fettschicht). Unter der Aufnahme einer Infrarotkamera sieht man das recht deutlich. Der Wärmeverlust durch Radiation ist hier am größten. Aber schon eine dünne Mütze reduziert dies erheblich.

Da eine Isolierung nie von selbst wärmt, sondern immer nur die Wärme des Körpers hält, sollte man diese drei Faktoren bei der Wahl seiner Isolierung stets beachten.

Bei dieser Auflistung wurde bewußt auf die Nennung anderer Faktoren des Wärmeverlustes verzichtet, um die Erklärungen nicht unnötig zu komplizieren. So wurde z.B. die Evaporation (die Wärmeabgabe durch Verdampfung flüssiger Stoffe, wie z.B. Schweiß) oder auch die Respiration (die Wärmeabgabe über die Atemluft) außen vor gelassen. Diese Aspekte lassen sich (wenn auch wissenschaftlich nicht ganz korrekt) auch durch die anderen, oben genannten Effekte erklären. Für den durchschnittlichen Wanderer, der keine Diplomarbeit in Thermophysik schreibt, sollten diese Erklärungen genügen, um seine Ausrüstung entsprechend den Witterungsbedingungen anpassen zu können.


Kommentare:

  1. Danke Dir vielmals! Toll geschrieben! Hat mir geholfen.

    AntwortenLöschen
  2. sehr informativ! danke!

    AntwortenLöschen