Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

? Antwort auf die Eingangsfrage Der menschliche Organismus stellt stark vereinfacht ein offenes thermodyna- misches System dar. Der Mensch nimmt hochwertige chemische Energie und Stoffe zu sich (Nahrungsmittel und Sauerstoff) und gibt minderwertige Energie und Stoffe ab (Wärme, Kohlendioxid und Ausscheidungen). Es findet demnach eine Entwertung von Energie statt. Die hochwertige Energie aus der Nahrung wird für die vielfältigen Körperfunktio­ nen wie etwa den Bluttransport, die Muskel und Gehirntätigkeit verbraucht. Ein völlig inaktiver Mensch mit einer Körpermasse von ca. 70 kg , verbraucht dafür durchschnittlich 7000 kJ pro Tag, den so genannten Grundumsatz (siehe Seite 114), der sich in Abgabe von Körperwärme äußert. Der Grundumsatz dient der Herztä­ tigkeit ( 200 kJ/Tag ) und der Atmung ( 250 kJ/Tag ). Muskelaktivitäten und insbeson­ dere sportliche Aktivitäten benötigen einen zusätzlichen Energieumsatz, der grö­ ßer ist als die an die Umgebung verrichtete Arbeit, denn bei der Umwandlung der chemischen Energie in mechanische Muskelenergie treten Verluste auf. Wie für Maschinen kann man für den menschlichen Organismus einen Wirkungs­ grad definieren, der das Verhältnis von abgegebener mechanischer und aufgenom­ mener chemischer Energie angibt. Würde der menschliche Organismus wie eine Wärmekraftmaschine arbeiten, dann würde sich bei einer Lufttemperatur von 20 °C und einer Körpertemperatur von 37 °C folgender maximaler Wirkungsgrad ergeben: η = 1 – T Umgebung / T Körper = 1 – 293/310 = 0,05, also 5%. In Wirklichkeit tritt aber ein weit höherer Wirkungsgrad auf, nämlich bis zu min­ destens 25% . Damit der menschliche Körper als Wärmekraftmaschine einen solchen Wirkungs­ grad erreichen könnte, müsste er aber viel wärmer sein: η = 1 – T Umgebung / T Körper dar­ aus: T Körper = T Umgebung /(1 – η ) = 391 K , das bedeutet, der Mensch hätte statt 37 °C eine Körpertemperatur von ca. 118 °C . Der Mensch arbeitet daher nicht wie eine Wärmekraftmaschine: Während bei ei­ ner Wärmekraftmaschine große Verluste durch den Umweg über die Wärme auf­ treten, findet im menschlichen Organismus in den Muskeln eine Direktumwand­ lung der chemischen Energie in mechanische Energie statt. Mensch Nährstoff Muskelstoff- wechsel Maschine Kraftstoff Verbrennung Wärmekraft- maschine mechanische Energie 129.1 Vergleich Mensch-Wärmekraftmaschine. Wodurch unterscheiden sich die Prozesse der Energieumwandlung? 129.2 Sportmedizinische Untersuchung der Leistungsfähigkeit mit Atemluftanalyse. 129.3 Gibt es eine Ober- bzw. Untergrenze für die Größe warmblütiger Lebewesen? Was haben die Ohren von Polarfuchs, Fuchs und Wüstenfuchs mit ihrem Wärmehaushalt zu tun? 129 | ENERGIE Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv