Antwort auf die Eingangsfrage Ist der menschliche Organismus eine Wärmekraftmaschine? Der menschliche Organismus stellt stark vereinfacht ein offenes thermodynamisches System dar. Der Mensch nimmt chemische Energie und Stoffe zu sich (Nahrungsmittel und Sauerstoff) und gibt Energie und Stoffe ab (Wärme, Kohlenstoffdioxid und Ausscheidungen). Die Energie aus der Nahrung wird für die vielfältigen Körperfunktionen wie etwa den Bluttransport, die Muskel- und Gehirntätigkeit verbraucht. Ein völlig inaktiver Mensch mit einer Körpermasse von ca. 70 kg benötigt dafür durchschnittlich 7 000 kJ pro Tag, den so genannten Grundumsatz (siehe S. 132), der sich in Abgabe von Körperwärme äußert. Der Grundumsatz dient der Herztätigkeit (200 kJ/Tag) und der Atmung (250 kJ/Tag). Körperliche Arbeit und sportliche Aktivitäten benötigen einen zusätzlichen Energieumsatz. Dieser ist größer als die geleistete Arbeit, weil bei der Umwandlung der chemischen Energie in mechanische Muskelenergie Verluste auftreten. Wie für Maschinen kann man für den menschlichen Organismus einen Wirkungsgrad definieren, der das Verhältnis von abgegebener mechanischer und aufgenommener 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 − TUmgebung __ TKörper = 1 − 293/310 = 0,05, also 5 %. In Wirklichkeit tritt aber ein weit höherer Wirkungsgrad auf, nämlich bis zu mindestens 25 %. Damit der menschliche Körper als Wärmekraftmaschine einen solchen Wirkungsgrad erreichen könnte, müsste er aber viel wärmer sein: η = 1 − TUmgebung __ TKörper daraus: TKörper = TUmgebung __ (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 einer Wärmekraftmaschine große Verluste durch den Umweg über die Wärme auftreten, findet im menschlichen Organismus in den Muskeln eine Direktumwandlung der chemischen Energie in mechanische Energie statt. 147.1 Vergleich Mensch-Wärmekraftmaschine. Wodurch unterscheiden sich die Prozesse der Energieumwandlung? mechanische Energie Kraftstoff Verbrennung Wärmekraftmaschine Nährstoff Muskel Maschine Mensch Muskelstoffwechsel 147.2 Sportmedizinische Untersuchung der Leistungsfähigkeit mit Atemluftanalyse. 1 S4 Jemand behauptet, dass es nicht sinnvoll sei, Erdgas mit einer Flammentemperatur von 1970 °C zur Erwärmung von Wasser mit einer Temperatur von 40 °C zu verwenden. Nimm dazu Stellung! 2 E1 Was haben die unterschiedlich großen Ohren von Polarfuchs, Rotfuchs und Wüstenfuchs (147.4) mit ihrem Wärmehaushalt zu tun? Recherchiere den natürlichen Lebensraum der Tierarten und stelle einen Zusammenhang zwischen den klimatischen Bedingungen und der Größe der Ohren her. 3 S4 Die durchschnittliche Anzahl der sommerlichen Hitzetage (Lufttemperatur ≥ 30 oC) nimmt derzeit im Vergleich zu den Jahren vor 2 000 zu und führt zu gesundheitlichen Belastungen. Gegen die Überhitzung von Wohnräumen werden oft Klimaanlagen empfohlen. Zwei Arten stehen in Baumärkten zur Auswahl, sogenannte Split-Geräte und mobile Geräte. Informiere dich über Vor- und Nachteile dieser Geräte und fasse die Informationen als Hilfe für eine Kaufentscheidung zusammen. Weiterführende Fragestellungen 147.3 Buckelwal (links) und Spitzmaus (rechts) sind Beispiele sehr großer, bzw. sehr kleiner warmblütiger Lebewesen. Wodurch werden ihre Größen begrenzt? 147.4 Unterschiedlich große Ohren bei Wüstenfuchs (links), Rotfuchs (Mitte) und Polarfuchs (rechts). 147 Thermodynamik Praxis und Vertiefung Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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