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KAPITEL 3: Unser Leben im Wärmebad
Kork
Styropor
Wärme
Die Wärme wird durch Stöße der
Materieteilchen übertragen.
Wärmedämmstoffe nützen die
schlechte Wärmeleitung von Luft.
Wärmeleitung
Warme Luft
steigt auf und
bildet Wolken.
Warme Luft
steigt auf.
Die nachströmende Luft
erzeugt Winde.
Kalte Luft
strömt nach.
Wärmeströmung
ist der Motor für
das Wettergeschehen.
Wärmeströmung in Luft
Wärmeströmung
in Wasser
Wärmeströmung
Dunkle Oberflächen
erwärmen sich stärker als helle.
Eine Glühbirne
sendet neben
sichtbarem Licht
auch Wärmestrahlung aus.
Wärmestrahlung
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Licht und Wärmestrahlung
können sich auch durch den
Weltraum ausbreiten.
Wärmeübertragung
Wärme geht von selbst immer vom heißen auf den kalten Körper über.
Wärmeleitung
Heizt man z. B. einen Eisennagel an einem Ende auf, dann wird mit
einer gewissen Verzögerung auch die Temperatur am anderen Ende
steigen. Die Wärme breitet sich im Nagel aus. Dabei fließt aber kein
Stoff durch den Gegenstand, sondern nur Energie. Mit dem Teilchenmodell kann man das erklären. Die Materieteilchen am heißen Ende
bewegen sich stärker als die am kühleren Ende. Schnelle und langsame Teilchen stoßen zusammen, die langsamen werden beschleunigt, die schnellen abgebremst. Wenn man einen heißen und einen
kalten Körper miteinander in Kontakt bringt, wird deshalb der kalte
Körper wärmer, der warme hingegen kälter.
Die Wärmeleitfähigkeit der Stoffe ist sehr verschieden. Metalle sind
allgemein sehr gute Wärmeleiter, Gase sehr schlechte.
Wärmestrahlung
Wenn man die Hand in die Nähe einer Glühbirne hält, spürt man sofort
nach dem Einschalten große Hitze. Die Glühbirne sendet nicht nur
sichtbares Licht aus, sondern auch unsichtbare Wärmestrahlung. Die
Wirkung der Wärmestrahlung auf einen Körper hängt von dessen
Oberfläche ab. Körper mit dunkler und rauer Oberfläche nehmen
mehr Wärmestrahlung auf und erwärmen sich deshalb stärker als
Körper mit einer hellen oder reflektierenden Oberfläche.
Wärmestrahlung braucht – so wie sichtbares Licht – zur Ausbreitung
kein Medium. Sie kann sich auch durch den Weltraum ausbreiten.
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3. Klasse
Wärmeströmung
Über einer heißen Herdplatte ist eine nach oben gerichtete Luftströmung zu spüren. Die Luft wird von der Herdplatte erwärmt, dehnt sich
aus und hat deshalb eine kleinere Dichte als die umgebende Luft. Sie
steigt auf und Luft aus der Umgebung strömt nach. Bei der Wärmeströmung ist die warme Luft (oder das warme Wasser) tatsächlich in
Bewegung und transportiert dadurch auch die Wärme.
In Flüssigkeiten und Gasen wird die Wärme hauptsächlich durch
Wärmeströmung transportiert. Ausgelöst wird die Strömung immer
durch Dichteunterschiede, die durch unterschiedliche Temperaturen
entstehen. Dies ist der Motor für das Wettergeschehen auf der Erde.
Sonnenstrahlung
KAPITEL 3: Unser Leben im Wärmebad
Wärmestrahlung
Der Energiehaushalt der Erde
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Ostaustralischer
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Westaustralischer
Strom
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Wasser- und Luftströmungen
Erdachse
Erdachse
1
2
Erdbahnebene
23,5°
N-S
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Entstehung der Jahreszeiten
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23,5°
Sonnenstrahlen
N-W
inte
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Wetter und Klima
Entstehung der Jahreszeiten
Die Erde dreht sich an einem Tag ein Mal um ihre eigene Achse.
Dadurch entstehen Tag und Nacht. Zusätzlich bewegt sie sich in
einem Jahr ein Mal auf einer fast kreisförmigen Bahn um die Sonne.
Dadurch entstehen die Jahreszeiten. Die Drehachse der Erde steht
nicht senkrecht auf die Erdbahnebene, sondern ist zu dieser
Senkrechten um 23,5 ° geneigt.
Das bewirkt, dass die Sonnenstrahlen nicht das ganze Jahr über mit
dem gleichen Winkel auf die Erdoberfläche treffen. In Position 1 (siehe
Bild) treffen sie auf der Nordhalbkugel steiler auf als in Position 2. Je
steiler sie auftreffen, umso stärker ist aber ihre Wirkung. In Position 1
ist somit auf der Nordhalbkugel Sommer, in Position 2 Winter. Auf der
Südhalbkugel ist es genau umgekehrt.
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3. Klasse
Der Energiehaushalt der Erde
Die Erde erhält von der Sonne Energie in Form von Strahlung, hauptsächlich als sichtbares Licht. Sie gibt ihrerseits wieder Energie als
Strahlung in den Weltraum ab, dies allerdings großteils als Wärmestrahlung. Auf der Tagseite überwiegt die Einstrahlung, auf der Nachtseite hingegen die Ausstrahlung. Deshalb sinkt in der Nacht die Temperatur. Wolken behindern die Ausstrahlung. In Winternächten mit
bedecktem Himmel wird es deshalb nie so kalt wie in klaren Nächten.
Auch bestimmte Gase, v. a. das Kohlenstoffdioxid, behindern die Ausstrahlung. Es lässt das sichtbare Licht ungehindert auf die Erde einfallen, aber die Wärmestrahlung nur begrenzt wieder abgeben. Das
nennt man Treibhauseffekt. Ein gewisser Treibhauseffekt ist für das
Überleben auf der Erde sehr wichtig. Ohne ihn wäre die Temperatur im
Mittel etwa 30 °C tiefer. Durch das Verbrennen von Erdöl, Erdgas,
Kohle usw. ist der Kohlenstoffdioxidgehalt der Luft in den letzten
Jahrzehnten größer geworden. Damit wurde auch der Treibhauseffekt
stärker und die mittlere Temperatur der Erde ist gestiegen.
Meeres- und Luftströmungen
In niedrigen geografischen Breiten fallen die Sonnenstrahlen steil auf
die Erdoberfläche ein. Hier ist die Einstrahlung und deshalb die
Erwärmung größer als in hohen geografischen Breiten, wo die
Sonnenstrahlung viel flacher einfällt. Kalte und warme Meeresströmungen und auch Luftströmungen transportieren Wärme und
wirken so temperaturausgleichend.
KAPITEL 3: Unser Leben im Wärmebad
Wechselwarme Tiere sonnen sich, um
ihre Körpertemperatur zu erhöhen.
- großes Volumen
- kleine Oberfläche
- dicke Fettschicht
- dichtes Fell
Schutz vor Wärmeverlust
Eidechse sammelt Wärme
Große, gut durchblutete
Ohren geben Wärme an
die Umgebung ab.
Kühlung durch
das Verdunsten
von Flüssigkeit.
Water
Water
Water
Water
Water
Water
Strategien zur Kühlung des Körpers
Wüste: trockene Luft, ungehinderte Verdunstung, gute Kühlwirkung
Tropen: feuchte Luft, eingeschränkte
Verdunstung, schlechte Kühlwirkung
Kühlwirkung in verschiedenen Klimazonen
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Bedeutung der Wärme für Lebewesen
Die Körpertemperatur spielt für Lebewesen eine sehr wichtige Rolle.
Wechselwarme Tiere können selbst keine Wärme erzeugen. Ihre
Körpertemperatur passt sich der Umgebungstemperatur an. Bei tiefen Temperaturen sind sie träge und langsam. Mit der Körpertemperatur steigt auch ihre Reaktionsfähigkeit. Wenn sich etwa Schlangen
oder Eidechsen sonnen, dann erhöhen sie damit ihre Körpertemperatur. Viele Tiere sind wechselwarm, z. B. Insekten, Reptilien und
Fische.
Gleichwarme Tiere halten ihre Körpertemperatur in engen Grenzen
aufrecht. Das bedeutet zwar einen höheren Energieaufwand, dafür
können sie aber immer gleich aktiv sein.
In kalten Klimazonen müssen sie ihre Wärmeverluste minimieren.
Das kann durch eine dicke Fettschicht und ein dichtes Fell erfolgen.
Auch die Größe der Tiere spielt hier eine Rolle. Große Tiere haben im
Vergleich zu ihrem Volumen eine kleine Oberfläche. Es gibt hier
deshalb keine kleinen Säugetiere. Auch innerhalb einer Tiergattung
sind in kalten Regionen die größeren Arten zuhause.
In warmen, heißen Klimazonen müssen gleichwarme Tiere den Körper kühlen. Afrikanischer Elefant und Wüstenfuchs haben große, gut
durchblutete Ohren. Die Kühlung erfolgt, ohne dass der Körper Wasser verliert. Das ist in Trockenregionen natürlich besonders wichtig.
Diese Klimaanlage des Menschen funktioniert in unterschiedlichen
Klimazonen verschieden gut. In der Wüste ist die Luft heiß und
trocken. Der Schweiß kann deshalb rasch von der Körperoberfläche
verdunsten. Die Kühlwirkung ist gut. Allerdings verliert der Körper viel
Wasser, das man ihm laufend zuführen muss. Wenn man in der Wüste
unterwegs ist, ist es deshalb wichtig, besonders viel Wasser zu
trinken. Da dem Körper mit dem Schweiß auch Salze entzogen
werden, müssen auch diese wieder zugeführt werden.
In den Tropen ist die Luft meistens sehr feucht. Der Schweiß kann
deshalb nur schwer verdunsten. Die Haut bleibt feucht, die
Kühlwirkung ist gering.
(1)
. . . siehe Seite 47
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3. Klasse
Andere Tiere nutzen die Kühlwirkung, die beim Verdunsten einer Flüs(1)
sigkeit entsteht . Das Hecheln von Hunden ist ein Beispiel dafür.
Auch das Schwitzen des Menschen beruht auf dieser Wirkung. Durch
das Verdunsten des Schweißes wird der Körper gekühlt.