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Wie viel Wärme verträgt ein Mensch?

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Wie lange kann ein Mensch eine Temperatur von 180 Grad Fahrenheit (82ÖC) ohne Beschädigung auf engstem Raum?

Angenommen, eine Person sitzt in einem dampfgefüllten Raum ohne externe Luftzufuhr (aber mit genügend Sauerstoff) - wie lange könnte man der Hitze widerstehen, bevor dauerhafte körperliche Schäden auftreten?


Kurze Antwort
Wasser von 180 ÖF (82 ÖC) Ursachen sofort Verbrühungen (thermische Brandwunden).

Hintergrund
Die Schwere einer Verbrühungsverletzung hängt davon ab, welcher Temperatur die Haut ausgesetzt ist und wie lange. Warmwasserbereiter für Wohngebäude erwärmen Leitungswasser typischerweise auf 120 ÖF (48 ÖC). Bei dieser Temperatur benötigt die Haut von Erwachsenen durchschnittlich fünf Minuten Einwirkungszeit, damit eine vollständige Verbrennung auftritt. Wenn die Temperatur einer heißen Flüssigkeit auf 140 . erhöht wird ÖF (60 ÖC)) Es dauert nur fünf Sekunden oder weniger, bis eine ernsthafte Verbrennung auftritt. Kaffee, Tee, heiße Schokolade und andere Heißgetränke werden normalerweise am . serviert 160 bis 180 ÖF (71 - 82 ÖC), was zu fast sofortige Verbrennungen, die operiert werden müssen (Amerikanischer Brandverband).

Wie diese Zahlen auf Dampf zutreffen, bin ich mir nicht sicher, aber ich denke, sie werden vergleichbar sein, da Dampf im Wesentlichen aus einer dichten Masse von Wassertröpfchen besteht. Außerdem spielt die Dampfmenge offensichtlich eine Rolle. Betrachten Sie diese Zahlen: Die Temperatur in einer Sauna liegt normalerweise zwischen 160 und 200 °C ÖF (71 - 93 ÖC) bei niedriger Luftfeuchtigkeit (im Bereich von 5 - 30%). Dampfbäder liefern feuchte Wärme von einem mit Wasser gefüllten Generator, der Dampf in den geschlossenen Raum pumpt. Die Temperatur in einem Dampfbad liegt normalerweise im Bereich von 110-114 Grad Fahrenheit (43 - 46 .). ÖC) mit einer Luftfeuchtigkeit von 100 %.

Es gibt anekdotische Beweise für den in Russland geborenen Ivan Ivanitz Chabert (1792-1859), der angeblich mit einigen Blechen Fleisch in einen Eisenofen in Paris (Times-Teleskop, 1831) eintrat und dort 5 Minuten bei einer Temperatur von 380 Grad F (193 .) unversehrt blieb ÖC). Als er wieder aus dem Ofen kam, war das Fleisch gekocht, während die einzigen spürbaren Auswirkungen auf ihn starkes Schwitzen und ein dramatischer Anstieg der Herzfrequenz (von 98 auf 168 Schläge pro Minute) waren.

Dieses Experiment zeigt die bemerkenswerte Fähigkeit des menschlichen Körpers, die Überhitzung durch Verdunstungskühlung (Schwitzen) zu reduzieren. Die Auswirkungen von Dampf sind für den menschlichen Körper jedoch weitaus verheerender als trockene Hitze. Es transportiert nicht nur viel mehr Energie als heiße Luft, sondern verhindert auch das Schwitzen, indem es die Luft mit Wasserdampf sättigt.

Verweise
- Leitfaden für Pädagogen der American Burn Association
- Times-Teleskop, 1831


Hängt stark von der Dampfmenge im Raum ab. Am meisten, wenn die Wärmeenergie nicht aus der Luft kommt, sondern aus dem Dampf, der auf Ihrer Haut kondensiert. Ich kann aus eigener Erfahrung sagen, dass ich regelmäßig 20-30 Minuten in einer 80-C-Sauna verbringe, während ich alle paar Minuten mehr Wasser in den Ofen gieße, ohne dass es mir zu unangenehm wird (solange ich Wasser zum Trinken habe). 100 °C Sauna vielleicht 10-20 Minuten und 120 °C Sauna 5-10 Minuten. Wenn Sie kein Wasser werfen, können Sie viel länger drin bleiben. Erwähnenswert ist auch, dass die Menschen normalerweise nicht an diese Art von Temperaturen gewöhnt sind und sich viel früher unwohl fühlen, wenn sie nicht an die Hitze gewöhnt sind.

Ich kann ein Beispiel von den letzten finnischen Saunameisterschaften nehmen: Ein Russe ist gestorben und ein Finne hat sich nach dem Ausgeben 70% seiner Haut verbrannt nur 6 Minuten in 110c Sauna. Vor ein paar Jahren hielt derselbe Typ jedoch durch für 16 Minuten in der gleichen 110c temperatur ohne verbrennungen. Auch hier machte die Luftfeuchtigkeit den Unterschied. Im Finale wurde alle 30 Sekunden ein halber Liter Wasser gegossen. Ein halber Liter pro 30 Sekunden in einer kleinen Sauna bedeutet, dass die Luft ständig mit Wasser übersättigt ist und ohne einen Moment der Erleichterung ständig auf der Haut kondensiert.

In Finnland sterben jährlich etwa 50 Menschen in der Sauna. Die meisten von ihnen sind entweder sehr alt (70+), stark betrunken oder/und haben eine bestehende Krankheit. Normalerweise können Sie in der Sauna keine Verbrennungen bekommen, solange Sie genug Flüssigkeit zum Schwitzen haben und Ihr Körper nicht vollständig vom Alkohol durcheinander gebracht wird. Wenn Sie in der Sauna ohnmächtig werden, funktioniert Ihr Körper nicht richtig mit der Bewältigung des Hitzestresses. Dehydration bei Menschen unter Alkoholeinfluss erhöht das Risiko einer Hypotonie, die die Hautdurchblutung beeinträchtigt.

Hier wird in einem Artikel behauptet Ein 30-minütiger Aufenthalt in einer Sauna mit einer Temperatur von 80 ° C erhöht die Rektaltemperatur bei Erwachsenen um etwa 0,9 ° C. Bleibt der Anstieg konstant, wird in etwa 2,5 Stunden eine tödliche Hyperthermie (ca. 5 °C Anstieg der Körpertemperatur) erreicht. Diese Schätzung ist wahrscheinlich basierend auf einer relativ trockenen Sauna.


Wenn die Sonne ausgehen würde, wie lange würde das Leben auf der Erde überleben?

Wenn Sie eine dampfende Tasse Kaffee in den Kühlschrank stellen, wird sie nicht sofort kalt. Ebenso, wenn die Sonne einfach „ausgeschaltet“ würde (was physikalisch unmöglich ist), würde die Erde – zumindest verglichen mit dem sie umgebenden Raum – einige Millionen Jahre lang warm bleiben. Aber wir Oberflächenbewohner würden die Kälte viel früher spüren.

Innerhalb einer Woche würde die durchschnittliche globale Oberflächentemperatur unter 0 ° F sinken. In einem Jahr würde es auf –100° sinken. Die oberen Schichten der Ozeane würden zufrieren, aber in einer apokalyptischen Ironie würde dieses Eis das tiefe Wasser darunter isolieren und verhindern, dass die Ozeane Hunderttausende von Jahren festfrieren. Millionen von Jahren danach würde unser Planet eine stabile Temperatur von –400° erreichen, die Temperatur, bei der die vom Kern des Planeten abgestrahlte Wärme der Wärme entspricht, die die Erde in den Weltraum abstrahlt, erklärt David Stevenson, Professor für Planetenwissenschaften an der das California Institute of Technology.

Obwohl einige Mikroorganismen, die in der Erdkruste leben, überleben würden, würde der Großteil des Lebens nur eine kurze Existenz nach der Sonne genießen. Die Photosynthese würde sofort anhalten und die meisten Pflanzen würden in wenigen Wochen sterben. Große Bäume könnten jedoch dank eines langsamen Stoffwechsels und erheblicher Zuckervorräte mehrere Jahrzehnte überleben. Wenn die unterste Stufe der Nahrungskette ausgeschaltet wäre, würden die meisten Tiere schnell sterben, aber Aasfresser, die über die toten Überreste pflücken, könnten so lange dauern, bis die Kälte sie tötete.

Menschen könnten in U-Booten in den tiefsten und wärmsten Teilen des Ozeans leben, aber eine attraktivere Option könnten nuklear- oder geothermisch betriebene Lebensräume sein. Ein guter Platz zum Campen: Island. Der Inselstaat beheizt bereits 87 Prozent seiner Häuser mit Geothermie, und laut Astronomieprofessor Eric Blackman von der University of Rochester könnten die Menschen die vulkanische Hitze noch Hunderte von Jahren nutzen.

Natürlich erwärmt die Sonne nicht nur die Erde, sondern hält auch den Planeten in seiner Umlaufbahn. Wenn seine Masse plötzlich verschwinden würde (das ist übrigens ebenso unmöglich), würde der Planet wie eine an einer Schnur geschwungene Kugel davonfliegen und plötzlich loslassen.


Wie heiß ist zu heiß für den Menschen?

Referenz:
Coffel, Ethan D., R.M. Horton und A. de Sherbinin. „Temperatur- und feuchtigkeitsbasierte Vorhersagen eines schnellen Anstiegs der globalen Hitzestress-Exposition im 21. Jahrhundert.“ Umweltforschungsbriefe, vol. 13, nein. 1, 2017, https://doi.org/10.1088/1748-9326/aaa00e.

Wie meine Landsleute aus Florida wissen, besteht der einzige Weg, einen feuchten Sommertag zu überstehen, darin, schnell eine Klimaanlage zu finden. Feuchtigkeit macht uns unwohl, weil wir schwitzen, um uns abzukühlen, aber diese Kühlung ist weniger effizient, wenn es feucht ist. Ab einer gewissen Hitze- und Feuchtigkeitsschwelle kann sich unser Körper durch Schwitzen nicht mehr abkühlen und die Folgen können tödlich sein. Eine aktuelle Studie von Coffel et al. weist darauf hin, dass der Klimawandel bis zum Ende des Jahrhunderts Millionen von Menschen lebensbedrohlichem Hitzestress aussetzen könnte.

Was ist Hitzestress?

Hitzestress ist ein Begriff, der verwendet wird, um eine Reihe von hitzebedingten Krankheiten zu beschreiben, einschließlich Hitzeerschöpfung und Hitzschlag. Hitzestress entsteht, wenn wir unsere Fähigkeit zur Thermoregulation verlieren oder eine konstante Körpertemperatur aufrechterhalten. Wenn unser Körper überhitzt, werden biologische Prozesse gestört und dies kann unbehandelt zum Tod führen. Hitzestress tritt aus einer Vielzahl von Gründen auf, darunter Überanstrengung, sehr heiße Bedingungen und eine Verringerung unserer Fähigkeit, sich abzukühlen.

Was könnte uns daran hindern abzukühlen?

Der Mensch kühlt sich durch Schwitzen ab. Wenn Schweiß von unserer Haut verdunstet, ändert er seine Phase von einer Flüssigkeit (Wassertröpfchen) zu einem Gas (Wasserdampf). Dieser Phasenwechsel erfordert Energie. Wassermoleküle ziehen diese Energie aus der Umgebung, so dass die Umwelt – in diesem Fall unsere Haut – Energie verliert und abkühlt.

Leider gibt es eine Grenze, wie viel Wasser verdunsten kann. Hat der Wasserdampfgehalt der Luft diese Grenze, die sogenannte Sättigung, bereits erreicht, kann praktisch kein Wasser mehr verdunsten. Meteorologen verwenden das Konzept der Luftfeuchtigkeit, um uns zu sagen, wie nah die Luft an der Sättigung ist. Wenn die Luftfeuchtigkeit beispielsweise 20 % beträgt, ist die Luft ziemlich weit von der Sättigung entfernt, sie ist trocken und mehr Wasser kann verdunsten. Wenn die Luftfeuchtigkeit jedoch 95 % beträgt, ist die Luft fast gesättigt, jetzt kann noch mehr Wasser verdunsten. Durch Schwitzen können wir uns nicht so gut abkühlen, weshalb sich feuchte Hitze schlimmer anfühlt als trockene Hitze!

Meteorologen haben mehrere Strategien, um die Wirkung von Feuchtigkeit zu quantifizieren. Sie haben vielleicht gesehen, wie Ihr lokaler Prognostiker den Hitzeindex erwähnt, der Temperatur und Luftfeuchtigkeit kombiniert, um Ihnen eine Vorstellung davon zu geben, wie heiß es sich tatsächlich anfühlt. Eine wissenschaftlichere Version des Hitzeindex ist eine als Feuchtkugeltemperatur bekannte Größe, die uns im Wesentlichen sagt, wie viel Schweiß uns angesichts der aktuellen Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit abkühlen kann. Wenn die Feuchtkugeltemperatur die Temperatur unserer Haut überschreitet – ungefähr 95 °C – bedeutet das, dass das Schwitzen uns nicht wieder auf eine für den menschlichen Körper normale Temperatur abkühlen kann. Unser Körper erwärmt sich und es können Krankheiten wie ein Hitzschlag auftreten. Eine dauerhafte Exposition gegenüber solchen Bedingungen ist wahrscheinlich tödlich, selbst für gesunde Menschen, die keine körperliche Arbeit verrichten.

Um dies in den Kontext zu setzen, führte eine Hitzewelle 2015 in Indien zu einer Feuchtkugeltemperatur von 86 ° F. Dies liegt weit unter der Schwelle von 95 ° F, aber trotzdem verursachte die Hitzewelle über 2.500 Todesfälle (lesen Sie hier mehr). Glücklicherweise ist es heute überall auf dem Planeten extrem selten, dass Feuchtkugeltemperaturen 85 oder 86 F überschreiten. UnGlücklicherweise deutet eine aktuelle Studie darauf hin, dass sich dies bis zum Ende des Jahrhunderts ändern könnte.

Was sagen Klimamodelle voraus?

Ethan Coffel, Radley Horton und Alex de Sherbinin nutzten eine Sammlung von globalen Zirkulationsmodellen (GCMs), um vorherzusagen, wie sich der Klimawandel im nächsten Jahrhundert auf die globalen Feuchtkugeltemperaturen auswirken wird. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass Feuchtkugeltemperaturen, die einst rekordverdächtig waren, bis 2080 an der Tagesordnung sein werden. Wenn die Autoren regionale Projektionen für das Bevölkerungswachstum einbezog, stellten sie fest, dass sie bis 2080 eine Million Personenstunden pro Jahr mit globaler Exposition erwarten auf eine Feuchtkugeltemperatur von 95 F. Dies hat potenziell schwerwiegende Folgen für die (meist Entwicklungs-) Nationen in den Tropen und Subtropen, deren Bewohner ohne Zugang zu Klimaanlagen möglicherweise nicht überleben können.

Für einige Regionen werden schwerwiegendere Auswirkungen erwartet als für andere. Diese Studie legt nahe, dass die extremsten Feuchtkugeltemperaturen in China, Indien und im Amazonasgebiet auftreten werden, die alle dicht besiedelte Regionen sind. In einer anderen Studie verwendeten Jeremy Pal und Elfatih Eltahir ein regionales Klimamodell und stellten fest, dass auch der Arabische Golf bis zum Ende des Jahrhunderts unbewohnbar werden könnte. Die Entwicklung der globalen Feuchtkugeltemperatur wird schwerwiegende Folgen für Menschenleben, Volkswirtschaften und geopolitische Konflikte haben, und es wird wichtig sein, die Details dieser Szenarien in den kommenden Jahren zu ermitteln.

Gibt es gute Nachrichten?

Wenn wir unseren Verbrauch fossiler Brennstoffe reduzieren, ja!

Da das Klima empfindlich auf die Menge an Treibhausgasen in der Atmosphäre reagiert, führen Wissenschaftler in der Regel Klimaprognosen für mehrere Szenarien durch. Damit können sie testen, wie das Klima anders reagieren könnte, wenn wir in den kommenden Jahren mehr oder weniger Kohlendioxid ausstoßen (mehr dazu hier). Die oben beschriebenen Ergebnisse beziehen sich alle auf das RCP 8.5-Szenario, das auch als „business as usual“ bekannt ist, da es davon ausgeht, dass wir unsere Treibhausgasemissionen bis zum Ende dieses Jahrhunderts weiter erhöhen werden. Kaffee et al. führten ihre Analyse auch anhand des RCP 4.5-Szenarios durch, das voraussagt, dass unsere Treibhausgasemissionen im Jahr 2040 ihr Maximum erreichen und dann sinken werden. In diesem Fall wird die Exposition gegenüber gefährlichen Feuchtkugeltemperaturen im Vergleich zum Szenario RCP 8.5 drastisch reduziert.

Wir Floridianer scherzen, dass wir ohne AC nicht überleben können, aber basierend auf der Studie von Coffel et al. könnte dies bereits 2080 für Millionen von Menschen buchstäblich wahr werden. Glücklicherweise ist es immer noch möglich, diese Katastrophe abzuwenden, solange Wir handeln schnell, um unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern.


Körpertemperatur

Bildnachweis: Clipart.com

Selbst ein 90-Grad-Sommertag ist kühler als Ihre Körpertemperatur. Warum fühlt es sich so warm an? Das erfährst du in diesem Wissenschafts-Update.

Transkript

Warum fühlt sich neunzig nicht kalt an? Ich bin Bob Hirshon und das ist Science Update.

Die heutige Frage „Warum ist das so“ kommt von Scott Pierce aus Seattle, Washington:

Durchbohren:
Wenn unser Körper 98,6 Grad hat, wie kommt es dann, dass wir heiß und verschwitzt werden, wenn es draußen irgendwo darunter ist &ndashlike 85?

Wir haben Dr. Matthew Kluger vom Medical College of Georgia gefragt. Er sagt, dass unser Körper aufgrund unseres Stoffwechsels ständig viel Wärme erzeugt. Wir müssen also ständig Wärme verlieren, um unsere normale Temperatur zu halten.

Klüger:
Je größer also der Gradient zwischen unserem Körper und der Umgebung ist, desto schneller können wir diese Wärme abführen.

Wenn es draußen heiß ist, schwitzt unser Körper und erhöht die Durchblutung der Haut, um schneller abzukühlen.

Rufen Sie uns mit Ihrer wissenschaftlichen Frage unter 1-800-WHY-ISIT an. Wenn wir es verwenden, erhalten Sie eine kostenlose Science Update-Tasse. Ich bin Bob Hirshon für AAAS, die Science Society.

Die Forschung sinnvoll machen

Dies ist vielleicht keine Frage, über die Sie nachgedacht haben, aber sie sagt uns etwas Wichtiges über die grundlegende Physik und die Funktionsweise unseres Körpers. Wenn Sie einen Eimer mit warmem Wasser nach draußen stellen und dieses warme Wasser zufällig 98,6 Grad Fahrenheit hat, aber die Außentemperatur 85 Grad Fahrenheit beträgt, würde das Wasser abkühlen. Denn die Außentemperatur ist zwar noch warm, aber kühler als die Wassertemperatur. Wärme fließt auf natürliche Weise von wärmeren Orten zu kühleren Orten. Das "Ziel" der Hitze ist zu erreichen Gleichgewicht&ndasha-Zustand, in dem alles die gleiche Temperatur hat wie alles, was es umgibt. Deshalb erreicht eine heiße Suppe oder ein kaltes Glas Limonade irgendwann Zimmertemperatur, wenn Sie sie lange genug stehen lassen.

Der Unterschied zwischen Ihnen und einem Eimer Wasser (nun, einer von vielen Unterschieden) besteht darin, dass Ihr Körper ständig mehr Wärme erzeugt. Die ganze Hitze muss irgendwo hin, also versucht sie, durch deine Haut zu entweichen. Je größer der Unterschied zwischen Außentemperatur und Körpertemperatur ist, desto schneller entweicht die Wärme. Deshalb fühlen Sie sich an einem 60-Grad-Tag viel kühler als an einem 90-Grad-Tag.

Die Sonne ist ein weiterer zu berücksichtigender Faktor. Wenn Meteorologen die Außentemperatur messen, messen sie sie im Schatten. Wenn es jedoch 90 Grad im Schatten ist und Sie in der Sonne sind, nehmen Sie zusätzliche Wärme von der Sonne auf. Dadurch muss Ihr Körper noch härter arbeiten, um genügend Wärme zu verlieren, damit Sie sich wohl fühlen.

Wenn Sie ein kaltblütiges Tier wie eine Eidechse wären, wären die Regeln anders. Diese Tiere erzeugen nicht annähernd so viel innere Wärme wie Säugetiere. (Die eigene Körperwärme zu erzeugen, um eine konstante Temperatur zu halten, nennt man Thermoregulierung.) Wenn also eine Eidechse an einem 85-Grad-Tag in den Schatten geht, würde ihre Körpertemperatur sehr nahe an 85 Grad kommen. Eine Eidechse ist also eher ein Eimer mit Wasser als Sie. Ist das nicht schön zu wissen?

Versuchen Sie nun, diese Fragen zu beantworten:

  1. Warum ist Ihnen an einem 90-Grad-Tag warm?
  2. Vor welchen zusätzlichen Herausforderungen steht Ihr Körper, wenn die Außentemperatur über 98 Grad steigt?
  3. Warum halten Mäntel angesichts dieser Informationen im Winter warm? Warum ist es gefährlich, an heißen Tagen einen dicken Mantel zu tragen?
  4. Säugetiere, die in kalten Umgebungen leben, wie Seelöwen und Eisbären, haben oft dicke Fett- oder Fellschichten. Wie helfen ihnen diese Anpassungen, ihre Temperatur zu regulieren?
  5. Was sind die Vorteile der Thermoregulation?

Um die Wärmeübertragung zu untersuchen, versuchen Sie dieses Online-Experiment zur thermodynamischen Gleichgewichtsphysik vom Virtual Lab der University of Oregon.

Die Abteilung für Ingenieurwissenschaften und angewandte Wissenschaften der Harvard University bietet eine Einführung in die menschliche Thermoregulation.


Wie viel Wärme verträgt ein Mensch? - Biologie

Die Hauptaufgaben einer lebenden Zelle, Energie zu gewinnen, umzuwandeln und zu verwenden, um Arbeit zu verrichten, mögen einfach erscheinen. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik erklärt jedoch, warum diese Aufgaben schwieriger sind, als sie erscheinen. Keiner der von uns besprochenen Energietransfers, zusammen mit allen Energietransfers und Transformationen im Universum, ist vollständig effizient. Bei jeder Energieübertragung geht ein Teil der Energie in unbrauchbarer Form verloren. In den meisten Fällen handelt es sich bei dieser Form um Wärmeenergie. Thermodynamisch ist Wärmeenergie definiert als die Energie, die von einem System auf ein anderes übertragen wird, das keine Arbeit verrichtet. Wenn beispielsweise ein Flugzeug durch die Luft fliegt, geht ein Teil der Energie des fliegenden Flugzeugs aufgrund der Reibung mit der umgebenden Luft als Wärmeenergie verloren. Diese Reibung erwärmt die Luft tatsächlich, indem sie die Geschwindigkeit der Luftmoleküle vorübergehend erhöht. Ebenso geht bei zellulären Stoffwechselreaktionen ein Teil der Energie als Wärmeenergie verloren. Das ist gut für Warmblüter wie uns, denn Wärmeenergie hilft, unsere Körpertemperatur zu halten. Streng genommen ist keine Energieübertragung vollständig effizient, da ein Teil der Energie in unbrauchbarer Form verloren geht.

Abbildung 1. Entropie ist ein Maß für Zufälligkeit oder Unordnung in einem System. Gase haben eine höhere Entropie als Flüssigkeiten und Flüssigkeiten haben eine höhere Entropie als Feststoffe.

Ein wichtiges Konzept in physikalischen Systemen ist das der Ordnung und Unordnung (auch bekannt als Zufälligkeit). Je mehr Energie ein System an seine Umgebung verliert, desto ungeordneter und zufälliger ist das System. Wissenschaftler bezeichnen das Maß der Zufälligkeit oder Unordnung innerhalb eines Systems als Entropie. Hohe Entropie bedeutet hohe Unordnung und niedrige Energie (Abbildung 1). Um die Entropie besser zu verstehen, denken Sie an das Schlafzimmer eines Schülers. Wenn keine Energie oder Arbeit hineingesteckt würde, würde der Raum schnell unordentlich werden. Es würde in einem sehr ungeordneten Zustand mit hoher Entropie existieren. Es muss Energie in das System gesteckt werden, in Form der Arbeit des Schülers und des Einräumens, um den Raum wieder in einen Zustand von Sauberkeit und Ordnung zu bringen. Dieser Zustand ist einer der niedrigen Entropie. Ebenso muss ein Auto oder Haus ständig mit Arbeit gewartet werden, um es in einem geordneten Zustand zu halten. Allein gelassen steigt die Entropie des Hauses oder Autos durch Rost und Degradation allmählich an. Moleküle und chemische Reaktionen haben ebenfalls unterschiedliche Mengen an Entropie. Wenn beispielsweise chemische Reaktionen einen Gleichgewichtszustand erreichen, nimmt die Entropie zu, und wenn Moleküle in hoher Konzentration an einer Stelle diffundieren und sich ausbreiten, nimmt auch die Entropie zu.

Versuch es selber

Führen Sie ein einfaches Experiment durch, um zu verstehen, wie Energie übertragen wird und wie sich eine Entropieänderung ergibt.

  1. Nimm einen Eisblock. Dies ist Wasser in fester Form, hat also eine hohe strukturelle Ordnung. Das bedeutet, dass sich die Moleküle nicht sehr bewegen können und sich an einer festen Position befinden. Die Temperatur des Eises beträgt 0°C. Dadurch ist die Entropie des Systems gering.
  2. Lassen Sie das Eis bei Raumtemperatur schmelzen. Wie ist nun der Zustand der Moleküle im flüssigen Wasser? Wie fand die Energieübertragung statt? Ist die Entropie des Systems höher oder niedriger? Wieso den?
  3. Erhitze das Wasser bis zum Siedepunkt. Was passiert mit der Entropie des Systems, wenn das Wasser erhitzt wird?

Alle physikalischen Systeme kann man sich so vorstellen: Lebewesen sind hochgeordnet und benötigen einen konstanten Energieeintrag, um in einem Zustand niedriger Entropie gehalten zu werden. Da lebende Systeme energiespeichernde Moleküle aufnehmen und durch chemische Reaktionen umwandeln, verlieren sie dabei einen Teil der nutzbaren Energie, da keine Reaktion vollständig effizient ist. Sie produzieren auch Abfälle und Nebenprodukte, die keine nützlichen Energiequellen sind. Dieser Prozess erhöht die Entropie der Umgebung des Systems. Da alle Energieübertragungen zum Verlust von nutzbarer Energie führen, besagt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, dass jede Energieübertragung oder Umwandlung die Entropie des Universums erhöht. Obwohl Lebewesen hoch geordnet sind und einen Zustand niedriger Entropie aufrechterhalten, nimmt die Entropie des Universums insgesamt aufgrund des Verlusts an nutzbarer Energie mit jedem auftretenden Energietransfer ständig zu. Im Wesentlichen befinden sich Lebewesen in einem ständigen harten Kampf gegen diesen ständigen Anstieg der universellen Entropie.


Körpertemperatur

Unsere Redakteure prüfen, was Sie eingereicht haben und entscheiden, ob der Artikel überarbeitet werden soll.

Körpertemperatur, thermische Energie, die bei höheren Tieren ein Nebenprodukt des Stoffwechsels ist, insbesondere bei Vögeln und Säugetieren, die angesichts von Umweltschwankungen eine genaue Kontrolle ihrer Körpertemperatur aufweisen. Vögel und Säugetiere können die Körperwärme konservieren, indem sie Federn aufplustern oder ihre Haare aufrichten und die Durchblutung der äußeren Oberfläche und der Extremitäten reduzieren. Sie können die Körperwärme durch Zittern und Bewegung erhöhen. Übermäßige Körperwärme wird hauptsächlich durch die Erhöhung der Durchblutung der Oberfläche und der Extremitäten, durch Schwitzen oder Hecheln und durch eine maximale Exposition der Körperoberfläche gegenüber der Umgebung abgeführt.

Beim Menschen wird die Körperwärme reguliert, um eine normale Temperatur von 37 ° C (98,6 ° F) zu erreichen. Der Hirnstamm, insbesondere die thermostatische Region des Hypothalamus, ist das Zentrum der Temperaturregulation. Wenn es gestört wird, wie bei Infektionen, wird unnötig Wärme gespeichert und die Temperatur kann den normalen Bereich überschreiten (sehen Fieber).


Spezifische Wärmekapazität und Wasser

Wasser hat eine hohe spezifische Wärmekapazität – es nimmt viel Wärme auf, bevor es heiß wird. Sie wissen vielleicht nicht, wie sich das auf Sie auswirkt, aber die spezifische Wärme des Wassers spielt eine große Rolle für das Erdklima und trägt dazu bei, die Bewohnbarkeit vieler Orte auf der ganzen Welt zu bestimmen.

Die spezifische Wärme des Wassers ist mitverantwortlich für das milde Klima an Englands Südwestküste. Es gibt Strände, wie am Porthcressa Beach in Scilly, wo tropische Pflanzen wachsen.

Die spezifische Wärme ist definiert als die Wärmemenge, die benötigt wird, um die Temperatur von 1 Gramm einer Substanz um 1 Grad Celsius (°C) zu erhöhen. Wasser hat eine hohe spezifische Wärme, d. h. es braucht mehr Energie, um die Temperatur von Wasser im Vergleich zu anderen Stoffen zu erhöhen. Aus diesem Grund ist Wasser für die Industrie und im Kühler Ihres Autos als Kühlmittel wertvoll. Die hohe spezifische Wärme des Wassers hilft auch, die Temperaturänderung der Luft zu regulieren, weshalb die Temperaturänderung zwischen den Jahreszeiten eher allmählich als plötzlich erfolgt, insbesondere in der Nähe der Ozeane.

Das gleiche Konzept lässt sich weltweit ausweiten. Die Ozeane und Seen helfen, die Temperaturbereiche zu regulieren, die Milliarden von Menschen in ihren Städten erleben. Wasser in der Umgebung oder in der Nähe von Städten braucht länger zum Aufheizen und zum Abkühlen als Landmassen. Diese Eigenschaft des Wassers ist einer der Gründe, warum sich Staaten an der Küste und im Zentrum der Vereinigten Staaten im Temperaturverlauf so stark unterscheiden können. Ein Bundesstaat des Mittleren Westens wie Nebraska wird kältere Winter und heißere Sommer haben als Oregon, das einen höheren Breitengrad hat, aber in der Nähe des Pazifischen Ozeans liegt.

Wenn Sie im Sommer einen Eimer Wasser draußen in der Sonne stehen lassen, wird es zwar warm, aber nicht heiß genug, um ein Ei zu kochen. Aber wenn man im August barfuß auf dem schwarzen Asphalt einer Straße im Süden der USA läuft, verbrennt man sich die Füße. Wenn ich an einem Augusttag ein Ei auf das Metall meiner Motorhaube fallen lässt, entsteht ein Spiegelei. Metalle haben eine viel geringere spezifische Wärme als Wasser. Wenn Sie jemals eine Nadel festgehalten und das andere Ende in eine Flamme gesteckt haben, wissen Sie, wie schnell die Nadel heiß wird und wie schnell die Hitze durch die Länge der Nadel auf Ihren Finger übertragen wird. Nicht so beim Wasser.

Warum Wärmekapazität wichtig ist

Bildnachweis: LENA15 | pixabay.com

Die hohe spezifische Wärme des Wassers hat viel mit der Regulierung von Extremen in der Umwelt zu tun. Zum Beispiel sind die Fische in diesem Teich glücklich, weil die spezifische Wärme des Wassers im Teich dazu führt, dass die Temperatur des Wassers von Tag zu Nacht relativ gleich bleibt. Sie müssen sich weder um das Einschalten der Klimaanlage noch um das Anziehen ihrer wollenen Flossenhandschuhe kümmern. (Auch für glückliche Fische besuchen Sie unsere Seite auf Gelöster Sauerstoff.)

Zum Glück für mich, Sie und die Fische im Teich rechts hat Wasser eine höhere spezifische Wärme als viele andere Stoffe. Eine der wichtigsten Eigenschaften von Wasser ist, dass es viel Energie braucht, um es zu erhitzen. Genau genommen muss Wasser 4.184 Joule Wärme (1 Kalorie) aufnehmen, damit die Temperatur von einem Kilogramm Wasser um 1°C ansteigt. Zum Vergleich: Es braucht nur 385 Joule Wärme, um 1 Kilogramm Kupfer auf 1 °C zu bringen.

Wenn Sie mehr über die spezifische Wärme von Wasser auf molekularer Ebene erfahren möchten, sehen Sie sich dieses Video zur spezifischen Wärme von Wasser von der Khan Academy an.


Klimawandel: Woher wissen wir das?

Diese Grafik, die auf dem Vergleich von atmosphärischen Proben aus Eisbohrkernen und neueren direkten Messungen basiert, zeigt, dass atmosphärisches CO2 ist seit der industriellen Revolution gestiegen. (Quelle: Lüthi, D., et al.. 2008 Etheridge, D.M., et al. 2010 Vostok-Eisbohrkerndaten/J.R. Petit et al. NOAA Mauna Loa CO2 aufnehmen.) Erfahren Sie mehr über Eisbohrkerne (externe Seite).

Das Klima der Erde hat sich im Laufe der Geschichte verändert. Allein in den letzten 650.000 Jahren gab es sieben Zyklen des Vor- und Rückzugs der Gletscher, wobei das abrupte Ende der letzten Eiszeit vor etwa 11.700 Jahren den Beginn des modernen Klimazeitalters und der menschlichen Zivilisation markierte. Die meisten dieser Klimaänderungen werden auf sehr kleine Variationen in der Umlaufbahn der Erde zurückgeführt, die die Menge an Sonnenenergie ändern, die unser Planet erhält.

Der gegenwärtige Erwärmungstrend ist von besonderer Bedeutung, weil der größte Teil davon mit hoher Wahrscheinlichkeit (mehr als 95 % Wahrscheinlichkeit) auf menschliche Aktivitäten seit Mitte des 20. Jahrhunderts zurückzuführen ist und mit einer über Jahrtausende beispiellosen Geschwindigkeit fortschreitet. 1

Satelliten in der Erdumlaufbahn und andere technologische Fortschritte haben es Wissenschaftlern ermöglicht, das große Ganze zu sehen und viele verschiedene Arten von Informationen über unseren Planeten und sein Klima auf globaler Ebene zu sammeln. Diese über viele Jahre gesammelte Datensammlung zeigt die Signale eines sich ändernden Klimas.

Die wärmespeichernde Natur von Kohlendioxid und anderen Gasen wurde Mitte des 19. Jahrhunderts demonstriert. 2 Ihre Fähigkeit, die Übertragung von Infrarotenergie durch die Atmosphäre zu beeinflussen, ist die wissenschaftliche Grundlage vieler von der NASA geflogener Instrumente. Es steht außer Frage, dass erhöhte Treibhausgase als Reaktion darauf eine Erwärmung der Erde verursachen müssen.

Eisbohrkerne aus Grönland, der Antarktis und tropischen Berggletschern zeigen, dass das Klima der Erde auf Veränderungen der Treibhausgaskonzentrationen reagiert. Uralte Beweise können auch in Baumringen, Meeressedimenten, Korallenriffen und Sedimentgesteinsschichten gefunden werden. Diese alten oder paläoklimatischen Beweise zeigen, dass die gegenwärtige Erwärmung ungefähr zehnmal schneller erfolgt als die durchschnittliche Erwärmungsrate der Eiszeit. Das Kohlendioxid aus menschlicher Aktivität nimmt mehr als 250-mal schneller zu als aus natürlichen Quellen nach der letzten Eiszeit. 3

Die Beweise für den schnellen Klimawandel sind überzeugend:


Wie lange kann der durchschnittliche Mensch ohne Wasser überleben?

Diese scheinbar einfache Frage lässt sich nicht beantworten, da viele variable Faktoren die Überlebenszeit eines Menschen bestimmen. Unter extremsten Bedingungen kann der Tod ziemlich schnell eintreten. Zum Beispiel kann ein Kind, das in einem heißen Auto zurückgelassen wird, oder ein Sportler, der bei heißem Wetter hart trainiert, innerhalb weniger Stunden dehydrieren, überhitzen und sterben. Im Gegensatz dazu kann ein Erwachsener in einer komfortablen Umgebung eine Woche oder länger ohne oder nur mit sehr begrenzter Wasseraufnahme überleben.

Um gesund zu bleiben, muss der Mensch den Wasserhaushalt aufrechterhalten, dh Wasserverluste müssen durch Wasseraufnahme ausgeglichen werden. Wir nehmen Wasser aus Nahrung und Getränken auf und verlieren es als Schweiß und Urin (eine kleine Menge ist auch im Kot vorhanden). Ein weiterer wichtiger Weg des Wasserverlusts bleibt normalerweise unbemerkt: Weil wir wassergesättigte Luft ausatmen, verlieren wir jedes Mal Wasser, wenn wir ausatmen. An einem kalten Tag sehen wir dieses Wasser in der Luft, wie es kondensiert.

Die Aussetzung an eine heiße Umgebung und intensive körperliche Betätigung erhöhen beide die Körpertemperatur. Der einzige physiologische Mechanismus, den der Mensch vor Überhitzung bewahren muss, ist das Schwitzen. Die Verdunstung von Schweiß kühlt das Blut in den Gefäßen der Haut, was zur Kühlung des gesamten Körpers beiträgt. Unter extremen Bedingungen kann ein Erwachsener zwischen einem und 1,5 Liter Schweiß pro Stunde verlieren. Wenn dieses verlorene Wasser nicht ersetzt wird, kann das Gesamtvolumen der Körperflüssigkeit schnell sinken und, am gefährlichsten, kann das Blutvolumen sinken. In diesem Fall treten zwei potenziell lebensbedrohliche Probleme auf: Das Schwitzen stoppt und die Körpertemperatur kann noch höher steigen, während der Blutdruck aufgrund des geringen Blutvolumens sinkt. Unter solchen Bedingungen tritt der Tod schnell ein. Aufgrund ihres relativ größeren Verhältnisses von Hautoberfläche zu Volumen sind Kinder besonders anfällig für schnelle Überhitzung und Austrocknung.

Die Kombination aus Dehydration und Überhitzung schickt jedes Jahr Tausende von Menschen in die Notaufnahme von Krankenhäusern, aber auch Durchfall, übermäßiges Erbrechen und Nierenversagen verschiedener Art können zu Dehydration führen. Eine Person kann hydratisiert bleiben, indem sie neben Wasser viele verschiedene Arten von Flüssigkeiten trinkt, mit einer Ausnahme. Das Trinken von alkoholischen Getränken führt tatsächlich zu einer Dehydration, da Ethanol den Spiegel des antidiuretischen Hormons Arginin-Vasopressin (AVP) senkt. Als Ergebnis nimmt das Urinvolumen zu, so dass mehr Flüssigkeit im Urin verloren geht, als durch den Konsum des Getränks gewonnen wird.


Wie heiß ist zu heiß für den Menschen?

Referenz:
Coffel, Ethan D., R.M. Horton und A. de Sherbinin. „Temperatur- und feuchtigkeitsbasierte Vorhersagen eines schnellen Anstiegs der globalen Hitzestress-Exposition im 21. Jahrhundert.“ Umweltforschungsbriefe, vol. 13, nein. 1, 2017, https://doi.org/10.1088/1748-9326/aaa00e.

Wie meine Landsleute aus Florida wissen, besteht der einzige Weg, einen feuchten Sommertag zu überstehen, darin, schnell eine Klimaanlage zu finden. Feuchtigkeit macht uns unwohl, weil wir schwitzen, um uns abzukühlen, aber diese Kühlung ist weniger effizient, wenn es feucht ist. Ab einer bestimmten Hitze- und Feuchtigkeitsschwelle kann sich unser Körper durch Schwitzen nicht mehr abkühlen und die Folgen können tödlich sein. Eine aktuelle Studie von Coffel et al. weist darauf hin, dass der Klimawandel bis zum Ende des Jahrhunderts Millionen von Menschen lebensbedrohlichem Hitzestress aussetzen könnte.

Was ist Hitzestress?

Heat stress is a term used to describe a range of heat-related illnesses, including heat exhaustion and heat stroke. Heat stress ensues when we lose our ability to thermoregulate, or maintain a steady body temperature. When our bodies overheat, biological processes get disrupted and this may result in death if left untreated. Heat stress occurs for a variety of reasons, including over-exertion, exposure to very hot conditions, and a reduction in our ability to cool off.

What might stop us from cooling off?

Humans cool off by sweating. When sweat evaporates from our skin, it changes phase from a liquid (water droplets) to a gas (water vapor). This phase change requires energy. Water molecules draw this energy from the environment, so the environment – in this case, our skin – loses energy and cools off.

Unfortunately, there’s a limit to how much water can evaporate. If the amount of water vapor in the air has already reached this limit, known as saturation, then it’s practically impossible for any more water to evaporate. Meteorologists use the concept of humidity to tell us how close the air is to saturation. For instance, if the humidity is 20%, then the air is pretty far from saturation it’s dry, and more water can evaporate. However, if the humidity is 95%, then the air has nearly reached saturation now it’s much harder for more water to evaporate. We can’t cool off as efficiently by sweating, which is why humid heat feels worse than dry heat!

Meteorologists have several strategies for quantifying the effect of humidity. You might’ve seen your local forecaster mention the heat index, which combines temperature and humidity in order to give you an idea of how hot it actually feels. A more scientific version of the heat index is a quantity known as the wet-bulb temperature, which essentially tells us how much sweat can cool us off, given the current air temperature and humidity. If the wet-bulb temperature exceeds the temperature of our skin – roughly 95 F – that means that sweating can’t cool us back down to a temperature that’s normal for human bodies. Our bodies heat up and illnesses such as heat stroke might ensue. Sustained exposure to such conditions is probably fatal, even for healthy people who aren’t doing any physical work.

To put this in context, a 2015 heat wave in India resulted in a wet-bulb temperature of 86 F. This is well below the 95 F threshold, but even so, the heat wave caused over 2,500 deaths (read more here). Fortunately, it is extremely rare for wet-bulb temperatures to exceed 85 or 86 F anywhere on the planet today. Unfortunately, a recent study suggests that this might change by the end of the century.

What do climate models predict?

Ethan Coffel, Radley Horton, and Alex de Sherbinin used a collection of global circulation models (GCMs) to predict how climate change will affect global wet-bulb temperatures over the next century. Their results suggest that wet-bulb temperatures that were once record-breaking will become commonplace by 2080. When the authors included regional projections for population growth, they found that by 2080, they expect a million person-hours, each year, of global exposure to a wet bulb temperature of 95 F. This has potentially serious consequences for the (mostly developing) nations in the tropics and subtropics, whose inhabitants might not be able to survive if they don’t have access to air conditioning.

Some regions are expected to experience more severe impacts than others. This study suggests that the most extreme wet-bulb temperatures will occur in China, India, and the Amazon, all of which are densely populated regions. In another study, Jeremy Pal and Elfatih Eltahir used a regional climate model and found that the Arabian Gulf may also become uninhabitable by the end of the century. The evolution of global wet-bulb temperature will have serious consequences for human lives, economies, and geopolitical conflicts, and the details of these scenarios will be important to ascertain in the coming years.

Is there any good news?

If we reduce our use of fossil fuels, yes!

Since the climate is sensitive to how much greenhouse gas is in the atmosphere, scientists usually run predictive climate models under multiple scenarios. This allows them to test how the climate might respond differently if we emit more or less carbon dioxide in the coming years (more details here). The results described above are all for the RCP 8.5 scenario, also known as “business as usual” because it assumes that we’ll continue to increase our greenhouse gas emissions through the end of this century. Coffel et al. also conducted their analysis using the RCP 4.5 scenario, which predicts that our greenhouse gas emissions will max out in 2040 and then decrease. In this case, exposure to dangerous wet-bulb temperatures is dramatically reduced as compared to the RCP 8.5 scenario.

We Floridians joke that we can’t survive without AC, but based on Coffel et al.’s study, that might become literally true for millions of people as soon as 2080. Fortunately, it is still possible to avert this disaster, as long we act quickly to reduce our dependence on fossil fuels.



Bemerkungen:

  1. Kigataur

    Es tut mir leid, ich kann dir bei nichts helfen. Ich denke, Sie werden die richtige Lösung finden. Nicht verzweifeln.

  2. Camren

    Ernsthaft!

  3. Rye

    Danke für die Erklärung.

  4. Benny

    Sicherlich. Also passiert. Wir können über dieses Thema kommunizieren. Hier oder in PM.

  5. Colby

    Du hast nicht recht. Ich kann meine Position verteidigen. Senden Sie mir eine E -Mail an PM, wir werden diskutieren.

  6. Nastas

    Wirklich interessant, danke



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