Warum Eiswürfel und Schweiß kühlen – Sommer-Ratgeber

Schon gewußt? Eiswürfel und Schweiß kühlen – nur warum?

An warmen Sommertagen genügen oft schon kleine körperliche Anstrengungen, um den Schweiß rinnen zu lassen. Abkühlung verspricht ein Sprung ins kalte Schwimmbadwasser. Eisgekühlte Getränke sind an solchen Tagen besonders begehrt. Was aber geschieht mit einem Getränk, wenn man Eiswürfel hineingibt? Wer nach Antworten auf solche Fragen sucht, ist mittendrin in einem Thema, das Physiker so intensiv beschäftigt wie eh und je: Wärme und Temperaturmessung.

Wenn sich etwas bewegt, besitzt es Energie, genauer: kinetische Energie oder Bewegungsenergie. Atome und aus Atomen zusammengesetzte Gebilde, sogenannte Moleküle, können sich bewegen, das heißt: Sie besitzen kinetische Energie. Aus Sicht von Physikern ist diese Bewegungsenergie Wärmeenergie. Anders ausgedrückt: Wärme ist die ungeordnete Bewegung von Teilchen in alle möglichen Richtungen. Stoffe und Materialien – sei es eine Glasscheibe oder was auch immer – bestehen aus Teilchen. Wie warm sie sind, hängt von der Bewegungsenergie dieser Teilchen ab.

Die Temperatur ist ein Maß für die mittlere kinetische Energie der Teilchen: Nimmt die durchschnittliche Geschwindigkeit eines Moleküls zu, registriert ein Thermometer dies als Temperaturanstieg. Schnelle Bewegungen, Schwingungen und Drehungen sowie große Unordnung sind typisch für eine hohe Temperatur. Bei sinkender Temperatur haben die Teilchen immer weniger Energie zur Verfügung – und das heißt auch, dass die Ordnung zunimmt. Am absoluten Nullpunkt, der bei minus 273,15 Grad Celsius liegt und null Kelvin auf der in der Wissenschaft gebräuchlichen Kelvin-Skala entspricht, können Atome keine Wärme mehr abgeben. Substanzen befinden sich an diesem Punkt in einem Zustand höchster Ordnung.

Wärmerezeptoren in der Haut
Dass es in der erwärmten Luft an einem Sommertag völlig anders zugeht, ist nach dem Gesagten klar. Die Moleküle der Luft, die sich unterschiedlich schnell in unterschiedlichen Richtungen bewegen, tun dies nun insgesamt mit einer höheren Geschwindigkeit. Menschen spüren die Wärme, weil sich in der Haut entsprechende Rezeptoren befinden. Die Haut ist eine Schutzhülle, die zum Beispiel verhindert, dass Bakterien eindringen. Darüber hinaus verfügt sie über eine Vielzahl winziger Sinnesorgane, die Druck-, Schmerz- und Temperaturempfindungen vermitteln.

Menschen gehören zu den Lebewesen, deren Körpertemperatur stets annähernd gleich bleibt. Um dies sicherzustellen, müssen Wärmeproduktion und -abgabe gesteuert werden. Diese Aufgabe übernimmt bei Säugetieren und damit auch beim Menschen der Hypothalamus, eine bestimmte Hirnregion. Weicht die Temperatur vom Normalwert ab, können über Nerven und Botenstoffe Regulierungsmechanismen in Gang gesetzt werden. Dazu zählen das Schwitzen und das Zittern. Das Zittern hilft, Wärme zu erzeugen. Beim Schwitzen wird Flüssigkeit abgesondert, die verdunstet – ein Vorgang, bei dem der Haut Wärme entzogen wird, Die Wärme beziehungsweise Energie ist nötig, um flüssiges in gasförmiges Wasser zu verwandeln. Für den Menschen entsteht der willkommene Effekt, dass der Schweiß kühlt.

Gleiches leisten die Eiswürfel in einem Getränk. Deren Wirkung beruht nach Angaben von Wissenschaftlern darauf, dass immer dann, wenn Objekte mit unterschiedlichen Temperaturen in Kontakt kommen, die Objekte mit der höheren Temperatur Wärme an die mit der niedrigeren abgeben – und zwar so lange, bis beide die gleiche Temperatur haben. Für die Eiswürfel bedeutet das: Sie kühlen das Getränk nicht dadurch, dass sie Kälte an die Flüssigkeit abgeben, sondern dadurch, dass sie beim Schmelzen Wärme aufnehmen.

Bei den Temperaturskalen, die helfen, solche Vorgänge genau zu erfassen, handelt es sich genau genommen um willkürliche Festlegungen. Zu den bekanntesten Temperaturskalen gehört die, die nach dem schwedischen Physiker Anders Celsius (1701 bis 1744) benannt worden ist. Celsius wählte als Fixpunkte die Temperaturen eines Eis-Wasser-Gemisches (null Grad Celsius) und von kochendem Wasser (100 Grad Celsius). Ein Grad Celsius (C) entspricht einem Kelvin (K). Der Vorteil der Kelvin-Skala: Bei ihr tauchen keine Minuswerte auf. Benannt ist diese Skala nach dem britischen Physiker William Thomson (1824 bis 1907), der den Titel Lord Kelvin erhielt.

Wie die Physikalisch-Technische Bundesanstalt erklärt, ist das Kelvin seit Mitte des vergangenen Jahrhunderts international die Basiseinheit der Temperatur. Dass auch bei seiner Definition bestimmte Eigenschaften des Wassers zugrunde gelegt worden seien, sei vielen Experten ein Dorn im Auge. Deshalb gibt es der Bundesanstalt zufolge Bestrebungen, das Kelvin mithilfe einer Naturkonstante neu zu bestimmen. In der Diskussion sei die sogenannte Boltzmann-Konstante, die nach dem österreichischen Physiker Ludwig Boltzmann (1844 bis 1906) benannt worden sei. Mit ihrer Hilfe lasse sich ermitteln, welche Bewegungsenergie ein Gasatom bei einer Temperatur habe.