Erfahre in diesem Artikel warum sich Metall bei Kälte kühler anfühlt als Holz derselben Temperatur und warum sich bei höheren Temperaturen plötzlich das Metall wärmer anfühlt als Holz.
Die Eigenschaft für warm und kalt
Fasst man bei relativ niedrigen Temperaturen einen metallischen Gegenstand an, dann fühlt sich dieser deutlich kälter als ein Gegenstand aus Holz derselben Temperatur. Umgekehrt fühlt sich aber bei höheren Temperaturen Metall plötzlich wärmer an als Holz derselben Temperatur. Aus diesem Grund sind bspw. auch Griffe für Kaminöfen aus Holz, die trotz hoher Temperaturen mit der Hand angefasst werden können im Vergleich zu manchen Metallgriffen.
Der falsch verstandene Begriff der Wärme
Dieser vermeintliche Widerspruch liegt im oft falsch verstandenen Begriff der Wärme. Im Alltag setzen wir den Begriff der Wärme missverständlicher Weise mit der Eigenschaft eines Körpers gleich, warm oder kalt zu sein. Und fälschlicherweise meinen wir diese Eigenschaft des Wärmeempfindens mit der Temperatur messen zu können. Der Grund hierfür ist unsere trügerische Alltagserfahrung, da tatsächlich in den meisten Fällen ein warmes Empfinden auch mit einer hohen Temperatur einhergeht und ein kaltes Empfinden mit einer geringen Temperatur.
Dass dieser Zusammenhang zwischen Temperatur und Wärmeempfinden aber nicht immer zutreffend ist, zeigt bereits ein einfaches Experiment. Hierzu gibt man Wasser in eine Topf und wartets bis das Wasser die Raumtemperatur von etwa 25 °C angenommen hat. Anschließend taucht man eine Hand in das Wasser. Das Wasser wird sich zunächst relativ kühl anfühlen. Wir würden also behaupten, dass sich eine Temperatur von 25 °C im Falle von Wasser kalt anfühlt (zumindest würden die meisten von uns kein Bad mit einer Wassertemperatur 25 °C nehmen wollen).
Nun wiederholen wir das Experiment. Diesmal tauchen wir die Hand vor der Durchführung des Experiments aber für rund eine Minute in Eiswasser mit einer Temperatur von 0°C. Direkt im Anschluss legen wir die Hand nun in die Topf mit Wasser von 25 °C. Wir würden nun zu dem Schluss kommen, dass sich das Wasser plötzlich sehr warm anfühlt, obwohl die Temperatur ebenfalls 25 °C beträgt (bzw. sogar etwas niedriger liegt, da das Wasser durch die kalte Hand noch abkühlt!). Wir würden nun behaupten, dass sich eine Temperatur von 25 °C im Falle von Wasser warm anfühlt.
Obwohl sich die Wassertemperaturen also nicht geändert haben, empfinden wir je nach „Vorgeschichte“ unserer Haut, das Wasser einmal als kalt und einmal als warm. Dies ist auch der Grund, weshalb man vermeintlich kaltes Wasser in einem Schwimmbecken plötzlich als angenehm warm empfindet, wenn man unmittelbar davor kalt duscht. Dies macht deutlich, dass wir Menschen offensichtlich kein direktes Sinnesorgan für Temperaturen haben! Wir dürfen Temperaturen im Allgemeinen deshalb nicht mit dem Empfinden für kalt und warm gleichsetzen.
Wärmeströme als Empfinden für warm und kalt
Es stellt sich in diesem Zusammenhang natürlich die Frage, wie wir Menschen dann warm und kalt empfinden. Tatsächlich reagiert unsere Haut nicht direkt auf Temperaturen, sondern auf Wärmeströme! Und diese Wärmeströme wiederum hängen von der Temperaturdifferenz zwischen Haut und Gegenstand ab, den wir anfassen. Temperaturdifferenzen stellen letztlich den Antrieb für das Strömen von Wärme dar. Dabei strömt die Wärme immer von Stellen höherer Temperatur nach Stellen niedriger Temperatur (siehe hierzu den Artikel Wärmeströme: Definition und Richtung). Dies ist auch der Grund, weshalb sich eine heiße Tasse Kaffee mit der Zeit abkühlt und nicht von selbst weiter erwärmt, da Wärme vom heißen Kaffee zur kühleren Umgebung strömt.
Wirkt auf die menschliche Haut nun ein großer Wärmestrom ein (d.h. sehr viel Wärme in kurzer Zeit), so interpretiert das Gehirn dies als warm. Entsprechend interpretiert das Gehirn ein geringer Wärmestrom als weniger warm. In diesen Fällen ist die Temperatur der Gegenstände, die wir berühren, höher als die Temperatur unserer Haut.
Umgekehrt empfinden wir Gegenstände immer dann als kalt an, wenn der Wärmestrom weg von unserer Haut gerichtet ist. Strömt dabei in kurzer Zeit sehr viel Wärme von unserer Haut ab (großer abgehender Wärmestrom), dann empfinden wir dies als sehr kalt. Ist der abgehende Wärmestrom hingegen relativ gering, dann fühlt sich der Gegenstand nicht mehr ganz so kalt an, sondern nur noch kühl. In diesen Fällen ist die Temperatur der Gegenstände, die wir berühren, geringer als die Temperatur unserer Haut.
Ein von unserer Haut weg gerichteter Wärmestrom empfinden wir als kalt und ein auf unsere Haupt einwirkender Wärmestrom als warm. Die Stärke des Wärmestroms und damit die Intensität des Empfindens wie kalt oder warm ein Gegenstand ist, hängt von der Temperaturdifferenz zwischen Haut und Gegenstand ab!
Strömt keine Wärme von einem Gegenstand zu unserer Haut bzw. von unserer Haut zum Gegenstand, dann fühlt sich dieser weder warm noch kalt an. In diesem Fall hat der Gegenstand dieselbe Temperatur wie die Oberfläche unserer Haut (ca. 32 °C). Wir sehen also, dass immer nur Temperaturdifferenzen über die Stärke des Wärmestroms entscheiden und dass dabei insbesondere die Richtung des Wärmestroms über das Empfinden von warm und kalt entscheidet und nicht direkt die Temperatur.
Warum fühlt sich Metall wärmer/kälter an als Holz?
Verschiedene Materialien wie bspw. Metall und Holz unterscheiden sich nun hinsichtlich der Eigenschaft, Wärme bei gegebener Temperaturdifferenz mehr oder weniger stark zu leiten. Ausgedrückt wir diese Eigenschaft unter anderem durch die Wärmeleitfähigkeit. Metalle haben gegenüber Holz eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit. Dies bedeutet, dass Metalle bei gleicher Temperaturdifferenz in der selben Zeit mehr Wärme übertragen können als Holz (siehe hierzu auch das Fouriersche Gesetz der Wärmeleitung).
Fassen wir also einen Metallstab bei 40 °C an, dann ist das Metall aufgrund der höheren Wärmeleitfähigkeit in der Lage in derselben Zeit mehr Wärme zu übertragen als Holz. Der Wärmestrom ist entsprechend größer und deshalb fühlt sich das Metall deutlich wärmer an als das Holz.
Umgekehrt führt die gute Wärmeleitfähigkeit von Metallen aber auch dazu, dass bei kalten Temperaturen mehr Wärme von unserer Haut weggeleitet werden kann als dies bei Holz der Fall ist. Der von unserer Haut abgehende Wärmestrom ist bei Metallen größer und das Empfinden über die Kälte stärker. Deshalb fühlen sich Metalle bei niedrigeren Temperaturen kälter ans als Holz.
Tatsächlich spielt für die Stärke des Wärmestroms aber nicht nur die Wärmeleitfähigkeit des Materials eine Rolle, sondern auch dessen Dichte und die spezifische Wärmekapazität. Diese Größen spiegeln sich in der sogenannten Temperaturleitfähigkeit wieder.
Warum fühlt sich kaltes Wasser plötzlich warm an?
Mit derselben Begründung wie oben lässt sich auch erklären, weshalb sich das kalte Wasser plötzlich warm anfühlt, wenn man die Hand zuvor für einige Zeit in kaltes Eiswasser gehalten hat. Im „normalen“ Zustand hat unsere Haut eine Oberflächentemperatur von rund 32 °C (siehe Wärmebild unten links). Tauchen wir die Hand in diesem Zustand in die Topf mit Wasser von 25 °C, dann strömt Wärme von unserer Haut (höhere Temperatur) auf das Wasser (niedrigere Temperatur). Durch den abgehenden Wärmestrom empfinden wir das Wasser als kalt.
Tauchen wir die Hand zuvor allerdings in Eiswasser, dann kühlen die Oberfläche der Haut und unsere Sinneszellen auf ca. 16 °C ab. Legen wir die Hand in diesem Zustand in die Topf mit Wasser von 25 °C, dann kehrt sich der plötzlich Wärmestrom um. Nun strömt Wärme vom Wasser (höhere Temperatur) auf unsere Haut (niedrigere Temperatur). Durch den auf unsere Haut einwirkenden Wärmestrom, fühlt sich das Wasser nun warm an.
Man kann die Intensität des Empfindens zwischen kalt und warm in diesem Fall dadurch steuern, dass wir die Temperaturdifferenz zwischen Haut und Wasser im Vorfeld des Versuchs weiter steigern. Lassen wir die Hand bspw. für längere Zeit im Eiswasser, dann kühlt diese stärker ab. Die Temperaturdifferenz ist dann später größer und damit auch das Empfinden über die Wärme. Umgekehrt kann man das Empfinden über das kalte Wasser dadurch steigern, wenn man die Hand zuvor in noch heißeres Wasser legt. Die Hauttemperatur erhöht sich und damit auch die spätere Temperaturdifferenz zum 25 °C kalten Wasser (siehe Wärmebild oben rechts). Das Empfinden über die Kälte ist dann größer.
In diesem Zusammenhang ist auch die häufig gehört Aussage an einem Baggersee zu interpretieren: „wenn man erst einmal im Wasser ist, fühlt es sich gar nicht mehr so kalt an„. So kühlt die Haut bereits nach kurzer Zeit im kalten Wasser ab. Dies senkt die Hauttemperatur und verringert somit die Temperaturdifferenz zum Wasser. Dies resultiert fortan in einem verminderten Wärmestrom. Das Wasser fühlt sich durch den geringeren abgehenden Wärmestrom folglich nicht mehr so kalt an.
