Wärmeproduktion und -ableitung während des Trainings

Da die Muskelkontraktion nur einen Bruchteil der Stoffwechselenergie in äußere Arbeit umwandelt, erscheint der Rest als Wärme, und während des Trainings kann diese interne Wärmeproduktion um ein Vielfaches der Ruhewerte ansteigen. Der Körper muss diese Wärme durch Strahlung, Konvektion, Konduktion und die Verdunstung von Schweiß an die Umgebung abgeben; wenn die Produktion die Ableitung übersteigt, wird Wärme gespeichert und die Kerntemperatur steigt an.

Definition

Die Wärmeproduktion während des Trainings ist die Stoffwechselwärme, die durch arbeitende Muskeln freigesetzt wird (die Energie, die nicht als äußere Arbeit genutzt wird), und die Wärmeableitung ist deren Übertragung an die Umgebung durch Strahlung, Konvektion, Konduktion und Verdunstung; die Differenz zwischen beiden bestimmt die Wärmespeicherung und die Änderung der Körpertemperatur.

Scope

Dieses Thema behandelt die Quellen der Stoffwechselwärme während des Trainings, die Wärmebilanzgleichung, die die Produktion mit den Verlustwegen in Beziehung setzt, wie Trainingsintensität und Umgebungsbedingungen dieses Gleichgewicht verschieben, und die Folge eines Ungleichgewichts – Wärmespeicherung und steigende Kerntemperatur. Es behandelt den Wärmeaustausch als Physiologie, nicht als Anleitung für sicheres Training bei Hitze.

Core questions

• Warum produzieren arbeitende Muskeln Wärme, und wie groß ist die Wärmebelastung?
• Welche Wege des Wärmeaustauschs gibt es, und wie beschreibt die Wärmebilanzgleichung diese?
• Wie verändern Trainingsintensität, Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit das Gleichgewicht?
• Was passiert physiologisch, wenn die Wärmeproduktion die Ableitung übersteigt?

Key concepts

• Stoffwechselwirkungsgrad und Wärme als Nebenprodukt der Arbeit
• Wärmebilanzgleichung (Speicherung = Produktion - Ableitung)
• Strahlung, Konvektion, Konduktion, Verdunstung
• Trockener (sensibler) versus evaporativer (latenter) Wärmeverlust
• Kerntemperatur und Wärmespeicherung
• Umweltmodifikatoren: Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftbewegung, Strahlungslast
• Hyperthermie und Leistungsgrenzen

Mechanisms

Bei typischen mechanischen Wirkungsgraden wird der größte Teil der vom arbeitenden Muskel umgesetzten Energie zu Wärme, die in den Blutkreislauf geleitet und zum Körperkern und zur Oberfläche transportiert wird. Der Wärmeinhalt des Körpers ändert sich gemäß einer Bilanz: gespeicherte Wärme entspricht der Stoffwechselproduktion abzüglich der Summe aus Strahlungs-, Konvektions-, Konduktions- und Verdunstungsaustausch (wobei jeder davon je nach Gradient zwischen Haut und Umgebung Wärme hinzufügen oder abführen kann). In kühler, trockener, bewegter Luft kann der trockene Wärmeverlust einen Großteil der Last tragen, aber wenn die Lufttemperatur die Hauttemperatur erreicht oder übersteigt, versagen die trockenen Wege und die Verdunstung von Schweiß wird zum dominierenden – und in stehender, feuchter Luft zum limitierenden – Weg. Wenn die Ableitung die Produktion nicht ausgleichen kann, wird Wärme gespeichert, die Kerntemperatur steigt an, und eine progressive Hyperthermie trägt zur Ermüdung und in extremen Fällen zu anstrengungsbedingten Hitzekrankheiten bei.

Clinical relevance

Das Gleichgewicht zwischen Wärmeproduktion und -ableitung erklärt, warum längere oder intensive körperliche Betätigung, insbesondere unter heißen oder feuchten Bedingungen, die Kerntemperatur erhöht und in anstrengungsbedingter Hyperthermie und Hitzschlag gipfeln kann. Dieser Eintrag beschreibt die zugrunde liegende Physiologie, um das Verständnis dieser Zustände zu unterstützen; er ist kein Protokoll zur Prävention, Kühlung oder Behandlung.

Evidence & guidelines

Der Rahmen der metabolischen Wärmeproduktion, der Wege der Wärmeableitung und der kardiovaskulären Kosten des Wärmetransports zur Oberfläche leitet sich aus grundlegenden Übersichten (Rowell, 1974) und zeitgenössischen Synthesen zu Hyperthermie und Leistung (Nybo et al., 2014; Cheuvront & Kenefick, 2014) ab. Das pathophysiologische Extrem einer fehlgeschlagenen Ableitung wird in Übersichten zum Hitzschlag (Bouchama & Knochel, 2002) beschrieben.

History

Die quantitative Behandlung des menschlichen Wärmeaustauschs entwickelte sich im zwanzigsten Jahrhundert parallel zur Umweltphysiologie, als die Partitionskalorimetrie es ermöglichte, den Wärmeverlust auf Strahlung, Konvektion, Konduktion und Verdunstung aufzuteilen. Rowells Übersicht von 1974 integrierte dies mit der kardiovaskulären Reaktion auf körperliche Betätigung, und spätere Arbeiten verbanden das Versagen der Ableitung mit hyperthermiebedingter Ermüdung und der Pathophysiologie des Hitzschlags.

Key figures

• Loring B. Rowell
• Lars Nybo
• Michael N. Sawka
• Abderrezak Bouchama

Seminal works

• rowell-1974
• nybo-2014

Frequently asked questions

Wie viel der beim Training verbrauchten Energie wird zu Wärme?

Da der mechanische Wirkungsgrad der Muskelarbeit bescheiden ist, wird der größte Teil der während des Trainings umgesetzten Stoffwechselenergie als Wärme und nicht als äußere Arbeit freigesetzt, weshalb selbst mäßiges Training eine erhebliche Wärmebelastung darstellt.

Warum ist das Training in feuchter Hitze besonders schwierig?

Wenn die Lufttemperatur die Hauttemperatur erreicht oder übersteigt, kann der Körper keine Wärme mehr über trockene Wege abgeben und ist auf Verdunstung angewiesen; hohe Luftfeuchtigkeit reduziert die Verdunstung von Schweiß, sodass die Wärmeableitung sinkt und die Kerntemperatur tendenziell ansteigt.