Grundlegende Prinzipien von Wärme und Luftfeuchtigkeit in den Atemwegen

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Luftfeuchtigkeit definiert

Luftfeuchtigkeit bezieht sich auf Wasserdampf (Wasser in seiner gasförmigen Form), der in einem Gas suspendiert ist. Ein Wasserdampfmolekül ist viel kleiner als gewöhnliche Bakterien und Viren und kann daher diese Krankheitserreger nicht tragen.
 

Abbildung 1. Relative Größe von häufigen Krankheitserregern zu Wasser sowohl im flüssigen als auch im gasförmigen Zustand. μm: Mikrometer; 1 mm = 1000 μm
Abbildung 1. Relative Größe von häufigen Krankheitserregern zu Wasser sowohl im flüssigen als auch im gasförmigen Zustand. μm: Mikrometer; 1 mm = 1000 μm
Absolute Luftfeuchtigkeit
Es gibt drei Schlüsselbegriffe, die üblicherweise verwendet werden, wenn es um die Luftfeuchtigkeit geht:

Absolute Luftfeuchtigkeit

Die absolute Luftfeuchtigkeit (AH) ist die physikalische Menge an Wasserdampf pro Liter Gas, gemessen in mg/L H2O. Sie bezieht sich allein auf den Wassergehalt – und hat keinen Bezug zur Gastemperatur.
Relative Luftfeuchtigkeit
Relative Luftfeuchtigkeit

Die relative Luftfeuchtigkeit (RH) bezieht sich auf die Wasserdampfmenge pro Liter Gas, verglichen mit der maximal möglichen Menge, die das Gas aufnehmen kann. Das bedeutet, dass sie immer als Prozentwert ausgedrückt wird.’

Die Kapazität eines Gases und damit auch die RH ist temperaturabhängig. Wärmere Gase können mehr Wasserdampf aufnehmen.

In dieser Animation stellt der graue Kreis die Kapazität des Gases dar, während der dunkelblaue Kreis angibt, wie viel Wasserdampf sich im Gas befindet.

Wenn das Gas bei 100 % RH 44 mg/L H2O absoluter Luftfeuchtigkeit aufnimmt, ist es gesättigt – und kann keinen weiteren Wasserdampf aufnehmen.

Im zweiten Bild hat das Gas die gleiche Temperatur, sodass der graue Kreis die gleiche Größe hat (es kann immer noch nur 44 mg/L H2O Wasserdampf halten). Das Gas enthält allerdings lediglich 11 mg/L H2O (blauer Kreis), was einer RH von 25 % entspricht.
Abbildungen 2–4. Begriffe, die üblicherweise zur Beschreibung des Wassergehalts eines Gases verwendet werden. AF: Absolute Luftfeuchtigkeit; RH: Relat

Abbildungen 2–4. Begriffe, die üblicherweise zur Beschreibung des Wassergehalts eines Gases verwendet werden. AF: Absolute Luftfeuchtigkeit; RH: Relative Feuchtigkeit.
Taupunkt

Der Taupunkt ist die Temperatur, bei der das Gas mit seinem aktuellen Wassergehalt gesättigt ist – d. h. die maximal mögliche Menge an Wasserdampf enthält.

Wenn die Temperatur unter diesen Punkt fällt, verringert sich die Kapazität der Luft, und der überschüssige Wasserdampf muss als Kondensation verloren gehen.

In der Taupunktanimation hat das Gas zunächst eine Temperatur von 37 °C und enthält 44 mg/L H2O. Das Gas kühlt dann jedoch auf 23 °C ab. Dadurch verringert sich seine maximale Kapazität von 44 auf 21 mg/L H2O. Der zusätzliche Wasserdampf, den es nicht mehr halten kann, geht als flüssiges Wasser durch den Prozess der Kondensation verloren.
Energie verstehen

Die Erwärmung und Befeuchtung von Gas verbraucht Energie.
 
  • Sensible Wärme bezieht sich auf die Energiemenge, die zur Änderung der Gastemperatur verwendet wird.
  • Latente Verdampfungswärme ist die Energiemenge, die zur Umwandlung von Wasser in Wasserdampf benötigt wird, wodurch sich die absolute Luftfeuchtigkeit des Gases erhöht.’

Es ist wichtig zu wissen, dass die Befeuchtung von Gas viel mehr Energie verbraucht als die Erwärmung. 85 % der Energie, die unser Körper zur Konditionierung der Einatmungsluft benötigt, wird zur Erhöhung des Wasserdampfgehalts verwendet.’
 

Abbildung 5. Der Energieaufwand für die Konditionierung von Gasen im Verhältnis zu den Bedingungen der Einatmungsluft. Die berechneten Werte beziehen sich auf einen Erwachsenen mit einem Tidalvolumen von 500 mL und einer Atemfrequenz von 12 Atemzügen pro Minute.
Abbildung 5. Der Energieaufwand für die Konditionierung von Gasen im Verhältnis zu den Bedingungen der Einatmungsluft. Die berechneten Werte beziehen sich auf einen Erwachsenen mit einem Tidalvolumen von 500 mL und einer Atemfrequenz von 12 Atemzügen pro Minute.
 



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