Thermodynamik der Ernährung in SI – Einheiten - Justus-Liebig ...

Justus – Liebig – Universität Gießen
Fachbereich 09
Agrarwissenschaften, Ökotrophologie und Umweltmanagement
Professur für Prozesstechnik in Lebensmittel- und Dienstleistungsbetrieben
Studienarbeit
Thermodynamik der Ernährung in
SI – Einheiten
gestellt von: Prof. Dr.-Ing. Elmar Schlich
betreut von: Prof. Dr.-Ing. Elmar Schlich
angefertigt von: cand. B. Sc. Insa John
Gießen, 29.09.2006

I. Kurzfassung
Ziel dieser Arbeit ist es, Energieumsätze im menschlichen Organismus unter Berücksichtigung
der Hauptsätze der Thermodynamik darzustellen. Dabei wird auf unterschiedliche
Aspekte des Nahrungsenergieumsatzes sowie auf biochemische Abläufe
eingegangen. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Darstellung von Leistungen, die der
menschliche Organismus erbringt.
Um einen Einstieg zu schaffen, erfolgt zunächst eine Erläuterung der Grundlagen der
Systemtheorie und der Thermodynamik, sowie Aspekten der SI-Einheiten. Im Anschluss
daran wird zum Erlangen eines grundlegenden Verständnisses über biochemische
Abläufe in der Zelle, die Thermodynamik der Zelle, sowie die Energiewährung
des Körpers, das Adenosintriphosphat eingeführt. Es folgt eine Präsentation
der Energieumsätze des menschlichen Organismus. Dabei wird auf die Eigenschaften
des Energiemetabolismus, sowie auf Methoden zur Bilanzierung der aufgenommenen
Energie eingegangen. Die Begriffe Grundumsatz, Leistungsumsatz und
Thermoregulation werden eingeführt und energetisch bewertet. Zur Bewertung körperlicher
Aktivität erfolgt anschließend mit der Kalorimetrie und der Ergometrie die
Vorstellung zweier Methoden der Leistungsmessung, wobei der erhöhte Energieumsatz
von Sportlern herausgestellt wird. Da der Umsatz der Energie liefernden Nährstoffe
im menschlichen Organismus auf unterschiedlichen Wegen erfolgt und sie
unterschiedliche Wirkungsgrade bezüglich der Energiebereitstellung besitzen, wird
auf unterschiedliche Formen der energetischen Bewertung der Lebensmittel eingegangen.
Um ein Verständnis über die Abläufe bei der Energiebereitstellung im Muskel
zu erlangen, werden biochemische Aspekte der Muskelkontraktion im Allgemeinen
und der Kontraktion des Herzens im Speziellen erläutert. Des Weiteren erfolgt
eine Darstellung der Energiebereitstellung in Abhängigkeit von der Belastungsdauer.
Im letzten Kapitel erfolgt die energetische Bewertung unterschiedlicher Aktivitäten,
wobei im Speziellen auf die Unterschiede zwischen Gehen und Laufen und auf ökonomische
Strategien des menschlichen Organismus eingegangen wird.
Es hat sich im Verlauf der Arbeit als schwierig dargestellt, Aktivitäten energetisch zu
bewerten, da die Literatur zu diesem Thema sehr unterschiedliche Angaben macht.
Außerdem hat es sich als notwenig herausgestellt, Angaben die in Kilokalorien gemacht
waren, in Kilojoule umzurechnen. Des Weiteren sind beim Schreiben immerneue,
interessante Aspekte aufgetaucht, die leider nicht alle mit eingebracht werden
konnten.
Thermodynamik der Ernährung in SI-Einheiten
Vorgelegt von:
Insa John
I

II. Abstract
The goal of this thesis is to present energy turnover of the human organism with consideration
of the laws of thermodynamic. In the first place different aspects of foodenergyturnover
as well as biochemical courses will be introduced. Secondly important
aspects of work capacity in the human body are presented.
To begin, the basis of systemtheorie and thermodynamics as well as the aspects of
the “International System of Units” are introduced. To achieve a basic knowledge of
biochemical processes in cells, the thermodynamics of cells as well as the energy
currency of the human organism, the ATP are established. In the next chapter a
presentation of human energy turnover follows. Aspects of energy metabolism and
Methods of balancing human energy intake will be introduced. To continue, the terms
“basal metabolic rate”, “total energy expenditure” and “thermodynamic regulation” are
established and valued energetically. To value physical activity, calorimetry and ergometry
as methods of measuring work capacity are initiated. In this point the increased
energy expenditure during physical activity is emphasized. Since energy
turnover of the different nutrients varies between them and their degree of effectiveness
alters, diverse ways to value food energy are introduced. To achieve an understatement
of energy supply in the muscle, the biochemical aspects of muscle contraction
in general and the contraction of the heart in special are elucidated. In the
next place energy supply in dependence of load duration is presented. Finally different
activities are valued energetically. Moreover the differences in energy requirement
between walking and running as well as the economy of movement are revealed.
While writing this bachelors thesis it occurred to be difficult to value different activities
energetically because information on this topic varied in the literature. Furthermore it
was necessary to recalculate statements presented in kilocalories to kilojoules. While
writing other interesting aspects turned up which unfortunately cannot be presented
in the thesis.
Thermodynamik der Ernährung in SI-Einheiten
Vorgelegt von:
Insa John
II