Он устроен достаточно интересно.
Мы чувствуем тепло или холод благодаря рецепторам, в частности, терморецепторам (а еще рецепторы позволяют определить текстуру объекта, его твердость и т.д.). При воздействии на них возникает потенциал действия. Это волна возбуждения в клетке. Интенсивность ощущения определяется по силе воздействия на рецептор.
К тому же, у клетки есть абсолютный верхний порог, после пересечения которого любое ощущения сменяется болью. Боль в этом случае, защитный механизм. Ее возникновение означает, что тут явно что-то не так.
Приведу пример.
Вы дотронулись до теплой картошечки (извините, хочется кушать) и положили ее в рот. Всю теплоту картошечки вы ощущаете во рту, затрагивается множество рецепторов, да и длительность воздействия выше. Да, тут возник потенциал действия. Картошечка достаточно теплая, чтобы терморецепторы восприняли ее температуру. А теперь берете горячую картошечку. Вы ее держите не так долго и только когда она оказывается во рту, понимаете весь ужас ситуации, в которой вам пришлось оказаться. Вы испытываете боль. Но почему не испытали боль, когда картошка была в руках? Дело в длительности воздействия. Вы не моментально чувствуете, что что-то чрезмерно горячее вступило во взаимодействие с вами. Есть небольшая задержка. Обусловлена она как раз тем, что волна возбуждения нервной клетки еще не дошла до абсолютного порога. Почему? Длительность воздействия. Оказавшись у вас во рту, картошка показала, кто тут горячее всех на районе, преодолев абсолютный верхний порог чувствительности.
Такие дела.