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Le bilan thermique du corps humain
Rappels de physique
• La chaleur: c’est la quantité d’énergie thermique contenue dans un corps et qu’il est possible d’extraire pour s’en servir (pour chauffer par exemple).
• La température : c’est l’agitation de l’atome. C’est sa vitesse de vibration au sein de la structure solide qui la contient, ou bien sa vitesse de déplacement dans un gaz.
Chaleur et température restent liés : un corps à haute température contient plus de chaleur que s’il était à basse température.
• L’énergie est la capacité d’un système à réaliser un travail (i.e. modifier l’état d’un matériau ou le déplacer)
Unités :
Le Joule (J)
La calorie (1 cal = 4, 1855 J)
Bien que le joule (J) soit l’unité internationale de l’énergie, les nutritionnistes utilisent davantage la kilocalorie (kcal).4 184 J = 1 kcal8 640 000 J ≈ 2 070 kcalCes ~2 000 kcal correspondent à la moyenne des apports journaliers recommandés pour un individu adulte moyen, à l'activité modérée.
La notion de gradient
Rappels de physique
Tout évènement se fait d’un état de haute énergie vers un état de basse énergie (autrement dit, du plus
chaud vers le plus froid dans notre cas)
Toute transformation énergétique entraîne une diminution de la quantité d’énergie disponible pour un
autre travail
Diffusion = facteur de diffusivité x différence de température entre 2 milieux
L’équilibre thermique (=homéostasie thermique = thermorégulation)
• Thermolyse : perte de chaleur
Quels mécanismes?
• Thermogenèse : fabrication de chaleur par le métabolisme
Quels mécanismes?
• Comment l’équilibre thermique est-il régulé par l’organisme?
Maintenir la température corporelle stable autour de 37°C
Pour aller un peu plus loin sur ce sujet:https://biologiedelapeau.fr/spip.php?article75
Description des différents modes de transferts :* avec mouvement de matière (dans un fluide)* sans mouvements de matière, uniquement par contact * par diffusion de rayonnement électromagnétiques
La nature des échanges de chaleur entre le corps humain et son environnement
• Le rayonnement thermique est un rayonnementélectromagnétique généré par l'agitationthermique de particules dans la matière quelque soit l'état de celle-ci : solide, liquide ou gaz.Le spectre de ce rayonnement s'étend dudomaine micro-ondes à l'ultra-violet.
• C’est un mécanisme de transfert de chaleur
Le rayonnement infrarouge est responsable d’environ 60 %
des pertes thermiques du corps humain. Le corps peut aussi
recevoir de l’énergie thermique par le rayonnement d’objets
environnants (Soleil, feu, etc.).
R=hr⋅Fvet⋅(Tpeau −Text)
R : flux thermique par radiation (en W·m-2).
hr : coefficient de rayonnement (en W·m-2·K-1).
Fvet : facteur de réduction dû aux vêtements (sans unité).
Tpeau et Text : températures de rayonnement de la peau et du milieu (en K).
Le rayonnement désigne le processus d'émission ou de propagation
d'énergie et de quantité de mouvement impliquant une onde ou
une particule.
La conduction est responsable de 3 % des pertes
thermiques du corps humain, dans l’air. Cette part peut
être beaucoup plus importante lorsque le corps est
directement en contact avec un liquide comme l’eau.
Cd=k⋅(Tpeau −Text)
Cd : flux thermique par conduction (en W·m-2).
k : conductance thermique (en W·m-2·K-1).
Tpeau et Text : températures de la peau et du milieu (en K).
Conduction : transfert de chaleur de proche en proche, sans déplacement de matière.
La nature des échanges de chaleur entre le corps humain et son environnement
La nature des échanges de chaleur entre le corps humain et son environnement
En moyenne, la convection correspond à 15 % des pertes
thermiques du corps humain. La ventilation pulmonaire constitue
une part importante des pertes par convection. Au niveau de la peau,
le vent aussi joue un rôle, en augmentant la valeur du coefficient de
convection.
Cv=hc⋅Fvet⋅(Tpeau −Text)
Cv : flux thermique par convection (en W·m-2).
hc : coefficient de convection (en W·m-2·K-1).
Fvet : facteur de réduction dû aux vêtements (sans unité).
Tpeau et Text : températures de la peau et du milieu (en K).
Convection : transfert de chaleur par déplacement de matière.
La nature des échanges de chaleur entre le corps humain et son environnement
L’évaporation
Lorsque de l’eau liquide à la surface de la peau s’évapore, elle se
transforme en vapeur d’eau. Ce changement d’état absorbe de
l’énergie thermique. L’eau peut provenir d’une diffusion passive à
travers la peau ou bien de la transpiration, phénomène actif.
L’évaporation constitue environ 22 % des pertes thermiques du
corps humain.
E=he⋅Fvet⋅(Pv,ext−Pv,peau )
E : flux thermique par évaporation (en W·m-2).
he : coefficient d’évaporation (en W·m-2·Pa-1).
Fvet : facteur de réduction dû aux vêtements (sans unité).
Pv,ext : pression de vapeur d’eau extérieure (en Pa).
Pv,peau : pression de vapeur saturante de la peau (en Pa).
Cartographier et quantifier les échanges thermiques à l’échelle du corps humain
L’imagerie infrarouge
On différencie le noyau thermique
(système nerveux, viscères et
muscles), siège de la
thermogenèse, de l’enveloppe
thermique (ex. : peau), siège de la
thermolyse. Les échanges
thermiques entre les deux sont
majoritairement assurés par la
circulation sanguine (convection de
chaleur).
Cartographier et quantifier les échanges thermiques à l’échelle du corps humain
La calorimétrie
Le flux de chaleur global libéré par la personne
allongée dans la chambre est transféré à l’eau froide
circulant dans les tuyaux, qui est ainsi réchauffée.
Cette augmentation de température de l’eau est
mesurée : une augmentation de 1 °C d’un litre d’eau
correspondra à une énergie libérée de 1 calorie (par
définition), soit 4,186 J.
Chez une personne au repos, la puissance thermique
libérée moyenne est de 100 W.
Flux thermique global et conservation de la température Tout solide échange de l’énergie thermique avec son milieu, la chaleur étant transféréedu milieu le plus chaud vers le plus froid. La température d’un corps ne reste constanteque si le flux thermique global est nul, c’est-à-dire que les pertes de chaleur(thermolyse) sont exactement compensées par une production de chaleur(thermogenèse), qui dans le cas d’un organisme homéotherme correspondmajoritairement à l’énergie métabolique Mmet.Donc : Mmet=Rayonnement+Evaporation+Convection+Conduction
L’équilibre thermique (=homéostasie thermique = thermorégulation)
• Thermolyse : perte de chaleur (conduction, convection, évaporation, rayonnement)
• Thermogenèse : fabrication de chaleur par le métabolisme
Dépend de la température ambiante:À 21°C, la chaleur produite par le métabolisme compense les pertesAu dessus de 32°C, l’air devient plus chaud que la peau et l’organisme doit donc perdre de la chaleur
Maintenir la température corporelle stable autour
de 37°C
En résumé…
BILAN
La thermorégulation dans son ensemble…
Les thermorécepteurs transmettent les informations concernant la température (cutanée, sanguine, profonde) sous forme d’influx nerveux, par l’intermédiaire de la moelle épinière jusqu’à l’hypothalamus.
Production de chaleur
Réaction physiologique
Réaction comportementale
Comment produire de la chaleur?
Processus physique impliqué (conduction/convection/rayonnement/évaporation)
Organe/tissu biologique
Activité 1:Les réactions de thermorégulation
Production de chaleur
Réaction physiologique
Réaction comportementale
Comment produire de la chaleur?
Processus physique impliqué (conduction/convection/rayonnement/évaporation)
Organe/tissu biologique
Exercice musculaire à l’air
Vasoconstriction
Chair de poule/frisson
Vêtement
Se chaufferS’abriter du froid/vent
Réduire surface d’échange/conduction
Réduire surface d’échange/conduction
Changer le ‘sens’ du gradient thermique
Réponse nerveuseet cardiaque
Réduire circulation sanguine /convection
Peau/vaisseaux sanguins
Cœur/système circulatoire/hypothalamus
Perte de chaleur
Réaction physiologique
Réaction comportementale
Comment perdre de la chaleur?
Processus physique impliqué (conduction/convection/rayonnement/évaporation)
Organe/tissu biologique
Quantification
Activité 1:Les réactions de thermorégulation
Perte de chaleur
Réaction physiologique
Réaction comportementale
Comment perdre de la chaleur?
Processus physique impliqué (conduction/convection/rayonnement/évaporation)
Organe/tissu biologique
Sudation/transpiration
Vasodilatation
Enlever Vêtement
S’exposer au froid/vent
augmenter surface d’échange/conduction
Augmenter surface d’échange/conduction
Accentuer le gradient thermique
augmenter circulation sanguine /convection
Peau/vaisseaux sanguins
Cœur/système circulatoire/hypothalamus
Quantification
Réponse nerveuseet cardiaque
Evaporation Peau/glandes sudoripares
Boire/fumer
Boire : augmente vasodilatation, sensation de réchauffement à court terme mais perte de chaleur à long termeFumer : augmente vasoconstriction, sensation de froid à court terme
Les réponses cutanées
Lorsque la température ambiante dépasse la températurecorporelle, la sudation reste le seul mécanisme permettantune perte de chaleur de l’organisme. Dans des situations dechaleur extérieure importante, elle peut entrainer une pertede 1,7 l d’eau par heure, soit 1000 kcal/h. Cette perte d’eaurapide s’accompagne d’une perte en sel de l’organisme. Lephénomène de transpiration met en jeu les glandessudoripares
Chaque expiration respiratoire induit l’élimination de vapeur d’eau. La quantité diffusée par cette voiedépend de la saturation en eau de l’air inspiré : l’élimination sera nulle si l’air inspiré est déjà saturéen vapeur d’eau. La perte d’eau éliminée par diffusion passive respiratoire représente en moyenne300 ml par jour, soit une perte de chaleur de 200 kcal.L’eau éliminée par diffusion passive cutanée, après passage à travers l’épiderme, représente unequantité environ deux fois plus importante : environ 600 a 800 ml par jour, soit une perte de 400 kcal.
FUMER?
Imagerie infrarouge des mains d’un fumeur avant de fumer une cigarette (à gauche) et 5 minutes après avoir fumé (à droite). La nicotine est connue pour son effet vasoconstricteur.
L’ALCOOL?
BOUGER?
Imagerie infrarouge
Les réponses comportementales
Vêtements/
outils/
construction
Les émotions…
Rappel : Le métabolisme
• Définition : Ensemble des réactionschimiques nécessaires aufonctionnement d’un organisme
• Concrètement, le métabolisme estl’ensemble des réactions chimiquesimpliquées dans la formation demacromolécules à partir de briquesélémentaires (molécules simples),l’expression du génôme, les échangesde matière entre la cellule et son milieuextérieur
• Pour vivre les organismes doiventextraire de l'énergie à partir de lamatière environnante et la convertiren d'autres formes d'énergie propres àleur existence
La thermogenèse par le métabolisme Le métabolisme a un rendement énergétique relativement faible. Parexemple, seulement 20 % environ de l’énergie consommée par lescellules musculaires va être transformée en travail mécanique, c’est-à-dire en mouvement. Les 80 % restants seront libérés sous forme dechaleur. À l’échelle de l’organisme, cette chaleur perdue par les cellulescorrespond à la thermogenèse, qui va compenser des pertes thermiquesde la thermolyse.
Le rôle du métabolisme dans l’équilibre thermique
Connaître la quantité d’énergie dans les aliments
https://fr.openfoodfacts.org/
BILAN
BILAN
ExerciceLes apports énergétiques du Kebab : comment les compenser?
Questions1. Calculez la valeur énergétique d’un sandwich kebab seul sans sauce, puis d’un « menu complet » avec sauce, frites et soda.2. Calculez le pourcentage d'énergie fournie en un repas de ce type par rapport aux apports journaliers recommandés (2 000 kcal). 3. Combien de temps faut-il courir à 8 km·h-1, c’est-à-dire à une puissance de 500 W, pour consommer cette énergie absorbée ? (1 kcal = 4 184 J).
• Kebab sans sauce
250x1.6 + 180x1.7 + 30x1.1=739 kcal
• Menu complet
250x1,6 + 180x1,7 + 30x101 + 400/4 + 400 +150 = 1389 kcal
1. Calculez la valeur énergétique d’un sandwich kebab seul sans sauce, puis d’un « menu complet » avec sauce, frites et soda.
ExerciceLes apports énergétiques du Kebab : comment les compenser?
739 kcal ➔ ~37% des apports journaliers
1389 kcal ➔ ~69,5 % des apports journaliers
2. Calculez le pourcentage d'énergie fournie en un repas de ce type par rapport aux apports journaliers recommandés (2 000 kcal).
ExerciceLes apports énergétiques du Kebab : comment les compenser?
3. Combien de temps faut-il courir à 8 km·h-1, c’est-à-dire à une puissance de 500 W, pour consommer cette énergie absorbée ? (1 kcal = 4 184 J).
À 500 J/s, il faut 8.37 s pour éliminer 1 kcal (=4184 J)Pour éliminer 739 kcal: il faut 6185,43 s; soit 103,1 min; soit 1.7 h (1h43)Pour éliminer 1389 kcal: il faut 11626 s; soit 193 min; soit 3,23 h (3h13)
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