Marcel Lacroix Université de...

La machine humaine

Marcel LacroixUniversité de Sherbrooke

M. Lacroix Humain 2

Corps humain

~ 63% hydrogène;

~ 25.5% oxygène;

~ 9.5% carbone;

~ 1.4% azote;

~ 0.6% vingtaine éléments;

72% de la masse en eau.

100 x 1012 cellules de ~ 0.01 mm!cellules sanguines

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Charpente

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Moteurs à combustion

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Système d’alimentation en combustible

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Ordinateur central

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Réseau de transport et de distribution électrique

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Système d’épuration des eaux usées

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Système de ventilation

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Système de contrôle

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Système de circulation

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Usine d’assemblage

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Métabolisme

(Métabolisme) = (Travail) + (convection + rayonnement + évaporation)peau + (convection + évaporation)respiration

Conversion en chaleur de l’énergie chimique stockée dans les aliments par les 100 millions de millions de cellules du corps humain!

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Corps humain:machine thermique inefficace

• Rendement thermique:

%5)(

)(≤=

eMétabolismTravailη

Puissance métabolique: Loi de Kleiber

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1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000 10000

Puis

sanc

e m

étab

oliq

ue (W

)

Masse (kg)

Éléphant

ChevalOurs

Homme

Renard

Lapin

P = 3,52m0,75

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Métabolisme: activités*Activité physique Puissance (W)

Au repos 80-140Au bureau 110-240La marche 200-400

La danse sociale 250-500Le travail manuel modéré 200-400Le travail manuel intense 400-600

Les sports intenses 600-1000

* AHHRAE Handbook Fundamentals, chapter 8

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Puissances comparées

1 500W100W

1 000W

100kW

100 W

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Rejets quotidiens du corps humain

Type de rejet Quantité PhaseEau évaporée (peau) 350 ml gaz

Eau évaporée (respiration) 350 ml gazEau transpirée 100 ml gaz

Eau des excréments 100 ml liquideEau de l’urine 1400 ml liquide

Eau totale 2300 ml liquide

Gaz carbonique (250 ml/min) 360 litres gazSource: Medical Physiology, Guyton & Hall, 10th Edition

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Rejets annuels du corps humain

Type de rejet QuantitéEau (gaz) ~ 300 kg

Gaz carbonique (gaz) ~ 260 kgGaz à effet de serre: total ~560 kg

Eau à traiter (liquide) ~ 550 kgRejets totaux ~ 1110 kg

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Si vous respirez, vous polluez!

Aliments versus Combustibles

Caractéristiques Aliments CombustiblesEléments

principaux C, H, O C, H, O

Elémentssecondaires

S, N, … S, N, …

Gaz inspirés N2, O2 N2, O2

Gaz expirés H2O, CO2, N2 H2O, CO2, N2

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Aliments versus Combustibles

Aliments Combustibles

Riz, avoine et maïs2/3 agriculture

mondiale

Charbon, pétrole et gaz85% énergie primaire

mondialeHydrates de carbone Hydrocarbures

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‘Combustion’ alimentaire

Broyeur

Réacteur discontinu

Réacteur tubulaire

ÉNERGIEOHCO

OALIMENT

++→

+

22

2)(

Moteurs à combustion: muscles

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Combustion fossile

ÉNERGIEOHCOOECOMBUSTIBL ++→+ 222)(

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Énergie libérée: remarques1. Oxydation des aliments ou des

combustibles : chaleur dégagée.

Calorimètre

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Énergie libérée: remarques

2. Unité d’énergie souvent retenue: la calorie ~ 4,18 Joules.

3. 1 calorie alimentaire = 1000 calories.

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Énergie libérée: remarques

4. Consommation quotidienne minimale d’un adulte ~ 2000 calories alimentaires = énergie électrique consommée par une ampoule de 100 Watts fonctionnant pendant 24 heures:

alicalalicalcalcalJ

kWhJkWh .2000)./1000()/18,4(

)/106,34,2( 6

ť

••

100 W

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Énergie stockée dans les alimentsAliment Cal.alim./g MJ/kg kWh/kg

amande ~ 5 ~ 21,0 ~ 5,8pomme ~ 0,32 ~ 1,4 ~ 0,4banane ~ 0,74 ~ 3,1 ~ 0,9

pain ~ 1,9 ~ 8,0 ~ 2,2fromage ~ 3,7 ~ 15,5 ~ 4,3poulet ~ 1,2 ~ 5,0 ~ 1,4

chocolat ~ 4,5 ~ 19,0 ~ 5,2saumon ~ 1,7 ~ 7,1 ~ 2,0

huile végétale* ~ 8 ~ 33,5 ~ 9,3* diesel: 47 MJ/kg; essence: 48 MJ/kg;

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Calories stockées

Calories entrantes

Calories sortantes= -

Corps humain

Thermodynamique du corps humain

1ère loi: conservation de la quantité d’énergie

2ème loi: dégradation de la qualité de l’énergie

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D’où vient l’énergie contenue dans les aliments?

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Énergie solaire stockée1. Énergie chimique contenue

dans les aliments : énergie solaire stockée.

2. Conversion énergie solaire en énergie chimique: photosynthèse

2

22 )(OOHCSOLEILOHCO

zyx +→++

(sucres)

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Puisque la combustion d’un aliment est semblable à celle d’un combustible fossile, alors pourquoi ne peut-on pas se nourrir de charbon, de pétrole ou de gaz naturel?

Digestion des aliments

ProtéinesHydrates de carbone

Gras

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Acides aminésSucres

Acides gras

Procédé à basse température: hydrolyse

Procédé possible grâce à un catalyseur: enzymes

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Question de catalyseur

• On ne peut digérer le charbon, le pétrole ou le gaz naturel faute d’enzymes nécessaires aux réactions chimiques.

• Sans l’enzyme lactase, on ne peut digérer les sucres dans le lait, le lactose.

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Néanmoins …Pays Énergie totale

(kWh/hab.jour)Énergie

Renouvelable

Islande 389 78%Luxembourg 323 1%

Canada 270 16%Suède 184 29%

Québec 174 47%France 140 7%

Allemagne 133 6%Danemark 116 15%

Suisse 115 16%

Métabolisme quotidien: 100 W x 24 h = 2,4 kWh

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Où va l’énergie dans la préparation des aliments?

• 31%: production des engrais.• 19%: alimentation des machines.• 16%: transport.• 13%: irrigation.• 8%: élevage.• 5%: séchage des céréales.• 5%: préparation des pesticides.

Procédé Haber-Bosch

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Fritz Haber, Nobel de chimie, 1918

Carl Bosch, Nobel de chimie, 1931

CHALEURNHHN gg +→+ 3)(2)(2 23

Sels d’ammonium et urée: engrais

Nitrates: explosifs

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CONSOMMATION D’ÉNERGIE (kWh par habitant et par jour*)

Période Société A B C D Total

-106 ans primitive 2 2- 105 ans chasseur 3 2 5-7000 ans agriculture pri. 4 4 4 12

1400 agriculture ava. 6 12 7 1 261850 industriel 7 32 24 14 772000 technologique 10 66 91 63 230

A:alimentation; B:chauffage central; C:industrie et agriculture; D:transport. *Energy Flow in an Industrial Society, Scientific American, E. Cook, 225 (3), 1971.

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Puisqu’il n’y a pas de différence entre la chaleur dégagée par l’oxydation d’un aliment ou d’un combustible, alors pourquoi ne s’enflamme-t-on pas en mangeant?

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Question de temps

• Combustibles: réaction d’oxydation pendant une courte période de temps (grande puissance): combustion.

• Aliments: réaction d’oxydation pendant une longue période de temps (faible puissance).

Merci de votre attention

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