Le bilan thermique du corps humain · Le rayonnement infrarouge est responsable d’environ 60% des pertes thermiques du corps humain. Le corps peut aussi recevoir de l’énergie

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.



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).


Tpeau et Text : températures de la peau et du milieu (en K).

Convection : transfert de chaleur par déplacement de matière.


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).


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



Comment produire de la chaleur?



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



Comment perdre de la chaleur?



Quantification

Activité 1:Les réactions de thermorégulation

Perte de chaleur



Comment perdre de la chaleur?



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.


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).


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)

Documents

Le bilan thermique du corps humain · Le rayonnement infrarouge est responsable d’environ 60% des pertes thermiques du corps humain. Le corps peut aussi recevoir de l’énergie