Le bilan thermique du corps humain Rappels de

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 kcal 8 640 000 J ≈ 2 070 kcal Ces ~2 000 kcal correspondent à la moyenne des apports journaliers recommandés pour un individu adulte moyen, à l'activité modérée.

Rappels de physique La notion de gradient Diffusion = facteur de diffusivité x différence de température entre 2 milieux 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

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? Pour aller un peu plus loin sur ce sujet: https: //biologiedelapeau. fr/spip. php? article 75 Maintenir la température corporelle stable autour de 37°C

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 rayonnement électromagnétique généré par l'agitation thermique de particules dans la matière quel que soit l'état de celle-ci : solide, liquide ou gaz. Le spectre de ce rayonnement s'étend du domaine 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 nature des échanges de chaleur entre le corps humain et son environnement Conduction : transfert de chaleur de proche en proche, sans déplacement de matière. 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).

La nature des échanges de chaleur entre le corps humain et son environnement Convection : transfert de chaleur par 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). Fvet : facteur de réduction dû aux vêtements (sans unité). Tpeau et Text : températures de la peau et du milieu (en K).

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 transférée du milieu le plus chaud vers le plus froid. La température d’un corps ne reste constante que 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 correspond majoritairement 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 En résumé… Dépend de la température ambiante: À 21°C, la chaleur produite par le métabolisme compense les pertes Au 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

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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.

Activité 1: Les réactions de thermorégulation Production de chaleur Les documents suivants présentent diverses réponses du système cutané aux variations de température et différentes réponses comportementales Identifiez quelles réactions physiologiques et comportementales favorisent la production ou la perte de chaleur Identifiez le processus physique d’échange de chaleur impliqué dans chaque réaction, et lorsque cela est possible, l’organe ou le tissu biologique impliqué Consignez vos résultats dans les tableaux bilan fournis Processus physique Comment produire impliqué de la chaleur? (conduction/convection/rayonnement/évapo ration) Réaction physiologique Réaction comportementale Organe/tissu biologique

Production de chaleur Comment produire de la chaleur? Réaction physiologique (conduction/convection/rayonnement/évapo ration) Organe/tissu biologique Exercice musculaire à l’air Vasoconstriction Chair de poule/frisson Réponse nerveuse et cardiaque Réaction comportementale Processus physique impliqué Vêtement Se chauffer S’abriter du froid/vent Réduire surface d’échange/conduction Peau/vaisseaux sanguins Réduire circulation sanguine /convection Cœur/système circulatoire/hypothalamus Réduire surface d’échange/conduction Changer le ‘sens’ du gradient thermique

Activité 1: Les réactions de thermorégulation Les documents suivants présentent diverses réponses du système cutané aux variations de température et différentes réponses comportementales Identifiez quelles réactions physiologiques et comportementales favorisent la production ou la perte de chaleur Identifiez le processus physique d’échange de chaleur impliqué dans chaque réaction, et lorsque cela est possible, l’organe ou le tissu biologique impliqué Perte de chaleur Consignez vos résultats dans les tableaux bilan fournis Comment perdre de la chaleur? Réaction physiologique Réaction comportementale Processus physique impliqué (conduction/convection/rayonnement/évapo ration) Organe/tissu biologique Quantification

Perte de chaleur Comment perdre de la chaleur? Réaction physiologique Réaction comportementale Processus physique impliqué (conduction/convection/rayonnement/évapo ration) Sudation/transpiration Evaporation Vasodilatation augmenter surface d’échange/conduction Réponse nerveuse et cardiaque augmenter circulation sanguine /convection Enlever Vêtement Augmenter surface d’échange/conduction S’exposer au froid/vent Boire/fumer Accentuer le gradient thermique Boire : augmente vasodilatation, sensation de réchauffement à court terme mais perte de chaleur à long terme Fumer : augmente vasoconstriction, sensation de froid à court terme Organe/tissu biologique Peau/glandes sudoripares Peau/vaisseaux sanguins Cœur/système circulatoire/hypotha lamus Quantification

Les réponses cutanées Chaque expiration respiratoire induit l’élimination de vapeur d’eau. La quantité diffusée par cette voie dépend de la saturation en eau de l’air inspiré : l’élimination sera nulle si l’air inspiré est déjà saturé en vapeur d’eau. La perte d’eau éliminée par diffusion passive respiratoire représente en moyenne 300 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 une quantité environ deux fois plus importante : environ 600 a 800 ml par jour, soit une perte de 400 kcal. Lorsque la température ambiante dépasse la température corporelle, la sudation reste le seul mécanisme permettant une perte de chaleur de l’organisme. Dans des situations de chaleur extérieure importante, elle peut entrainer une perte de 1, 7 l d’eau par heure, soit 1000 kcal/h. Cette perte d’eau rapide s’accompagne d’une perte en sel de l’organisme. Le phénomène de transpiration met en jeu les glandes sudoripares

FUMER? Les réponses comportementales Vêtements/ outils/ construction BOUGER? L’ALCOOL ? 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.

Les émotions…

Rappel : Le métabolisme • Définition : Ensemble des réactions chimiques nécessaires au fonctionnement d’un organisme • Concrètement, le métabolisme est l’ensemble des réactions chimiques impliquées dans la formation de macromolécules à partir de briques élémentaires (molécules simples), l’expression du génôme, les échanges de matière entre la cellule et son milieu extérieur • Pour vivre les organismes doivent extraire de l'énergie à partir de la matière environnante et la convertir en d'autres formes d'énergie propres à leur existence La thermogenèse par le métabolisme Le métabolisme a un rendement énergétique relativement faible. Par exemple, seulement 20 % environ de l’énergie consommée par les cellules musculaires va être transformée en travail mécanique, c’est-àdire en mouvement. Les 80 % restants seront libérés sous forme de chaleur. À l’échelle de l’organisme, cette chaleur perdue par les cellules correspond à la thermogenèse, qui va compenser des pertes thermiques de la thermolyse.

Le rôle du métabolisme dans l’équilibre thermique

Connaître la quantité d’énergie dans les aliments https: //fr. openfoodfacts. org/

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Exercice Les apports énergétiques du Kebab : comment les compenser? Questions 1. 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).

Exercice Les apports énergétiques du Kebab : comment les compenser? 1. Calculez la valeur énergétique d’un sandwich kebab seul sans sauce, puis d’un « menu complet » avec sauce, frites et soda. • Kebab sans sauce 250 x 1. 6 + 180 x 1. 7 + 30 x 1. 1=739 kcal • Menu complet 250 x 1, 6 + 180 x 1, 7 + 30 x 101 + 400/4 + 400 +150 = 1389 kcal

Exercice Les apports énergétiques du Kebab : comment les compenser? 2. Calculez le pourcentage d'énergie fournie en un repas de ce type par rapport aux apports journaliers recommandés (2 000 kcal). 739 kcal ~37% des apports journaliers 1389 kcal ~69, 5 % des apports journaliers 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 (1 h 43) Pour éliminer 1389 kcal: il faut 11626 s; soit 193 min; soit 3, 23 h (3 h 13)