Chapitre 7
Activité 1 - documentaire
Des échanges thermiques entre le corps humain et son milieu
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Introduction
L'Homme, comme tous les mammifères, est homéotherme : il doit conserver une
température constante (37 °C) pour garantir le fonctionnement normal de ses
organes. Or, son milieu de vie est rarement à cette température et comme tout
système physique, il va tendre vers une température égale à celle du milieu.
Quels sont les paramètres à prendre en compte pour faire le bilan thermique du corps humain ?
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- Les transferts d'énergie
- La conservation de l'énergie
- Le métabolisme des cellules
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Documents
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Doc. 1Rayonnement
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=h_{r} \cdot F_{\text {vet}} \cdot\left(T_{\text {peau }}-T_{\text {ext}}\right)
R : flux thermique par radiation (en W·m‑2).h_{r} : coefficient de rayonnement (en W·m‑2·K‑1).
F_{\text{vet}} : facteur de réduction dû aux vêtements (sans unité).
T_{\text{peau}} et T_{\text{ext}} : températures de rayonnement de la peau et du milieu (en K).
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Doc. 2Convection thermique
En moyenne, la 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=h_{c} \cdot F_{\text{vet}} \cdot\left(T_{\text{peau}}-T_{\text{ext}}\right)
Cv : flux thermique par convection (en W·m‑2).h_c : coefficient de convection (en W·m-2·K‑1).
F_{\text{vet}} : facteur de réduction dû aux vêtements (sans unité).
T_{\text{peau}} et T_{\text{ext}} : températures de la peau et du milieu (en K).
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Doc. 3Conduction thermique
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.
C d=k \cdot\left(T_{\text{peau}}-T_{\text{ext}}\right)
Cd : flux thermique par conduction (en W·m‑2).k : conductance thermique (en W·m‑2·K‑1).
T_{\text{peau}} et T_{\text{ext}} : températures de la peau et du milieu (en K).
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Doc. 5Flux 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 M_{\text{met}}.
Donc : M_{\text{met}} = R + E + Cv + Cd
Donc : M_{\text{met}} = R + E + Cv + Cd
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Doc. 4Évaporation
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=h_e \cdot F_{\text{vet}} \cdot\left(P_{\text{v,ext}}-P_{\text{v,peau}}\right)
E : flux thermique par évaporation (en W·m‑2).h_e : coefficient d'évaporation (en W·m‑2·Pa‑1).
F_{\text{vet}} : facteur de réduction dû aux vêtements (sans unité).
P_{\text{v,ext}} : pression de vapeur d'eau extérieure (en Pa).
P_{\text{v,peau}} : pression de vapeur saturante de la peau (en Pa).
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Doc. 6La 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 réchauff ée. 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.
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Doc. 7Noyau et enveloppe thermiques
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).
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Doc. 8La 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-à-dire 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.
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Vocabulaire
Convection : transfert par déplacement de matière.
Conduction : de proche en proche, sans déplacement de matière.
Conduction : de proche en proche, sans déplacement de matière.
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Questions
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1. Identifiez les paramètres du milieu qui
influent sur les échanges thermiques entre le corps
et son environnement. Quelle différence observez-vous
entre les pertes par évaporation et les trois
autres types de pertes ?
2. La chambre calorimétrique est utilisée pour mesurer la thermolyse. Expliquez pourquoi, si la température corporelle ne varie pas, cela revient à mesurer la thermogenèse.
3. Localisez la thermogenèse et expliquez son origine.
4.
2. La chambre calorimétrique est utilisée pour mesurer la thermolyse. Expliquez pourquoi, si la température corporelle ne varie pas, cela revient à mesurer la thermogenèse.
3. Localisez la thermogenèse et expliquez son origine.
4.
Synthèse
Réalisez un schéma bilan des différentes formes de transferts thermiques entre le corps
humain et un milieu extérieur à 24 °C.Cliquez pour accéder à une zone de dessin
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