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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Ce que j'ai déjà vu

Les transferts d'énergie
La conservation de l'énergie
Le métabolisme des cellules

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Documents

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Doc. 1
Rayonnement

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Un coureur en vision infrarouge.

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. 2
Convection thermique

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Perte de chaleur due à la ventilation.

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=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. 3
Conduction thermique

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Conduction de la chaleur par l'eau.

La 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. 4
Évaporation

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Un joueur de football américain transpirant.

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. 5
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 M_{\text{met}}.

Donc : M_{\text{met}} = R + E + Cv + Cd

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Doc. 6
La calorimétrie

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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.

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Principe d'une mesure en chambre calorimétrique.

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Doc. 7
Noyau et enveloppe thermiques

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Un enfant en 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).

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Doc. 8
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-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.

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Questions

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Doc. 1 à 4

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 ?

Doc. 5

et 6

La chambre calorimétrique est utilisée pour mesurer la thermolyse. Expliquez pourquoi, si la température corporelle ne varie pas, cela revient à mesurer la thermogenèse.

Doc. 7

et 8

Localisez la thermogenèse et expliquez son origine.

Synthèse

Réalisez un schéma bilan des différentes formes de transferts thermiques entre le corps humain et un milieu extérieur à 24 °C.

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Des échanges thermiques entre le corps humain et son milieu

Ce que j'ai déjà vu

Documents

Doc. 1Rayonnement

Doc. 2Convection thermique

Doc. 3Conduction thermique

Doc. 4Évaporation

Doc. 5Flux thermique global et conservation de la température

Doc. 6La calorimétrie

Doc. 7Noyau et enveloppe thermiques

Doc. 8La thermogenèse par le métabolisme

Vocabulaire

Questions

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Rayonnement

Doc. 2
Convection thermique

Doc. 3
Conduction thermique

Doc. 4
Évaporation

Doc. 5
Flux thermique global et conservation de la température

Doc. 6
La calorimétrie

Doc. 7
Noyau et enveloppe thermiques

Doc. 8
La thermogenèse par le métabolisme