Chapitre 5: Chaleur et vie

Chapitre 5: Chaleur et vie
La température corporelle est un paramètre essentiel pour le bon fonctionnement des
organismes vivants. Une variation de 10°C conduit à une augmentation du taux des processus
métaboliques d'un facteur 2. Pour les êtres humains, la température corporelle normale est de
37°C et des déviations faibles de part et d'autre de cette valeur sont fatales: à plus de 44°C, les
protéines subissent des dégradations irréversibles; à moins de 28°C, le coeur cesse de
fonctionner. Il existe plusieurs mécanismes physiques pour assurer la régulation de la
température des animaux à sang chaud. S'il fait froid, le corps réduit les pertes de chaleur en
diminuant la circulation du sang dans les capillaires et en accroissant la production de chaleur
si nécessaire. S'il fait chaud, le surplus de chaleur est évacué par conduction, convection,
rayonnement, transpiration et pour certains animaux, respiration.
5.1 Besoins énergétiques
La consommation de nourriture doit couvrir les besoins énergétiques pour la circulation du
sang, la réparation des cellules, la respiration, les mouvements musculaires, etc. La plus
grande partie de l'énergie consommée est finalement convertie en chaleur. Le taux
métabolique dépend du type d'activité, de l'âge, du sexe, du poids. De manière standard on
donne la puissance nécessaire par unité de surface corporelle:
Activité
Dormir
Etre debout
Marcher
Faire du vélo
Courir
Frissonner
Taux métabolique par unité de surface corporelle
[kJ/m2.h]
170
290
670
1200
2900
1200
Les besoins énergétiques journaliers sont d'environ 11'000 kJ pour un homme, 9000 kJ pour
une femme.
La surface corporelle dépend de la masse et de la taille:
S[m 2 ] = 0,202 ⋅ M 0,425 ⋅ l 0,725 .
2
Elle vaut 1,7 m pour un individu de 60 kg mesurant 166 cm.
L'énergie est obtenue dans la nourriture par oxydation des molécules et dépend du type de
nourriture. La quantité €
d'oxygène nécessaire à la production d'une quantité d'énergie est à peu
près constante. Comme exemple, voici l'équation pour l'oxydation du glucose:
C6H12O6 + 6 O6 ---->6 CO2 + 6 H2O + énergie
L'énergie produite par unité de masse ainsi que l'oxygène qu'il faut pour cela est donné cidessous (1 litre d'oxygène est nécessaire pour la production de 20,2 kJ):
Type de nourriture
Glucides
Protéines
Graisses
Pouvoir calorifique (ou
énergétique) par unité de masse de
nourriture [MJ/kg]
16
17,2
39
-1-
Consommation unitaire
d'oxygène [ l /kg]
790
830
€
1900
Chaleur et vie
5.2 Transfert de chaleur
Les processus fondamentaux qui permettent le transfert de chaleur d'un endroit à une
température donnée, à un autre endroit à une température différente, sont les suivants:
Conduction:
La perte de chaleur par unité de temps dépend de la différence de
température entre les deux extrémités du barreau de longueur Δx et
de section S:
ΔQ
ΔT
[W ] = λ ⋅ S ⋅
Δt
Δx
λ est le coefficient de conductibilité. Il s'exprime en W.m/K et
dépend de la matière. Quelques valeurs de λ sont données ici:
€
Cuivre
Acier
Eau
380 [W.m/K]
40
"
0,6 "
Tissus irrigués
0,4 [W.m/K]
Tissus non irrigués 0,2 "
Graisse
0,1 "
Air
Fourrure
0,025 [W.m/K]
0,0036 "
Exemple: l'évacuation de chaleur à travers 3 cm de tissu en supposant la différence de
température égale à 2°C vaut (pour toute la surface corporelle) 23 W pour des tissus non
irrigués, 46 W pour des tissus irrigués, 12 W pour une couche de graisse. Ces valeurs sont à
comparer au taux métabolique du premier tableau (de l'ordre de 130 W pour toute la surface).
Convection:
Le transfert de chaleur par convection a lieu car les fluides
chauds sont plus légers que les fluides froids et les premiers ont
donc tendance à monter. La convection dépend de la surface, de
son orientation, de la vitesse du fluide relativement à la surface.
Si le fluide est immobile, on parle de convection naturelle. Si le
fluide est en mouvement, il s'agit de convection forcée.
ΔQ
[W ] = α ⋅ S ⋅ ΔT .
Δt
Le coefficient de convection α s'exprime en W/m2.K. Il vaut:
€
air
eau
Convection naturelle
5
[W/m2.K]
100
"
Convection forcée
50
[W/m2.K]
1000 "
Exemple: Debout, le 80% de la surface corporelle étant exposée, on suppose que la
température extérieure est de 25°C, alors que la température moyenne de la peau est de 33°C.
On trouve que le flux de chaleur par seconde est de 54 W si l'air est immobile, 270 W si la
convection est forcée. Les pertes correspondantes dans l'eau seraient évidemment bien plus
importantes.
-2-
Chaleur et vie
Radiation:
€
La radiation émise par le corps humain est une radiation infrarouge
(loi de Wien). La puissance totale perdue par le corps est donnée par
la loi de Stefan:
ΔQ
[W ] = ε ⋅ σ ⋅ S ⋅ T 4
Δt
En même temps qu'il émet, le corps absorbe la radiation émise par
l'environnement. La puissance nette perdue s'exprime donc par:
ΔQ
[W ] = ε ⋅ σ ⋅ S ⋅ T 4 − ε ⋅ σ ⋅ S ⋅ TA4
Δt
TA est la température ambiante. ε est l'émissivité du corps (comprise
entre 0 et 1), σ la constante de Boltzmann σ=5,67.10-8 W/m2K4
€ écrire l'équation ci-dessous sous une forme plus simple en faisant intervenir
On peut encore
directement la différence de température; l'expression est valable pour les situations ordinaires
où les températures absolues T et TA différent peu:
ΔQ
[W ] = 4ε ⋅ σ ⋅ S ⋅ T 3 (T − TA ) ≅ 6 ⋅ S ⋅ (T − TA )
Δt
€
Exemple: la puissance perdue par rayonnement si le corps est à 30°C et le milieu à 20°C est
d'environ 100 W.
5.3 Régulation de la température corporelle
Elle s'effectue grâce aux transferts conductifs, convectifs ou radiatifs. Si ces phénomènes ne
sont pas assez efficaces, l'évaporation de l'eau de transpiration permet aussi de refroidir le
corps. Dans certains cas, la respiration (expiration) contribue de manière significative à
l'évacuation de la chaleur produite dans le corps (halètement des animaux à fourrure).
La chaleur par seconde dégagée dans le corps (métabolisme et faible rendement musculaire 20%) est de l'ordre de 130 W. En une heure l'augmentation de température du corps est
d'environ 2°C ce qui conduirait, après quelques heures, à des dommages fatals pour les
protéines. La chaleur doit être évacuée à un taux suffisamment rapide (a) de l'intérieur du
corps vers sa surface: la chaleur produite à l'intérieur du corps est transférée à sa surface par
conduction dans les tissus, mais aussi et surtout par le sang qui, après avoir absorbé la chaleur
des cellules, l'amène vers la périphérie du corps (convection forcée); lorsqu'il fait froid, la
constriction des capillaires réduit la circulation sanguine en surface et l'évacuation de chaleur
est plus faible; (b) de la surface de la peau vers le milieu extérieur: en effet, l'évacuation de la
chaleur amenée à la peau doit être assez rapide pour que la température superficielle soit
toujours inférieure à la température intérieure. On a vu plus haut les mécanismes qui
pouvaient jouer un rôle dans ce processus. Il reste à examiner la contribution possible de la
transpiration.
Lorsque l'eau liquide (sueur) est transformée en gaz, beaucoup d'énergie est prise au corps car
la chaleur latente de vaporisation de l'eau est grande. Exemple: la quantité d'eau de
transpiration qui doit être vaporisée pour absorber une puissance métabolique de 170 W, est
de 2,8 litres/h (sur une longue durée, on admet que 1 l /h est envisageable, à condition de boire
bien sûr).
Par contre, le refroidissement par expiration contribue pour un taux d'évacuation d'environ
€
10W seulement chez les êtres humains.
-3-