1 Métabolisme humain

Université Louis Pasteur
Année 2001-2002
DEUG Sciences de la Vie 2eme Année
THERMODYNAMIQUE
TD n◦ 3:
Travail-Chaleur-1er principe
1
Métabolisme humain
1.1
Définition du métabolisme.
Tous les êtres vivants ont besoin d’énergie pour entretenir le processus de la vie. On va essayer d’appliquer
les idées de la thermodynamique aux corps humains. On considère une personne effectuant une activité
(bicyclette, marche, monter un escalier...) nécessitant de produire un travail ∆W pendant un temps ∆t.
Cette activité physique est associé à un dégagement de chaleur ∆Q par le corp.
1. On appelle métabolisme la variation d’énergie interne par unité de temps ( ∆U
∆t ) associée à l’activité
∆Q
∆W
accomplie. Exprimer la relation entre ∆U
,
et
.
Indiquer
le
signe
de
ces grandeurs ?
∆t
∆t
∆t
∆U
2. On appelle métabolisme de base (métabolisme basal) ∆U
∆t basal la valeur de ∆t que lon trouve
pour une personne couchée, au repos complet, dix-huit heures après un dernier repas très léger, en
labsence de toute stimulation thermogène. Justifier cette définition.
1.2
Production de l’énergie.
L’énergie nécessaire à toute activité provient de la consommation de l’oxygène qui est utilisé pour convertir
les aliments absorbés en énergie. On donne l’exemple de la consomation de glucose (C6 H12 O6 ) qui se
combine avec l’oxygène pour donner de l’eau, du dioxyde de carbone et de l’énergie (2870 kJ pour une
mole).
1. Equilibrer la réaction d’oxydation du glucose.
2. On définit le contenu énergétique par unité de masse d’un aliment par l’énergie libérée par unité de
masse consomée. Calculer le contenu énergétique par unité de masse du glucose.
3. On appelle équivalent énergétique de l’oxygène l’énergie libérée pour la consomation d’un litre
d’oxygène. Bien entendu ce rapport dépend de l’aliment consomée. Calculer équivalent énergétique
de l’oxygène dans le cas du glucose.
4. On donne dans le tableau 1 l’équivalent énergétique des aliments les plus courants.
Aliment
Contenu énergétique
par unité de masse
(en kJ.g−1 )
Sucre
Protéine
Graisse
Ethanol
17.2
17.6
38.9
29.7
Equivalent
énergétique de
l’oxygène
(kJ.litre−1 )
21.1
18.7
19.8
20.3
A partir de ces valeurs, proposer une méthode simple permettant de mesurer le taux de variation
de l’énergie interne ( ∆U
∆t ).
5. Chez une femme en bonne santée de 20 ans, la quantité d’oxygène respirée dans les conditions
de bases de la question 1.1.2 est de 0.1960 litre.kg−1 .h−1 . Quelle est la valeur du métabolisme
basal d’une femme de 50kg ? Même question pour un homme de 80kg sachant qu’il respire 0.2138
litre.kg−1 .h−1 .
1.3
Rendement du corps humain.
On définit le rendement du corps humain comme :
R= ∆W
∆t
∆U
∆U
−
∆t
∆t basal
(1)
1. Justifier cette définition.
2. On considère une femme de 50 kg qui escalade une montagne de 1000m d’altitude. Son ascension
dure 4 heures pendant lesquelles son métabolisme par unité de masse est 7 W.kg−1 . Quel est le
travail fournit pendant l’ascension ? Que vaut le rendement ? Que se passe-t-il du point de vue du
métabolisme pendant la descente ?
3. Un cycliste de 70kg fournit une puissance de 820 W lors d’un sprint qui dure 11 secondes. Si le
rendement est de 20 % et si son énergie provient uniquement du glucose quelle masse de glucose
utilise-t-il ?
4. On peut montrer que le métabolisme des mamifères varient en focntion de leur masse comme :
∆U
te 0.67 . Calculer le métabolisme basal d’un cheval de 900 kg.
∆t = C m
5. Joules a montré en 1846 qu’un cheval pouvait soulever une masse de 107 kg d’une hauteur de 30 cm
en 24h. Pendant ce temps il aborbe d’une foin d’une valeur énergétique de 1, 2.105 J. Quel est le
rendement ?