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Le bilan thermique du corps humain

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Objectifs
  • Savoir présenter l’origine de l’énergie thermique chez l’Homme.
  • Connaitre la notion de puissance thermique.
  • Représenter sur un schéma les différents échanges d’énergie entre l’organisme et le milieu extérieur.
  • Savoir utiliser des données quantitatives sur l’apport énergétique d’aliments dans un bilan d’énergie correspondant à des activités variées.
  • Savoir comment notre organisme réagit en cas de bilan thermique déséquilibré.
Points clés
  • La respiration cellulaire est essentiellement à l’origine de l’énergie thermique chez l’Homme.
  • La puissance thermique correspond à la quantité de chaleur libérée par l’organisme humain.
  • Globalement, la puissance thermique libérée par un corps humain dans les conditions de vie courante, au repos, est de l’ordre de 100 W.
  • La température du corps reste stable parce que l’énergie qu’il libère est compensée par l’énergie dégagée par la respiration cellulaire ou les fermentations.
  • En cas de bilan thermique déséquilibré, le cerveau déclenche des réactions comportementales et physiologiques adaptées pour rétablir une température de 37 °C.
Pour bien comprendre
  • La cellule qui est un système thermodynamique ouvert : les principes de conservation et de conversion d’énergie s’appliquent.
  • La respiration cellulaire qui consiste à utiliser les nutriments (provenant de notre alimentation) et le dioxygène puisé dans l’atmosphère pour produire de l’énergie chimique et rejeter deux déchets : l’eau et le dioxyde de carbone.
1. L'origine de l'énergie thermique chez l'Homme

Qu’il fasse chaud ou froid, notre température interne se situe aux alentours de 37 °C.

L’organisme reçoit un apport d’énergie thermique de la part de l’extérieur grâce au Soleil. Cet apport d’énergie thermique se fait par rayonnement, un processus d’émission ou de propagation d’énergie sous forme d’ondes, mais n’est pourtant pas suffisant pour expliquer notre température interne.

a. La respiration cellulaire
Nous produisons de la chaleur : c’est la thermogenèse (production interne d’énergie thermique). Elle représente la principale source d’apport d’énergie thermique à l’organisme.

En effet, pour que notre corps fonctionne, nous avons besoin d’énergie. Tous les êtres vivants sont capables de transformer l’énergie reçue en énergie chimique. Cependant, l’être humain ne peut pas utiliser l’énergie solaire de la même façon que les végétaux qui convertissent l’énergie solaire en énergie chimique grâce à la photosynthèse.
L’être humain utilise donc l’énergie chimique des aliments pour la transformer en énergie utile pour l’organisme : l’ATP (ou adénosine triphosphate), une molécule servant à emmagasiner et à transporter de l’énergie.

Cette conversion d’énergie se fait essentiellement grâce à la respiration cellulaire qui fait partie du métabolisme de nos cellules.

La respiration cellulaire consiste à utiliser les nutriments (provenant de notre alimentation) et le dioxygène puisé dans l’atmosphère pour produire de l’énergie chimique et rejeter deux déchets : l’eau et le dioxyde de carbone.

Elle s’effectue dans les mitochondries des cellules et permet la dégradation des nutriments grâce au dioxygène disponible (réaction d’oxydation).

Les nutriments sont des molécules de petite taille issues de la digestion des aliments, capables de passer dans le sang au niveau de l’intestin grêle. Ils sont transportés dans les cellules pour être utilisés immédiatement ou stockés.

La respiration cellulaire

Les nutriments, de natures variées, proviennent donc de notre alimentation.
L'origine des nutriments utilisés pour réaliser la respiration cellulaire est donnée dans le tableau suivant.

Aliments consommés Nutriment et origine
glucides (pâtes, riz, bonbons…) glucose provenant directement de l’alimentation ou de la dégradation du glycogène (molécule de stockage du glucose dans les muscles et le foie)
lipides (huile, beurre…) acides gras provenant directement de l’alimentation ou de la réserve contenue dans les muscles, le tissu adipeux abdominal ou sous-cutané
b. La production de chaleur

L’énergie chimique récupérée sous forme d’ATP permet la réalisation de la plupart de nos activités cellulaires indispensables à notre fonctionnement, comme la contraction des muscles.

Néanmoins, lors de la respiration cellulaire, une partie de l’énergie chimique produite (environ 60 %) est perdue sous forme de chaleur.

Lors de l’utilisation de l’ATP par nos cellules, une autre partie également est dissipée sous forme de chaleur.

On estime que 80 % de l’énergie des nutriments est convertie sous forme de chaleur : on parle d’énergie thermique.

Remarque
En cas d’absence de dioxygène dans une cellule, la respiration cellulaire est remplacée par la fermentation qui a lieu dans le cytoplasme des cellules. Elle permet également la production d’ATP et de chaleur mais le rendement de production est beaucoup plus faible (2 ATP contre 36 ATP pour la respiration).
La fermentation est aussi à l’origine de la production d’acide lactique.
2. Le métabolisme et l'alimentation

Pour que le corps humain continue de fonctionner normalement, il est nécessaire que l’apport en nutriments soit équilibré en fonction des dépenses énergétiques du corps sur une journée.

a. Les dépenses énergétiques et le métabolisme
Le métabolisme de base d’un individu correspond aux besoins énergétiques incompressibles de l'organisme, c’est-à-dire à la dépense d'énergie minimum quotidienne permettant à l'organisme de survivre. Sa valeur s’exprime en kilojoules (kJ).

Il varie en fonction du sexe de l’individu, de son âge, de sa taille et de son poids. Le métabolisme de base est égal pour un adulte moyen (1,70 m, 70 kg) à environ 5800 kJ par jour.

Réaliser une activité physique entraine une augmentation de la dépense d’énergie par rapport au métabolisme de base car les muscles fournissent un travail mécanique et de la chaleur.
Les dépenses énergétiques d'un adulte moyen (1,70 m et 70 kg), en fonction de son activité, sont données dans le tableau suivant.

Activités Dépense énergétique (kJ/h)
debout, au repos 380
marche à pied (5 km/h) 840
course à pied (10 km/h) 3300
course (30 km/h) 46 000

La dépense énergétique journalière d’un individu varie donc en fonction de ses activités.

b. Le rôle de l'alimentation

L’énergie indispensable à l’individu est fournie par les aliments consommés.

Le bilan énergétique correspond à la différence entre l’énergie apportée par les aliments consommés et l’énergie dépensée par le corps.

On peut déterminer l’apport énergétique d’un aliment par calorimétrie. La calorimétrie directe permet d’évaluer la chaleur dégagée par l’aliment lors de sa combustion.
Néanmoins, notre organisme ne digère jamais complètement les aliments donc la quantité d’énergie réellement utilisable est un peu plus faible.
On exprime en kilojoules l’énergie des aliments.

Les valeurs énergétiques des grandes familles des aliments sont données dans le tableau suivant.

Famille des aliments Kilojoules par gramme
lipides 38
glucides 17
protéines 17

Les aliments apportent donc une quantité d’énergie différente : les glucides et les protéines apportent la même quantité d’énergie tandis que les lipides en apportent davantage.

Il est nécessaire d’équilibrer les apports et les dépenses énergétiques sur une journée.

  • Si l’apport énergétique (aliments ingérés) est égal à la dépense énergétique (activités), l’organisme est en équilibre énergétique.
  • Si l’apport énergétique est supérieur à la dépense énergétique, l’organisme stocke de l’énergie.
  • Si l’apport énergétique est inférieur à la dépense énergétique, l’organisme est en déficit d’énergie.
3. Les échanges thermiques entre l'organisme et l'environnement
a. La variation de la température corporelle humaine

La production de chaleur se fait dans une zone en particulier du corps humain : le compartiment central, c’est-à-dire le tronc et la tête qui abritent les organes vitaux (cœur, reins, système digestif et cerveau). La température dans le compartiment central est globalement maintenue constante à 37 °C.

La température du compartiment périphérique (la peau et les membres) se modifie en fonction des caractéristiques de l’environnement (température extérieure, vent, etc.) et du fonctionnement de l’organisme (activité physique). Elle peut alors varier de 20 °C à 40 °C.

On peut observer la répartition de la chaleur corporelle humaine grâce à la thermographie qui permet d’obtenir une image thermique d’un individu avec, par exemple, l’analyse des infrarouges.

L’image obtenue est un thermogramme.


Thermogramme d’un bébé

Le compartiment périphérique, en contact avec l’environnement, pour un individu au repos, est plus froid que le compartiment central.

La chaleur produite par le compartiment central est évacuée vers le compartiment périphérique principalement grâce à la circulation du sang.

b. Les mécanismes d'échange de chaleur

Notre environnement ayant une température généralement plus froide que notre corps, une perte de chaleur due à un flux thermique vers l’environnement est constatée.

La zone périphérique de notre corps perd de la chaleur par quatre mécanismes :

  • rayonnement : la chaleur est transmise par un rayonnement infrarouge qui se propage dans l’environnement sans contact ;
  • convection : le transfert de chaleur s’effectue par le biais d’un déplacement d’un fluide : l’air. L’air qui entoure le corps est réchauffé, s’élève et est remplacé par de l’air plus froid ;
  • évaporation : le passage de l’eau sous l’état liquide à l’état gazeux lors de la respiration ou de la sudation consomme de la chaleur qui sera alors perdue par la peau ;
  • conduction : par contact, la chaleur est transmise par diffusion de proche en proche (des zones chaudes vers les zones froides), sans déplacement de matière.

Mécanismes de perte de chaleur pour le corps humain
4. La thermorégulation
La chaleur produite par notre corps doit être égale à la chaleur perdue : c’est la thermorégulation.
a. La puissance thermique
La puissance thermique est la quantité de chaleur libérée par un corps humain, exprimée en Watt.

Pour un humain assis, au repos elle est égale à 100 Watts, ce qui correspond à 100 Joules par seconde (ou 360 kJ/h).

Cette puissance thermique augmente logiquement en cas d’activité physique puisque nos cellules produisent alors plus d’énergie.

b. Un bilan thermique équilibré
Le bilan thermique consiste à faire le point entre la production de chaleur et la perte de chaleur pour le corps humain par exemple. Ce bilan thermique doit être équilibré.

La température interne de notre corps est globalement stable à 37 °C. Elle peut varier durant la journée de quelques dixièmes en fonction de nos activités (dormir, manger, se déplacer…).


Bilan thermique équilibré
c. Le déséquilibre du bilan thermique et les réactions de l'organisme

Lors d’un effort physique, suite à l’augmentation des activités métaboliques dans les cellules, la température interne de notre corps augmente.
Mais très rapidement, après une période de récupération courte, elle retrouve sa valeur habituelle.

Si la température corporelle est modifiée (élévation ou baisse par rapport à la température de référence), un système thermorégulateur se met en route afin de rétablir l’équilibre et revenir à la température de référence : les écarts de température par rapport à la température de référence sont détectés par des récepteurs (cellules sensibles à la température) présents dans tout notre corps.

Le cerveau reçoit ensuite ces informations et met en place des réactions physiologiques et comportementales adaptées.


Il arrive que dans certaines situations, des augmentations très importantes de température (hyperthermie) ou des diminutions très importantes (hypothermie) soient fatales pour l’individu car le système de thermorégulation a été insuffisant pour restaurer une température corporelle de référence.

Ces hyperthermies ou hypothermies peuvent être provoquées par des températures extérieures extrêmes ou des comportements à risque, comme par exemple la consommation de certaines drogues comme l'ecstasy.

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