Le bilan thermique du corps humain

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.

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

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.

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.

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.

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

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

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.

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.

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.

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

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.

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

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.