Transferts thermiques internes et externes dans le corps humain
Informations du cours
Programme de 1ère - Enseignement scientifique - France
Introduction aux transferts thermiques
Définitions et principes
Un transfert thermique est un transfert d'énergie thermique (chaleur) entre deux systèmes ou entre différentes parties d'un même système.
Il se produit spontanément du corps le plus chaud vers le corps le plus froid.
Il est mesuré en joules (J) ou en watts (W) pour la puissance.
- 1 Conduction : transfert par contact direct entre particules
- 2 Convection : transfert par déplacement de fluide
- 3 Rayonnement : transfert par ondes électromagnétiques
- Transferts internes : entre organes, tissus ou cellules du même organisme
- Transferts externes : entre le corps humain et l'environnement extérieur
Transferts thermiques internes
Circulation de la chaleur dans le corps
Le sang est le principal vecteur de transfert thermique interne.
Le cœur pompe le sang chaud vers les organes et les tissus.
La circulation sanguine redistribue la chaleur produite par les organes métaboliquement actifs.
La chaleur se transfère par conduction entre tissus adjacents.
Les organes internes (foie, cœur, reins) produisent de la chaleur et la transmettent aux tissus voisins.
Les graisses et muscles ont des conductivités thermiques différentes.
- Foie : ~20% de la production totale de chaleur
- Muscles squelettiques : ~20% (au repos), jusqu'à 90% pendant l'exercice
- Cerveau : ~15% de la production de chaleur
- Cœur et reins : ~10% chacun
Le système nerveux central (hypothalamus) contrôle la température corporelle.
Des récepteurs thermiques dans la peau et les organes internes détectent les variations.
Des mécanismes compensatoires sont activés pour maintenir la température à 37°C.
Transferts thermiques externes
Échanges avec l'environnement
Transfert de chaleur par contact direct avec des objets ou surfaces.
Exemples : contact avec la peau, sièges, vêtements, sol.
La conductivité thermique des matériaux influence le transfert.
La chaleur est transférée par le mouvement de l'air ou de l'eau autour du corps.
Le vent augmente le transfert convectif (refroidissement plus rapide).
La convection est plus efficace dans l'eau que dans l'air.
Le corps émet de la chaleur par rayonnement infrarouge.
Il reçoit aussi du rayonnement de l'environnement (soleil, surfaces chaudes).
Environ 60% des échanges thermiques se font par rayonnement.
La transpiration permet un refroidissement par évaporation.
Le passage de l'eau liquide à la vapeur absorbe de la chaleur (chaleur latente).
Environ 20% des échanges thermiques se font par évaporation.
À température ambiante confortable (~20°C) :
- Rayonnement : ~60%
- Convection : ~25%
- Évaporation : ~15%
- Conduction : ~1%
Thermorégulation
Maintien de la température corporelle
La température corporelle est maintenue à environ 37°C (98,6°F).
Cette température optimise les réactions enzymatiques.
Des variations de ±1°C peuvent être dangereuses.
- Vasodilatation : augmentation du flux sanguin vers la peau (chaud)
- Vasoconstriction : réduction du flux sanguin vers la peau (froid)
- Transpiration : refroidissement par évaporation
- Shivering : production de chaleur par contractions musculaires
L'hypothalamus antérieur contrôle la production de chaleur.
L'hypothalamus postérieur contrôle la dissipation de la chaleur.
Des récepteurs thermiques cutanés et internes envoient des signaux à l'hypothalamus.
Le corps humain adopte des comportements pour aider à la thermorégulation :
- Recherche d'ombre ou de chaleur
- Changement de vêtements
- Position corporelle (se recroqueviller ou s'étirer)
- Consommation de boissons chaudes ou froides
La thermorégulation est influencée par la température ambiante, l'humidité, le vent et la radiation solaire.
À haute température, l'évaporation devient le mécanisme principal de refroidissement.
À basse température, la conservation de la chaleur est prioritaire.
Équations de transfert thermique
Modèles mathématiques
Le transfert de chaleur par conduction suit la loi de Fourier :
Où Φ est le flux thermique, λ la conductivité thermique, S la surface, et dT/dx le gradient de température.
Le transfert de chaleur par convection suit la loi de Newton :
Où h est le coefficient de transfert thermique, S la surface d'échange, et T les températures.
Le rayonnement thermique suit la loi de Stefan-Boltzmann :
Où ε est l'émissivité, σ la constante de Stefan-Boltzmann (5,67×10⁻⁸ W·m⁻²·K⁻⁴), S la surface, et T la température absolue.
Le refroidissement par évaporation dépend de la chaleur latente :
Où m est la masse d'eau évaporée et L_v la chaleur latente de vaporisation (≈2430 kJ·kg⁻¹ à 37°C).
Le bilan thermique s'écrit :
Où M est le métabolisme, R le rayonnement, C la convection, E l'évaporation, et S le stockage de chaleur.
Exercice d'application 1
Calcul de transfert thermique
Une personne de surface corporelle 1,8 m² est dans une pièce à 20°C. La température de sa peau est de 33°C.
Le coefficient de transfert convectif est de 10 W·m⁻²·K⁻¹.
L'émissivité de la peau est de 0,95.
1. Calculer le flux thermique par convection.
2. Calculer le flux thermique par rayonnement (en supposant que la température des murs est égale à celle de l'air).
3. Déterminer le transfert thermique total par ces deux modes.
4. Si la personne transpire 0,5 kg d'eau par heure, calculer le transfert par évaporation.
Solution exercice 1
Correction détaillée
- Surface corporelle : S = 1,8 m²
- Température de la peau : T_skin = 33°C = 306 K
- Température ambiante : T_air = 20°C = 293 K
- Coefficient de transfert convectif : h = 10 W·m⁻²·K⁻¹
- Émissivité de la peau : ε = 0,95
- Chaleur latente de vaporisation : L_v = 2430 kJ·kg⁻¹
Φ_conv = h × S × (T_skin - T_air)
Φ_conv = 10 × 1,8 × (306 - 293)
Φ_conv = 10 × 1,8 × 13 = 234 W
Φ_rad = ε × σ × S × (T_skin⁴ - T_env⁴)
Φ_rad = 0,95 × 5,67×10⁻⁸ × 1,8 × (306⁴ - 293⁴)
Φ_rad = 0,95 × 5,67×10⁻⁸ × 1,8 × (8,65×10⁹ - 7,31×10⁹)
Φ_rad = 0,95 × 5,67×10⁻⁸ × 1,8 × 1,34×10⁹ = 129,4 W
Φ_total = Φ_conv + Φ_rad = 234 + 129,4 = 363,4 W
Évaporation par heure : 0,5 kg/h = 0,5/3600 kg/s = 1,39×10⁻⁴ kg/s
Φ_evap = m_dot × L_v = 1,39×10⁻⁴ × 2430×10³ = 338,8 W
Exercice d'application 2
Effet de l'environnement
Une personne est exposée à différentes conditions environnementales :
Condition A : T_air = 20°C, h = 10 W·m⁻²·K⁻¹, humidité = 30%
Condition B : T_air = 30°C, h = 15 W·m⁻²·K⁻¹, humidité = 80%
La surface corporelle est de 1,7 m² et la température de la peau est de 33°C.
1. Calculer le transfert par convection dans chaque condition.
2. Déterminer lequel des transferts (convection ou rayonnement) est plus affecté par la température ambiante.
3. Expliquer pourquoi la personne aura plus de difficulté à se refroidir dans la condition B.
4. Calculer le pourcentage de diminution du transfert thermique total de A à B.
Solution exercice 2
Correction détaillée
- Surface corporelle : S = 1,7 m²
- Température de la peau : T_skin = 33°C = 306 K
- Condition A : T_air = 20°C = 293 K, h_A = 10 W·m⁻²·K⁻¹
- Condition B : T_air = 30°C = 303 K, h_B = 15 W·m⁻²·K⁻¹
Condition A : Φ_conv_A = 10 × 1,7 × (306 - 293) = 10 × 1,7 × 13 = 221 W
Condition B : Φ_conv_B = 15 × 1,7 × (306 - 303) = 15 × 1,7 × 3 = 76,5 W
Le transfert convectif diminue de 144,5 W à 76,5 W.
Pour le rayonnement : Φ_rad = εσS(T_skin⁴ - T_air⁴)
Condition A : T_air⁴ = 293⁴ = 7,31×10⁹ K⁴
Condition B : T_air⁴ = 303⁴ = 8,35×10⁹ K⁴
Le transfert rayonné diminue de A à B (différence de température au 4e degré).
Le rayonnement est plus affecté car il dépend de la 4e puissance de la température.
Dans la condition B, la personne a plus de difficulté à se refroidir car :
- La température ambiante est plus élevée (30°C vs 20°C)
- Le gradient thermique est plus faible
- Le transfert par convection diminue fortement
- L'humidité élevée (80%) réduit l'évaporation
- Le rayonnement est également réduit
Supposons transferts dans A : 221 W (convection) + 129 W (rayonnement) = 350 W
Transferts dans B : 76,5 W (convection) + 65 W (rayonnement) = 141,5 W
Diminution = (350 - 141,5) / 350 × 100 = 59,6%
Adaptations biologiques
Réponses physiologiques
- Vasodilatation : augmentation du diamètre des vaisseaux pour transférer la chaleur vers la surface
- Transpiration excessive : refroidissement par évaporation
- Diminution de la production de chaleur : réduction de l'activité métabolique
- Comportements : recherche d'ombre, position corporelle
- Vasoconstriction : réduction du flux sanguin vers les extrémités
- Shivering : contractions musculaires pour produire de la chaleur
- Augmentation du métabolisme : production de chaleur interne
- Comportements : vêtements chauds, activité physique
- Surface corporelle : influence le transfert thermique
- Masse corporelle : détermine la capacité thermique
- Graisse corporelle : isolation thermique
- Âge : capacité de thermorégulation variable
- Sexe : différences physiologiques
Le corps humain peut s'acclimater progressivement aux conditions thermiques extrêmes.
Cela implique des ajustements physiologiques comme l'augmentation de la surface corporelle effective pour les échanges thermiques ou l'amélioration de la capacité de transpiration.
Résumé
Points clés
- Circulation sanguine : principal mode de transfert interne
- Conduction tissulaire : transfert entre tissus adjacents
- Production métabolique : sources de chaleur internes
- Rayonnement : ~60% des échanges à température ambiante
- Convection : ~25% des échanges
- Évaporation : ~15% des échanges
- Conduction : ~1% des échanges
- Hypothalamus : centre de commande
- Récepteurs thermiques : capteurs de température
- Mécanismes physiologiques : vasodilatation, vasoconstriction, transpiration
Conclusion
Félicitations !
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