Conduction : Transfert thermique par contact direct entre particules.
Entre les couches tissulaires : peau, hypoderme, muscles, os
λ os = 0,3 W.m⁻¹.K⁻¹, λ graisse = 0,2 W.m⁻¹.K⁻¹, λ muscle = 0,5 W.m⁻¹.K⁻¹
Plus la couche est épaisse ou isolante, plus la conduction est lente
Le sang transporte la chaleur et modifie les gradients thermiques
La graisse sous-cutanée agit comme isolant thermique naturel
La conduction assure les transferts thermiques internes entre les différentes couches tissulaires, avec des coefficients variables selon le type de tissu.
• Loi de Fourier : Φ = λ × S × (T₁ - T₂) / e
• Isolation : La couche de graisse réduit la perte de chaleur
• Conductivité : Les tissus ont des propriétés thermiques différentes
Convection : Transfert thermique par déplacement de matière.
Forcée (vent) et naturelle (courants d'air dus aux différences de température)
h = 10-15 W.m⁻².K⁻¹ sans vent, 25 W.m⁻².K⁻¹ avec vent
Les vêtements créent une couche d'air calme qui réduit la convection
Le poil crée des turbulences qui peuvent augmenter la convection
La convection est plus efficace en milieu aéré qu'en espace confiné
La convection assure le transfert de chaleur entre le corps et l'air environnant, avec un coefficient dépendant des conditions ambiantes.
• Loi de Newton : Φ = h × S × (T_skin - T_air)
• Vent : Accélère le transfert thermique par convection
• Isolation : Les vêtements piègent l'air et réduisent la convection
Rayonnement : Transfert thermique par ondes électromagnétiques (infrarouges).
Émissivité ε ≈ 0,98 pour la peau humaine (corps noir presque parfait)
T = 310K (37°C) pour le corps humain, ce qui correspond à λ_max ≈ 9,3 μm
Le flux est proportionnel à la puissance 4 de la température absolue
Environnement plus froid favorise la perte de chaleur par rayonnement
Le rayonnement est plus important que la conduction dans l'air ambiant
Le corps humain émet continuellement un rayonnement infrarouge selon la loi de Stefan-Boltzmann, avec une puissance dépendant de la température à la puissance 4.
• Loi de Stefan-Boltzmann : Φ = σ × S × ε × (T⁴ - T₀⁴)
• Émissivité : La peau humaine est presque un corps noir (ε ≈ 0,98)
• Température : Le flux est très sensible à la température (T⁴)
Évaporation : Changement d'état de liquide à gaz avec absorption de chaleur latente.
La sueur s'évapore de la surface cutanée en absorbant de la chaleur
L_v = 2,26 × 10⁶ J.kg⁻¹ pour l'eau à 37°C
1g de sueur évaporée permet de dissiper ~2,26 kJ de chaleur
Humidité relative, ventilation, température de surface
En atmosphère saturée, l'évaporation est réduite et le refroidissement inefficace
L'évaporation de la sueur est le mécanisme le plus efficace de régulation thermique, avec une grande chaleur latente d'évaporation.
• Chaleur latente : Q = m × L_v
• Effet refroidissant : L'évaporation absorbe de la chaleur du corps
• Humidité : Plus l'humidité est élevée, plus l'évaporation est difficile
Bilan thermique : Équilibre entre la production interne de chaleur et les pertes thermiques.
~100W en repos, ~1000W en effort intense
~10-15W vers objets en contact
~20-30W en conditions normales, variable avec le vent
~60W en conditions normales (température ambiante ~20°C)
Variable selon l'activité, ~10-20W en repos, jusqu'à 300W en effort intense
Le bilan thermique est équilibré lorsque la production interne égale la somme de toutes les pertes thermiques, assurant une température corporelle constante.
• Conservation de l'énergie : Production = Somme des pertes
• Équilibre dynamique : Le corps ajuste les mécanismes de perte selon les conditions
• Régulation : Température constante grâce à des ajustements physiologiques
Régulation thermique : Ensemble de mécanismes pour maintenir la température corporelle constante.
Les thermorécepteurs cutanés et centraux détectent l'hyperthermie
Augmentation du flux sanguin vers la peau pour favoriser les échanges thermiques
Sécrétion de sueur pour favoriser le refroidissement par évaporation
Muscles détendus, diminution de l'activité pour réduire la production de chaleur
Environnement trop chaud ou trop humide limite l'efficacité des mécanismes
En cas de chaleur, le corps active la vasodilatation, la sudation et réduit la production métabolique pour dissiper la chaleur excédentaire.
• Thermorégulation : Boucle de rétroaction négative
• Vasodilatation : Augmentation du diamètre des vaisseaux sanguins
• Sudation : Sécrétion de sueur pour refroidissement par évaporation
Réaction au froid : Ensemble de mécanismes pour conserver la chaleur corporelle.
Les thermorécepteurs cutanés et centraux détectent l'hypothermie
Réduction du flux sanguin vers la périphérie pour conserver la chaleur centrale
Contractions musculaires involontaires pour produire de la chaleur
Activation du tissu adipeux brun pour produire de la chaleur
Recherche de sources de chaleur, adoption de postures pour minimiser la surface exposée
En cas de froid, le corps active la vasoconstriction, le frissonnement et la thermogenèse pour réduire les pertes et augmenter la production de chaleur.
• Vasoconstriction : Réduction du diamètre des vaisseaux sanguins
• Frisonnement : Contractions musculaires pour produire de la chaleur
• Thermogenèse : Production de chaleur par activation métabolique
Effort physique : Augmentation de la production de chaleur par les muscles.
Les muscles produisent 75% d'énergie sous forme de chaleur pendant l'effort
Production de 500-1000W en effort intense, nécessitant des mécanismes de refroidissement
Augmentation du flux sanguin pour transporter la chaleur vers la surface
Production de sueur pour favoriser l'évaporation et le refroidissement
Environnement chaud/humide limite l'efficacité, risque de déshydratation
Pendant l'effort, le corps produit beaucoup de chaleur (75% de l'énergie dépensée), nécessitant des mécanismes de dissipation intenses pour éviter la surchauffe.
• Rendement musculaire : ~25% utile, ~75% thermique
• Vasodilatation : Redistribution du sang vers la surface
• Sudation : Principal mécanisme de refroidissement en effort
Transfert dans l'eau : Conductivité thermique 25 fois supérieure à celle de l'air.
λ_eau = 0,6 W.m⁻¹.K⁻¹ vs λ_air = 0,024 W.m⁻¹.K⁻¹
Convection naturelle plus efficace dans l'eau que dans l'air
L'eau absorbe les rayonnements infrarouges, rendant ce mode de transfert négligeable
Grande surface corporelle exposée, perte de chaleur rapide
Néoprène, combinaisons, limitation du temps d'exposition
Dans l'eau, les transferts thermiques sont dominés par la conduction et la convection, avec une perte de chaleur 25 fois plus rapide qu'en air.
• Conductivité : L'eau est 25 fois plus conductrice que l'air
• Rayonnement : Négligeable dans l'eau (absorption des IR)
• Isolation : Les combinaisons réduisent la conductivité
Énergie thermique : Quantité de chaleur échangée selon les lois de la thermodynamique.
Surface corporelle (~1,8m²), température corporelle (37°C), température ambiante
Φ_ray = σ × S × ε × (T⁴ - T₀⁴) = 5,67×10⁻⁸ × 1,8 × 0,98 × (310⁴ - 293⁴) ≈ 90W
Φ_conv = h × S × (T_skin - T_air) = 10 × 1,8 × (34 - 20) = 252W
Φ_evap = m_dot × L_v = 0,001 × 2,26×10⁶ = 2260W (maximum)
Total ≈ 100W en repos, avec prédominance du rayonnement (~60W) et convection (~20W)
En conditions normales, le corps humain échange ~100W thermiquement : 60W par rayonnement, 20W par convection, 10W par évaporation, et 10W par conduction.
• Conservation de l'énergie : Bilan thermique équilibré à l'équilibre
• Calculs : Application des lois de transfert thermique
• Ordres de grandeur : Rayonnement dominant en conditions normales
