Le bilan thermique du corps humain : cours de Première

Quand tu restes immobile dans une pièce, tu ne sens ni chaud ni froid, et pourtant ton corps n'est pas « au repos » sur le plan énergétique. À chaque seconde, il fabrique de l'énergie thermique et il en cède à son environnement. Dans le chapitre sur le Soleil, tu as étudié le rayonnement solaire, le bilan radiatif de la Terre et la photosynthèse. Tu as donc déjà rencontré l'idée centrale de ce cours : un système qui reçoit de l'énergie et qui en perd peut garder une température stable, à condition que les deux flux se compensent.

Les ressources pédagogiques officielles rapprochent d'ailleurs des systèmes très différents, le Soleil, la Terre et le corps humain, parce que le même type de raisonnement s'applique à chacun : on compte ce qui entre, on compte ce qui sort, et on regarde ce qui reste. ¹

Dans ce cours, tu vas apprendre à :

• expliquer d'où vient l'énergie thermique du corps ;
• distinguer les différentes voies par lesquelles il en perd ;
• écrire et utiliser un bilan de puissances ;
• décrire les réactions de l'organisme face au froid et à la chaleur ;
• comprendre ce qu'on appelle le confort thermique.

Tout corps stocke de l'énergie sous plusieurs formes. L'une d'elles est liée à l'agitation des particules qui le composent : on la relie à la température absolue du corps, et on parle d'énergie cinétique ou d'énergie thermique. ¹ Plus cette agitation est vive, plus la température est élevée.

Pour décrire des échanges qui durent dans le temps, on utilise la notion de puissance.

Le corps humain n'est pas un simple objet chaud qui refroidit. Il contient des cellules qui transforment en permanence l'énergie chimique des aliments. La chaleur dégagée par la respiration cellulaire ou par les fermentations compense l'énergie que le corps libère vers l'extérieur, et c'est ce qui permet à la température du corps de rester stable. ¹

Cet ensemble de transformations chimiques porte le nom de métabolisme. Il dépend de l'individu et de son activité : un effort physique en augmente l'intensité, et donc la chaleur produite. ⁴ Au repos, dans la vie de tous les jours, un corps humain libère une puissance thermique de l'ordre de 100 W. ¹

Le lien avec ton cours sur la photosynthèse est direct. Les aliments que tu consommes contiennent de l'énergie chimique qui provient, en dernière analyse, de la conversion biologique de l'énergie solaire. L'énergie qui réchauffe ton corps est donc, par une longue chaîne, de l'énergie venue du Soleil.

Pour garder une température constante, le corps doit compenser ce qu'il reçoit ou fabrique par ce qu'il cède : c'est le principe de la thermorégulation. ² Voyons maintenant par où l'énergie s'échappe.

Cette voie pèse lourd dans le total : en situation courante, près de six dixièmes de l'énergie thermique que perd le corps partent sous forme de rayonnement. ²

Pourquoi ne vois-tu pas ce rayonnement ? À température ambiante, la plus grande partie de l'énergie émise appartient à l'infrarouge, invisible pour l'œil. ⁵ Lorsqu'un objet chauffe, la longueur d'onde de son émission raccourcit : il passe par un rouge sombre, puis s'approche d'un blanc légèrement bleuté et très lumineux. ⁵ La lumière visible devient abondante seulement vers 500 °C ou davantage. ⁵ Ton corps reste bien plus froid que cela : il n'émet que dans l'infrarouge.

Les échanges de chaleur entre le corps et l'ambiance ne se limitent pas au rayonnement. Ils font aussi intervenir la conduction (contact direct avec un objet ou le sol) ³, la convection (échange avec l'air qui circule au contact de la peau), l'évaporation de la sueur et l'intensité de la respiration. Ces échanges dépendent de la température de l'air, de son humidité relative et de l'activité métabolique, et on les exprime souvent en watts par mètre carré de surface corporelle. ⁴

Pour résumer ces échanges, on compare la puissance produite et la puissance perdue. Les ressources officielles évoquent d'ailleurs la puissance thermique nette perdue par le corps dans la vie courante, de l'ordre de 100 W. ² Ici, on compare cette perte à la puissance produite par le métabolisme.

Cette règle traduit exactement l'idée énoncée plus haut : la température du corps reste stable parce que l'énergie libérée est compensée par celle que dégage la respiration cellulaire ou les fermentations. ¹ Sur une durée $\Delta t$, la variation d'énergie thermique du corps vaut :

$\Delta E = P_{\text{nette}} \times \Delta t$

L'être humain fait partie des homéothermes : ces êtres vivants régulent leur température corporelle par des moyens physiologiques, contrairement aux poïkilothermes, dont la température suit celle du milieu. ⁴ Cette capacité leur offre une meilleure faculté d'adaptation. ⁴

Quand l'environnement s'écarte des conditions d'équilibre, plusieurs mécanismes se déclenchent. Il faut les connaître en distinguant les deux situations.

Contre le refroidissement, l'organisme recourt à la vasoconstriction, à la chair de poule et aux tremblements. Contre la surchauffe, il utilise la vasodilatation et la sueur. ⁴

Cela explique l'observation courante : quand tu as chaud, ta peau est plus chaude, en particulier aux mains et aux pieds. ³ Les tremblements, eux, sont des contractions musculaires qui augmentent la production de chaleur ; la sueur, en s'évaporant, refroidit la peau.

Il y a donc deux grandes stratégies : réduire les pertes (vasoconstriction, chair de poule) ou augmenter la production (tremblements) quand il fait froid ; augmenter les pertes (vasodilatation, sueur) quand il fait chaud.

Plusieurs paramètres interviennent. Du côté de la personne : sa sensibilité, son habillement, son métabolisme et son activité physique. Du côté de l'environnement : la température de l'air et des parois, les mouvements d'air et l'humidité. ⁴ Au-delà d'un certain déséquilibre, l'individu ressent de l'inconfort, notamment parce qu'il doit réagir pour le réduire. ⁴

La température de confort n'est pas la même pour tout le monde. Un métabolisme plus rapide permet de mieux supporter des températures plus basses. ⁴ Deux personnes dans la même pièce peuvent donc ne pas ressentir la même chose.

Pour traiter un exercice sur le bilan thermique du corps humain, tu peux suivre le même raisonnement que pour un bilan radiatif planétaire : identifier les flux entrants et sortants, les comparer, conclure sur l'évolution de la température.

Trois idées doivent rester claires :

1. le corps produit de l'énergie thermique par son métabolisme ; ¹
2. il en perd par rayonnement, pour environ 60 % dans les conditions usuelles, mais aussi par convection, évaporation et respiration ; ²⁴
3. la thermorégulation et les vêtements permettent de maintenir l'équilibre.

Le rapprochement avec les autres chapitres est précieux : le Soleil, la Terre et le corps humain obéissent à la même logique de bilans d'énergie. ¹