Thermodynamique Et métabolisme Humain

- 1 -

Chapitre 4: Thermodynamique et métabolisme humain

La nourriture absorbée sert aussi bien à maintenir constante la température du corps

(production de chaleur), qu'à fournir l'énergie pour effectuer un certain nombre de travaux:

respiration, circulation du sang, travail musculaire, etc. Afin de clarifier les notions de

"chaleur", d'énergie et de travail, nous commencerons tout d'abord par étudier les principes de

base de la thermodynamique qui traitent de l'énergie et de ses transformations. Le premier

principe énonce la conservation de l'énergie; le deuxième principe s'attache à la description de

la différence fondamentale qu'il y a entre chaleur et travail.

4.1 Introduction

En thermodynamique, l'analyse porte sur un ensemble bien défini (gaz dans une bouteille, eau

dans l'océan, corps humain) que l'on nomme système. On s'intéresse dès lors aux échanges

possibles entre le système en question et le milieu extérieur. Ces échanges peuvent avoir lieu

sous forme de travail, de chaleur, d'irradiation par des ondes, etc. S'il n'y a pas d'échange avec

l'extérieur , le système est dit isolé (ou fermé).

L'utilité de la thermodynamique réside dans le fait que ce mode d'approche est très général,

qu'il permet de relier entre elles différentes grandeurs macroscopiques facilement mesurables

(température, volume, pression), sans devoir connaître les détails microscopiques d'un

système généralement constitué d'un nombre énorme de particules.

Dans ce qui suit on considérera tout d'abord comme système un gaz parfait (c'est le système le

plus simple). Puis comme application, le corps humain.

4.2 Premier principe

Prenons comme système un gaz enfermé dans une bouteille. On peut le comprimer - ce qui

revient à fournir du travail (A) au système. On peut aussi le chauffer en trempant la bouteille

dans de l'eau chaude - ce qui revient à fournir de la chaleur (Q) au système. Dans les deux cas

la température du système gaz va croître. L'interprétation microscopique que l'on peut en

donner ici, est que la vitesse moyenne d'agitation des molécules de gaz et donc leur énergie

cinétique a augmenté, c'est-à-dire que l'énergie interne (ΔU) du système a augmenté.

On peut écrire le premier principe sous la forme suivante, en supposant que l'on fournit de la

chaleur à un gaz, ce qui conduit à l'augmentation de sa température et à sa dilatation:

€

Q↓ = ΔU + A↑ où

Q est la chaleur fournie au système

ΔU est la variation d'énergie interne

A est travail fournie par le système.

Notons que:

• Q et A sont des grandeurs d'échange.

• On appelle chaleur la quantité d'énergie transférée à cause d'une différence de

température.

• Toutes ces grandeurs s'expriment en Joule.

Thermodynamique et métabolisme

- 2 -

4.3 Premier principe et gaz parfait

Lorsque le système est un gaz parfait, on peut calculer facilement un certain nombre de

grandeurs caractéristiques. En particulier:

Energie interne U: nous avons vu (Cours Physique de la Terre) que chaque degré de liberté

porte une énergie

€

E =

1

2

kT où k est la constante de Boltzmann et T la température absolue du

gaz. Chaque molécule d'un gaz parfait possédant selon les cas (mono, di, pluri atomique) un

nombre de degrés de liberté égal à i, l'énergie cinétique d'une molécule vaut :

€

Ecin =

i

2

kT .

L'énergie cinétique totale de n moles de gaz- qui représente donc l'énergie interne du gaz - est

alors donnée par:

Energie interne=

€

Ecin

tot = n ⋅ NA ⋅

i

2

kT =

i

2

nRT , soit:

€

U =

i

2

nRT.

La variation d'énergie interne s'exprime comme:

€

ΔU =

i

2

nR ⋅ ΔT . Cette variation est nulle lors

d'une transformation

...