Bilan thermique humain

Rester assis ne signifie pas arrêter de dépenser de l’énergie. Les cellules maintiennent leurs échanges, renouvellent leurs constituants et assurent des fonctions vitales. Le métabolisme désigne l’ensemble de leurs transformations chimiques. Les molécules organiques apportées par l’alimentation peuvent être transformées, notamment par respiration cellulaire. Leur énergie chimique contribue au fonctionnement de l’organisme et se retrouve finalement en grande partie sous forme thermique.

La température interne du corps humain est régulée autour d’une valeur proche de 37 °C, avec des variations selon l’heure, l’activité et la méthode de mesure. Une température stable ne prouve donc pas une absence de production thermique. Elle peut résulter d’une compensation entre l’énergie dégagée par le métabolisme, les apports éventuels du milieu et les pertes vers ce milieu.

Il faut distinguer deux écritures. Dans un bilan global d’énergie du corps, l’énergie chimique entre notamment par les aliments ; les conversions métaboliques se déroulent à l’intérieur. Dans un bilan limité à l’énergie thermique corporelle, ces conversions constituent un terme qui alimente cette énergie thermique. Additionner l’énergie des aliments et toute leur conversion métabolique comme deux entrées indépendantes compterait deux fois le même apport.

La puissance est une énergie rapportée à une durée. Une puissance de 100 W correspond à 100 J chaque seconde ; ce nombre fournit un ordre de grandeur d’exercice au repos, pas une mesure universelle de toutes les personnes. La dépense varie avec l’activité, la masse, les conditions extérieures et d’autres facteurs. On utilise donc les valeurs données et les hypothèses explicites de chaque problème.

La surface du corps échange avec son environnement de plusieurs façons. La conduction est un transfert par contact, par exemple avec un siège ou l’eau d’un bain. La convection intervient lorsque de l’air ou de l’eau en mouvement renouvelle le fluide au contact de la peau. Le rayonnement permet un échange à distance avec les surfaces environnantes. Enfin, l’évaporation de l’eau consomme de l’énergie.

Pour la conduction et la convection, le sens du transfert dépend notamment de la différence de température. Au contact d’un milieu plus froid, le corps perd de l’énergie ; un milieu plus chaud peut lui en apporter. Le rayonnement net dépend aussi des températures des surfaces qui entourent le corps. On peut recevoir du rayonnement solaire même si l’air est frais ; la température de l’air ne décrit donc pas toute la situation thermique.

La sueur refroidit efficacement lorsqu’elle s’évapore. Une goutte qui tombe sans s’évaporer sur la peau ne retire pas la même énergie par changement d’état. Un air très humide limite l’évaporation ; le vent peut la favoriser tout en modifiant la convection. La transpiration et l’évaporation sont liées mais ne sont pas des mots interchangeables.

Le corps adapte certains échanges et certaines productions : la circulation sanguine près de la peau peut varier, la transpiration participe à l’évacuation thermique et les frissons augmentent les conversions métaboliques. Ces mécanismes ont des limites. Un vêtement modifie les échanges en emprisonnant de l’air et en limitant certains transferts ; il ne constitue pas, à lui seul, une source permanente d’énergie.

Pour un modèle simple, notons Pm la puissance thermique issue du métabolisme, Pe les apports thermiques extérieurs et Ps les pertes thermiques. Le bilan de puissance vaut Pm + Pe − Ps. Si ce nombre est positif, l’énergie thermique du corps augmente ; s’il est négatif, elle diminue. S’il est nul, elle reste constante dans les hypothèses du modèle.

Sur une durée pendant laquelle ces puissances sont constantes, la variation d’énergie thermique vaut ΔE = (Pm + Pe − Ps) × Δt. Cette écriture est un outil de comptabilité énergétique. Une variation de température exigerait une relation supplémentaire reliant l’énergie thermique à la masse et aux propriétés du corps. Il serait donc incorrect d’annoncer des degrés à partir des seuls watts.

Un résultat positif ne permet pas d’extrapoler indéfiniment une droite à un être humain réel. Si sa température et sa transpiration évoluent, ses échanges ne restent pas nécessairement constants. Le graphique représente donc une hypothèse de calcul sur une durée donnée. Savoir reconnaître cette limite fait partie de l’interprétation scientifique, au même titre que le calcul lui-même.

La dépense énergétique peut être étudiée par des mesures de chaleur ou estimée à partir d’échanges respiratoires avec des hypothèses adaptées. Une mesure expérimentale exige de préciser l’appareil, la durée, le nombre de personnes et les conditions. Une valeur moyenne de groupe ne devient pas automatiquement celle d’une personne donnée.

Les données alimentaires peuvent être mises en relation avec une dépense sur une même durée. Ce rapprochement est un bilan d’énergie, sans être une description complète de l’équilibre nutritionnel. L’organisme a également besoin de nutriments qui ne se réduisent pas à une quantité de joules. Un seul repas et une seule activité ne suffisent pas à caractériser un équilibre durable.