⚛ Physique-chimie pour la santé · Physique Terminale STI2S · Chapitre 3

Transferts thermiques et régulation de la température

Énergie thermique et capacité thermique, changements d'état, modes de transfert, flux et résistance thermique, échanges du corps humain, thermorégulation, hypothermie et hyperthermie.

1. Énergie thermique

Propriété

Pour élever de $\Delta\theta$ la température d'une masse $m$ de capacité thermique massique $c$ : $Q = m\,c\,\Delta\theta$ ($c = 4\,180$ J·kg?¹·°C?¹ pour l'eau, environ $3\,500$ pour le corps humain). Lors d'un changement d'état : $Q = m\,L$ ; l'évaporation de l'eau à la surface de la peau absorbe environ $L_v = 2{,}4 \times 10^6$ J/kg.

2. Transferts thermiques

Définition

Un transfert thermique se fait spontanément du corps chaud vers le corps froid, par conduction (contact), convection (mouvement d'un fluide) ou rayonnement (infrarouge, même dans le vide). Le flux thermique $\Phi = \dfrac{Q}{\Delta t}$ (W) à travers une paroi vaut $\Phi = \dfrac{\Delta\theta}{R_\text{th}}$ ; des couches successives ont des résistances qui s'additionnent.

37 °Crayonnement (IR)convection (air)évaporation (sueur)conduction (contact)
Le corps échange de l'énergie thermique avec son environnement par rayonnement, convection, conduction et évaporation.

3. Thermorégulation

Propriété

La température centrale du corps est maintenue vers $37\,{}^\circ\text{C}$ : par temps chaud, vasodilatation et transpiration augmentent les pertes ; par temps froid, vasoconstriction et frissons (production de chaleur) les limitent. En dessous de $35\,{}^\circ\text{C}$ on parle d'hypothermie, au-delà de $40\,{}^\circ\text{C}$ d'hyperthermie.

Expérience · Comparer des refroidissements

Matérieldeux béchers de $250$ mL d'eau à $70\,{}^\circ\text{C}$, l'un entouré de laine (ou de couverture de survie), deux thermomètres, chronomètre.
ProtocoleOn relève la température de chaque bécher toutes les $5$ min pendant une heure.
102030405060102030405060700t (min)? (°C)sans isolantavec isolant
Refroidissement d'un bécher d'eau chaude : l'isolant (plus grande résistance thermique) ralentit nettement la baisse de température.
ObservationL'eau du bécher nu descend à $30\,{}^\circ\text{C}$ en une vingtaine de minutes ; celle du bécher isolé n'y arrive qu'au bout d'une heure environ.
InterprétationL'isolant augmente la résistance thermique et réduit le flux perdu. C'est le principe des vêtements chauds et de la couverture de survie (qui réfléchit en plus le rayonnement infrarouge).

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Exercices corrigés

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1

Transpiration

★★☆

Pendant un effort, un sportif évapore $0{,}5$ kg de sueur. Quelle énergie thermique évacue-t-il ainsi ?

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2

Réchauffer une perfusion

★★☆

Quelle énergie faut-il pour réchauffer $0{,}50$ kg de soluté (assimilé à de l'eau) de $20\,{}^\circ\text{C}$ à $37\,{}^\circ\text{C}$ ?

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3

Modes de transfert

★☆☆

Identifier le mode de transfert : a) poche de glace sur la peau ; b) couverture de survie ; c) ventilateur.

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4

Chauffer de l'eau

★☆☆

Énergie pour chauffer $2{,}0$ kg d'eau de $20$ à $40\,{}^\circ\text{C}$ ?

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5

Température normale

★☆☆

Quelle est la température centrale normale du corps ? Que signifient $34\,{}^\circ\text{C}$ et $41\,{}^\circ\text{C}$ ?

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6

Reconnaître une hypothermie

★☆☆

Pourquoi un randonneur mouillé et exposé au vent risque-t-il l'hypothermie ?

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7

Couverture de survie

★☆☆

Comment une couverture de survie limite-t-elle les pertes thermiques ?

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8

Énergie évacuée par la sueur

★★☆

Quelle énergie évacue l'évaporation de $200$ g de sueur ?

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9

Puissance thermique au repos

★★☆

Au repos, le corps évacue environ $100$ W. Énergie évacuée en une journée ?

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10

Flux à travers un vêtement

★★☆

Un vêtement a une résistance thermique de $0{,}15$ K/W. Flux perdu si la peau est à $33\,{}^\circ\text{C}$ et l'air à $18\,{}^\circ\text{C}$ ?

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11

Superposer des couches

★★☆

On ajoute un pull de résistance $0{,}10$ K/W. Nouveau flux ?

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12

Bain froid

★★★

Énergie perdue par un corps de $70$ kg ($c = 3\,500$ J·kg?¹·°C?¹) dont la température baisse de $1\,{}^\circ\text{C}$ ?

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13

Énergie d'une fièvre

★★☆

Quelle énergie faut-il pour élever de $2\,{}^\circ\text{C}$ la température d'un corps de $70$ kg ?

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14

Exploiter les courbes

★★☆

Sur la figure de l'expérience, au bout de combien de temps l'eau du bécher nu atteint-elle $40\,{}^\circ\text{C}$ ? Et celle du bécher isolé ?

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15

Lutter contre la chaleur

★☆☆

Citer deux mécanismes de thermorégulation par forte chaleur.

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16

Couveuse

★★☆

Pourquoi les nouveau-nés, surtout prématurés, se refroidissent-ils vite ?

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17

Poche de glace

★★☆

Énergie absorbée par la fusion de $50$ g de glace ($L_f = 334$ kJ/kg) ?

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18

Matériaux conducteurs

★☆☆

Pourquoi une barre métallique paraît-elle plus froide qu'un morceau de bois à la même température ?

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19

Kelvins

★☆☆

Convertir $37\,{}^\circ\text{C}$ et $-18\,{}^\circ\text{C}$ en kelvins.

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20

Vrai ou faux

★★☆

a) Le rayonnement nécessite un contact. b) Transpirer refroidit le corps. c) Les frissons produisent de la chaleur.

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