La machine humaine. Marcel Lacroix Université de Sherbrooke

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1 La machine humaine Marcel Lacroix Université de Sherbrooke

2 Corps humain 100 x cellules de ~ 0.01 mm! ~ 63% hydrogène; cellules sanguines ~ 25.5% oxygène; ~ 9.5% carbone; ~ 1.4% azote; ~ 0.6% vingtaine éléments; 72% de la masse en eau. M. Lacroix Humain 2

3 Charpente M. Lacroix Humain 3

4 Moteurs à combustion M. Lacroix Humain 4

5 Système d alimentation en combustible M. Lacroix Humain 5

6 Ordinateur central M. Lacroix Humain 6

7 Réseau de transport et de distribution électrique M. Lacroix Humain 7

8 Système d épuration des eaux usées M. Lacroix Humain 8

9 Système de ventilation M. Lacroix Humain 9

10 Système de contrôle M. Lacroix Humain 10

11 Système de circulation M. Lacroix Humain 11

12 Usine d assemblage M. Lacroix Humain 12

13 Métabolisme C est la conversion en chaleur de l énergie chimique stockée dans les aliments par les 100 millions de millions de cellules du corps humain! (Métabolisme) = (Travail) + (convection + rayonnement + évaporation) peau + (convection + évaporation) respiration M. Lacroix Humain 13

14 Rendement du corps humain Le corps humain n est pas un système efficace pour transformer l énergie chimique stockée dans les aliments (métabolisme) en travail mécanique: ( Travail) η = 5% ( Métabolisme) La quasi-totalité de l énergie stockée dans les aliments est transformée en chaleur. M. Lacroix Humain 14

15 Métabolisme: activités* Activité physique Puissance (W) Au repos Au bureau La marche La danse sociale Le travail manuel modéré Le travail manuel intense Les sports intenses * AHHRAE Handbook Fundamentals, chapter 8 M. Lacroix Humain 15

16 Métabolisme: Rejets moyens quotidiens du corps humain* Type de rejet Quantité Phase Eau évaporée (peau) 350 ml gaz Eau évaporée (respiration) 350 ml gaz Eau transpirée 100 ml gaz Eau des excréments 100 ml liquide Eau de l urine 1400 ml liquide Eau totale 2300 ml liquide Gaz carbonique (250 ml/min) 360 litres gaz * Medical Physiology, Guyton & Hall, 10th Edition M. Lacroix Humain 16

17 Métabolisme: rejets moyens annuels du corps humain Type de rejet Eau (gaz) Gaz carbonique (gaz) Gaz à effet de serre: total Eau à traiter (liquide) Rejets totaux Quantité ~ 300 kg ~ 260 kg ~560 kg ~ 550 kg ~ 1110 kg M. Lacroix Humain 17

18 Vivre c est polluer Sans prendre en compte son alimentation, son logement, son transport et toutes ses activités, une personne rejette de son corps plus d une tonne de déchets par année dont au moins une demi tonne de gaz à effet de serre! M. Lacroix Humain 18

19 Aliments: observations 1. Les aliments consommés sont constitués principalement de carbone, d hydrogène et d oxygène. 2. Ces aliments peuvent aussi contenir de l azote, du soufre et des traces d autres éléments. 3. L air inspiré est constitué d azote et d oxygène. 4. Les gaz expirés sont l azote, la vapeur d eau et le gaz carbonique. M. Lacroix Humain 19

20 Combustibles: observations 1. Les combustibles utilisés (bois, charbon, pétrole, gaz, éthanol, biodiésel) sont constitués principalement de carbone, d hydrogène et d oxygène. 2. Ces combustibles peuvent aussi contenir de l azote, du soufre et des traces d autres éléments. 3. Les combustibles brûlent dans l air en rejetant principalement de la vapeur d eau et du gaz carbonique. M. Lacroix Humain 20

21 Aliments et combustibles 1. La culture du riz, de l avoine et du maïs représente les deux tiers de l agriculture mondiale. C est de l énergie solaire, la plus concentrée et transportable, stockée sous forme d hydrates de carbone. 2. Les combustibles fossiles sont la principale source d énergie dans le monde. C est de l énergie solaire, la plus concentrée et transportable, stockée sous forme d hydrocarbures. M. Lacroix Humain 21

22 ( ALIMENT ) + Combustion alimentaire O 2 CO 2 + H 2 O + ÉNERGIE Broyeur Réacteur discontinu Réacteur tubulaire Moteurs à combustion: muscles M. Lacroix Humain 22

23 Combustion fossile ( COMBUSTIBL E) O CO + H O ÉNERGIE M. Lacroix Humain 23

24 Énergie libérée: remarques 1. L énergie libérée (chaleur) par les aliments ou par les combustibles est semblable. Elle est mesurée dans un calorimètre. M. Lacroix Humain 24

25 Énergie libérée: remarques 2. L unité d énergie souvent retenue est la calorie ~ 4,18 Joules calorie alimentaire = 1000 calories. M. Lacroix Humain 25

26 Énergie libérée: remarques 4. La consommation quotidienne minimale d un adulte est environ 2000 calories alimentaires soit ~ énergie consommée par une ampoule de 100 Watts fonctionnant pendant 24 heures: (2,4kWh 3,6 10 (4,18J / cal) 6 J (1000cal / kwh) / cal. ali) 2000cal. ali M. Lacroix Humain 26

27 Énergie dans les aliments Aliment Cal.alim./g kj/kg kwh/kg amande ~ 5 ~ ~ 5,8 pomme ~ 0,32 ~ ~ 0,37 banane ~ 0,74 ~ ~ 0,86 pain ~ 1,9 ~ ~ 2,2 cheddar ~ 3,7 ~ ~ 4,3 poulet ~ 1,2 ~ ~ 1,4 chocolat ~ 4,5 ~ ~ 5,2 saumon ~ 1,7 ~ ~ 2,0 huile végétale* ~ 8 ~ ~ 9,3 * diesel: kj/kg; essence: kj/kg; M. Lacroix Humain 27

28 Thermodynamique du corps humain 1 ère loi: conservation de la quantité d énergie Corps humain Calories stockées Calories entrantes = - Calories sortantes 2 ème loi: dégradation de la qualité de l énergie M. Lacroix Humain 28

29 Puisque la combustion d un aliment est semblable à celle d un combustible fossile, alors pourquoi ne peut-on pas se nourrir de charbon, de pétrole ou de gaz naturel? M. Lacroix Humain 29

30 Question de catalyseur 1. Digestion des aliments: les protéines, les hydrates de carbone et les gras sont cassées, par l action de l eau (hydrolyse) en acides aminés, sucres et acides gras respectivement. 2. Réaction d hydrolyse est possible à basse température grâce à l effet d un catalyseur: les enzymes. M. Lacroix Humain 30

31 Question de catalyseur 3. On ne peut digérer le charbon, le pétrole ou le gaz naturel faute des enzymes nécessaires aux réactions chimiques. 4. Certaines gens sont démunies de l enzyme lactase. Elles ne peuvent digérer les sucres dans le lait, le lactose. 5. Des recherches sont en cours pour développer des bactéries munies d enzymes leur permettant de digérer du charbon ou du pétrole M. Lacroix Humain 31

32 Question de catalyseur 6. Néanmoins, il faut consommer l équivalent de 1500 litres de pétrole par année pour nourrir un seul nordaméricain*. *Eating Fossil Fuels, D.A. Allen, The Wilderness Publications, 2004 M. Lacroix Humain 32

33 D où vient l énergie contenue dans les aliments? M. Lacroix Humain 33

34 Énergie solaire stockée 1. L énergie contenue dans les aliments est de l énergie solaire stockée. 2. L énergie solaire est transformée en énergie chimique via la réaction chimique appelée photosynthèse: CO + H O + SOLEIL) 2 2 ( C H O O + x y z (sucres) 2 M. Lacroix Humain 34

35 Où va l énergie dans la préparation des aliments? 31%: production des engrais. 19%: alimentation des machines. 16%: transport. 13%: irrigation. 8%: élevage. 5%: séchage des céréales. 5%: préparation des pesticides. M. Lacroix Humain 35

36 Procédé Haber-Bosch Fritz Haber, Nobel de chimie, 1918 Carl Bosch, Nobel de chimie, 1931 N + 3H 2NH + 2( g ) 2( g ) 3 CHALEUR Sels d ammonium et urée: engrais Nitrates: explosifs M. Lacroix Humain 36

37 CONSOMMATION D ÉNERGIE (kwh par habitant et par jour*) Période Société A B C D Total ans primitive ans chasseur ans agriculture pri agriculture ava industriel technologique A:alimentation; B:chauffage central; C:industrie et agriculture; D:transport. *Energy Flow in an Industrial Society, Scientific American, E. Cook, 225 (3), M. Lacroix Humain 37

38 Puisqu il n y a pas de différence entre l énergie libérée par un aliment et un combustible, alors pourquoi ne s enflamme-t-on pas en mangeant? M. Lacroix Humain 38

39 Question de temps 1. L énergie thermique libérée par les aliments et les combustibles est semblable en effet. 2. Les combustibles s enflamment car l énergie est libérée dans un court laps de temps (grande puissance). C est la réaction de combustion. 3. On ne s enflamme pas car l énergie des aliments est libérée pendant un laps de temps beaucoup plus long (faible puissance). C est la réaction d oxydation. M. Lacroix Humain 39