La machine humaine. Marcel Lacroix Université de Sherbrooke
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- Didier St-Amour
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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 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 Corps humain: machine thermique inefficace Rendement thermique: η = ( Travail) ( Métabolisme) 5% M. Lacroix Humain 14
15 Puissance métabolique: Loi de Kleiber Puissance métabolique (W) Lapin Renard Homme Ours Cheval P = 3,52m 0,75 Éléphant Masse (kg) M. Lacroix Humain 15
16 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 16
17 Puissances comparées 100W 1 500W 100 W 1 000W 100kW M. Lacroix Introduction 17
18 Rejets 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 Source: Medical Physiology, Guyton & Hall, 10th Edition M. Lacroix Humain 18
19 Rejets 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 19
20 Si vous respirez, vous polluez! M. Lacroix Humain 20
21 Aliments versus Combustibles Caractéristiques Aliments Combustibles Eléments principaux Eléments secondaires C, H, O C, H, O S, N, S, N, Gaz inspirés N 2, O 2 N 2, O 2 Gaz expirés H 2 O, CO 2, N 2 H 2 O, CO 2, N 2 M. Lacroix Humain 21
22 Aliments versus Combustibles Aliments Riz, avoine et maïs 2/3 agriculture mondiale Hydrates de carbone Combustibles Charbon, pétrole et gaz 85% énergie primaire mondiale Hydrocarbures M. Lacroix Humain 22
23 ( ALIMENT ) + Combustion alimentaire O 2 CO 2 + H 2 O + ÉNERGIE Broyeur Réacteur discontinu Réacteur tubulaire Moteurs à combustion: muscles M. Lacroix Humain 23
24 Combustion fossile ( COMBUSTIBL E) O CO + H O ÉNERGIE M. Lacroix Humain 24
25 Énergie libérée: remarques 1. Oxydation des aliments ou des combustibles : chaleur dégagée. Calorimètre M. Lacroix Humain 25
26 Énergie libérée: remarques 2. Unité d énergie souvent retenue: la calorie ~ 4,18 Joules calorie alimentaire = 1000 calories. M. Lacroix Humain 26
27 Énergie libérée: remarques 4. Consommation quotidienne minimale d un adulte ~ 2000 calories alimentaires = énergie électrique consommée par une ampoule de 100 Watts fonctionnant pendant 24 heures: 100 W (2,4kWh (4,18J / cal) 6 3,6 10 J (1000cal / kwh) / cal. ali) 2000cal. ali M. Lacroix Humain 27
28 Énergie stockée dans les aliments Aliment Cal.alim./g MJ/kg kwh/kg amande ~ 5 ~ 21,0 ~ 5,8 pomme ~ 0,32 ~ 1,4 ~ 0,4 banane ~ 0,74 ~ 3,1 ~ 0,9 pain ~ 1,9 ~ 8,0 ~ 2,2 fromage ~ 3,7 ~ 15,5 ~ 4,3 poulet ~ 1,2 ~ 5,0 ~ 1,4 chocolat ~ 4,5 ~ 19,0 ~ 5,2 saumon ~ 1,7 ~ 7,1 ~ 2,0 huile végétale* ~ 8 ~ 33,5 ~ 9,3 * diesel: 47 MJ/kg; essence: 48 MJ/kg; M. Lacroix Humain 28
29 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 29
30 D où vient l énergie contenue dans les aliments? M. Lacroix Humain 30
31 Énergie solaire stockée 1. Énergie chimique contenue dans les aliments : énergie solaire stockée. 2. Conversion énergie solaire en énergie chimique: photosynthèse CO + + H O ( SOLEIL) 2 2 C H O + x y z O 2 (sucres) M. Lacroix Humain 31
32 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 32
33 Digestion des aliments Protéines Hydrates de carbone Gras Procédé à basse température: hydrolyse Procédé possible grâce à un catalyseur: enzymes Acides aminés Sucres Acides gras M. Lacroix Humain 33
34 Question de catalyseur On ne peut digérer le charbon, le pétrole ou le gaz naturel faute d enzymes nécessaires aux réactions chimiques. Sans l enzyme lactase, on ne peut digérer les sucres dans le lait, le lactose. M. Lacroix Humain 34
35 Néanmoins Pays Énergie totale (kwh/hab.jour) Énergie Renouvelable Islande % Luxembourg 323 1% Canada % Suède % Québec % France 140 7% Allemagne 133 6% Danemark % Suisse % Métabolisme quotidien: 100 W x 24 h = 2,4 kwh 35
36 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 36
37 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 37
38 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 38
39 Puisqu il n y a pas de différence entre la chaleur dégagée par l oxydation d un aliment ou d un combustible, alors pourquoi ne s enflamme-t-on pas en mangeant? M. Lacroix Humain 39
40 Question de temps Combustibles: réaction d oxydation pendant une courte période de temps (grande puissance): combustion. Aliments: réaction d oxydation pendant une longue période de temps (faible puissance). M. Lacroix Humain 40
41 Merci de votre attention M. Lacroix Humain 41
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