La machine humaine Marcel Lacroix Université de Sherbrooke
Corps humain 100 x 10 12 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
Charpente M. Lacroix Humain 3
Moteurs à combustion M. Lacroix Humain 4
Système d alimentation en combustible M. Lacroix Humain 5
Ordinateur central M. Lacroix Humain 6
Réseau de transport et de distribution électrique M. Lacroix Humain 7
Système d épuration des eaux usées M. Lacroix Humain 8
Système de ventilation M. Lacroix Humain 9
Système de contrôle M. Lacroix Humain 10
Système de circulation M. Lacroix Humain 11
Usine d assemblage M. Lacroix Humain 12
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
Corps humain: machine thermique inefficace Rendement thermique: η = ( Travail) ( Métabolisme) 5% M. Lacroix Humain 14
Puissance métabolique: Loi de Kleiber 10000 Puissance métabolique (W) 1000 100 10 Lapin Renard Homme Ours Cheval P = 3,52m 0,75 Éléphant 1 1 10 100 1000 10000 Masse (kg) M. Lacroix Humain 15
Métabolisme: activités* Activité physique Puissance (W) Au repos 80-140 Au bureau 110-240 La marche 200-400 La danse sociale 250-500 Le travail manuel modéré 200-400 Le travail manuel intense 400-600 Les sports intenses 600-1000 * AHHRAE Handbook Fundamentals, chapter 8 M. Lacroix Humain 16
Puissances comparées 100W 1 500W 100 W 1 000W 100kW M. Lacroix Introduction 17
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
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
Si vous respirez, vous polluez! M. Lacroix Humain 20
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
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
( ALIMENT ) + Combustion alimentaire O 2 CO 2 + H 2 O + ÉNERGIE Broyeur Réacteur discontinu Réacteur tubulaire Moteurs à combustion: muscles M. Lacroix Humain 23
Combustion fossile ( COMBUSTIBL E) O CO + H O + + 2 2 2 ÉNERGIE M. Lacroix Humain 24
Énergie libérée: remarques 1. Oxydation des aliments ou des combustibles : chaleur dégagée. Calorimètre M. Lacroix Humain 25
Énergie libérée: remarques 2. Unité d énergie souvent retenue: la calorie ~ 4,18 Joules. 3. 1 calorie alimentaire = 1000 calories. M. Lacroix Humain 26
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
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
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
D où vient l énergie contenue dans les aliments? M. Lacroix Humain 30
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
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
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
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
Néanmoins Pays Énergie totale (kwh/hab.jour) Énergie Renouvelable Islande 389 78% Luxembourg 323 1% Canada 270 16% Suède 184 29% Québec 174 47% France 140 7% Allemagne 133 6% Danemark 116 15% Suisse 115 16% Métabolisme quotidien: 100 W x 24 h = 2,4 kwh 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 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 37
CONSOMMATION D ÉNERGIE (kwh par habitant et par jour*) Période Société A B C D Total -10 6 ans primitive 2 2-10 5 ans chasseur 3 2 5-7000 ans agriculture pri. 4 4 4 12 1400 agriculture ava. 6 12 7 1 26 1850 industriel 7 32 24 14 77 2000 technologique 10 66 91 63 230 A:alimentation; B:chauffage central; C:industrie et agriculture; D:transport. *Energy Flow in an Industrial Society, Scientific American, E. Cook, 225 (3), 1971. M. Lacroix Humain 38
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
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
Merci de votre attention M. Lacroix Humain 41