L’être humain est homéotherme car sa température interne reste constante, environ 37° C. Son organisme doit maintenir une température constante pour garantir le fonctionnement normal de ses organes.

Or son milieu de vie est rarement à cette température et son corps tendra vers une température égale à celle du milieu. L’organisme régule donc son énergie interne jusqu’à atteindre un équilibre : on parle d’Homéostasie thermique. C’est l’ensemble des processus de régulation par lequel l'organisme maintient les différentes constantes du milieu intérieur (ensemble des liquides de l'organisme) entre les limites des valeurs normales.  Il y a donc un équilibre qui s’effectue entre les apports et les pertes d’énergie de l’organisme ce qui permet de maintenir cette température constante. La thermorégulation du corps humain va donc consister à équilibrer les apports et les pertes d’énergie thermique. 

I L’être humain est soumis à des transferts thermiques

Il existe trois types de transferts thermiques. 

A/ La convection thermique

Dans la convection thermique, le transfert d’énergie s’effectue par déplacement de matière. Il s’effectue donc dans les milieux fluides (liquides ou gazeux) et à l’interface entre un milieu solide et fluide. Les éléments constituant le fluide, en se déplaçant, transfèrent leur énergie thermique à d’autres éléments. On peut distinguer la convection naturelle dans laquelle la chaleur est suffisamment importante pour provoquer le déplacement de matière et la convection forcée pour laquelle le fluide est mis en mouvement sous l’effet d’une action extérieure. 

Exemple : une eau contenue dans une casserole mise à chauffer pour faire cuire des pâtes subira un mouvement de convection naturelle alors qu’une eau contenue dans un circuit de radiateur subira une convection forcée sous l’action de la chaudière.

Convection dans une casserole :

Source : Convection casserole.png par Utilisateur: Loloemr ~ commonswiki via Wikimédia Commons, domaine public, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Convection_casserole.png

B/ La conduction thermique

La conduction thermique est le seul mode de transfert possible dans les solides.

Il y a transfert d’énergie par diffusion de la chaleur de proche en proche sans déplacements de matière.

Ce transfert s’effectue de la partie la plus chaude vers la partie la plus froide, soit entre deux corps différents mis en contact soit au sein d’un même corps

Exemple : Dans un radiateur à eau, le transfert de la chaleur entre l’eau et la paroi intérieure de celui-ci se fera par conduction : il y a conduction entre deux corps. Les parois extérieures du radiateur à eau se réchauffent à cause du transfert thermique par conduction depuis la paroi intérieure : il y a conduction au sein d’un même corps. 

C/ Le rayonnement thermique 

Tout corps chaud émet un rayonnement électromagnétique dont la longueur d’onde (lambda) au maximum d’émission est fonction de sa température : c’est la loi de Wien. 

T (K)  = 2.90 x10^-3 / Lambda en m  rappel 0°C = 273 °K

La puissance totale perdue par le corps est donnée par la loi de Stefan-Boltzmann.    P = σ xT4

Avec σ = 5.67 x10^-8 W.m^-2 K^-4  constante de Stefan-Boltzmann, P en W.m^-2, T en K

Exemple : les parois du radiateur contenant de l’eau chaude émettent un rayonnement infrarouge dont la longueur d’onde diffère selon la température du point considéré.

Le rayonnement thermique

Source : Transfert radiation.png par Romary ( parler  | contributions )via Wikimedia Commons,  CC-BY-SA-3.0-migré, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transfert_radiation.png

II L’approvisionnement en énergie 

L’organisme peut s’approvisionner en énergie de deux manières : par production interne et par absorption d’énergie thermique provenant du milieu extérieur.

A / L’absorption d’énergie

L’organisme peut absorber de l’énergie thermique provenant du milieu extérieur de trois manières différentes:

• par le rayonnement thermique infrarouge de l’environnement : se mettre face à une cheminée, passer à côté d’un mur chaud.

• par conduction : s’accoler à un objet chaud

• par le rayonnement solaire direct ou diffusé : se chauffer au soleil.

B / La production d’énergie

La production interne d’énergie thermique est appelée thermogénèse. Cette principale source d’énergie thermique provient du métabolisme. On appelle métabolisme cellulaire, l’ensemble des réactions chimiques qui se déroulent à l’intérieur d’une cellule et lui permettant de vivre et de se reproduire. Ces réactions libèrent de l’énergie chimique (ATP) et de l’énergie thermique. 

L’énergie chimique (ATP) provient essentiellement de la respiration cellulaire (la fermentation étant très peu efficace). Elle consiste à libérer grâce à une chaîne de réactions complexes et en présence de dioxygène, 36 ATP à partir d’une molécule de glucose. Cette respiration qui fournit de l’énergie directement utilisable par la cellule libère du CO2 qu’il faudra éliminer. 

Equation bilan de la respiration et schéma fonctionnel : 

C₆H₁₂O₆ + 6O₂            6CO₂ + 6H₂O

Source : SVT SchemaFonct RespirationCellulaire.svg par Quo-Fata FERUNT via Wikimédia Commons,  CC-BY-SA-4.0, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:SVT_SchemaFonct_RespirationCellulaire.svg

Quand une molécule d’ATP est utilisée pour une réaction chimique, elle libère un ion phosphate. La libération d’un phosphate s’accompagne d’un dégagement de 30 Kilojoules par mole. Chaque joule d’énergie libérée et mesurée correspond donc à une consommation en dioxygène. Cette équivalence est appelée « coefficient thermique du dioxygène » : en moyenne 1 litre de O₂ libère 4.8 kilocalories soit 16 736 Joules (1kcal = 4,181 kJ).

Même lorsque l’organisme est au repos il consomme du dioxygène pour faire fonctionner ses organes vitaux : on va parler de métabolisme de base. Sur une journée au repos, un adulte moyen (1m70 pour 70 kg) dépense en moyenne 1400 kcal : il doit donc absorber l’équivalent de 1400 kcal pour assurer son métabolisme de base. 

Ce sont les aliments qui apportent l’énergie nécessaire au métabolisme de base. Lorsque la quantité d’énergie consommée dans l’alimentation est supérieure à la quantité d’énergie dépensée, l’énergie non dépensée va être stockée sous forme de graisse dans le tissu adipeux : cela entraîne une augmentation de la masse corporelle et peut à long terme conduire à l’obésité. A l’inverse lorsque les apports sont inférieurs au métabolisme de base, l’organisme puise dans ses réserves et cela entraîne une diminution de la masse corporelle.

L’activité musculaire est responsable à elle seule de 75 % de l’énergie totale produite et permettant au corps de maintenir l’équilibre. Voilà pourquoi en cas d’activité musculaire importante il faut augmenter ses apports énergétiques. 

III Les pertes d’énergie 

On appelle thermolyse tout mécanisme consistant à évacuer de la chaleur. 

Il existe différents mécanismes responsables de pertes de chaleur :

A/ L’émission de rayonnement infrarouge 

La puissance des infrarouges émis par le corps est proportionnelle au coefficient d’émissivité du corps humain. Ce type de thermolyse représente 60 % des pertes d’énergie thermique du corps humain dans des conditions usuelles.

Le flux thermique perdu par radiation en W.m^-2 se calcule comme suit :

R = hr.Fvet.(Tpeau – Text)

Avec : 

R : flux thermique par radiation (en W.m^-2)

hr : coefficient de rayonnement (en W.m^-2.K^-1)

Fvet = facteur de réduction dû aux vêtements (sans unité)

Tpeau et Text : températures de rayonnement de la peau et du milieu (en K).

B/ La conduction 

La température de la peau va réchauffer les molécules environnantes par contact (air, tissus, le sol). Elle est responsable de 3% des pertes thermiques du corps humain dans l’air. Elle est beaucoup plus importante dans l’eau liquide.  Le calcul de la perte par conduction au niveau de la peau se réalise ainsi :

Cd = k . (Tpeau – Text)

Avec : 

Cd: flux thermique par conduction (en W.m^-2)

k : conductance thermique (en W.m^-2.K^-1)

Tpeau et Text : températures de rayonnement de la peau et du milieu (en K).

C /La convection 

Les pertes par convection représentent en moyenne 15 % des pertes d’énergie thermique du corps humain. La respiration pulmonaire entraîne des pertes d’énergie correspondant à une convection forcée. Le déplacement des masses d’air au contact de la peau s’accompagne d’un transfert d’énergie thermique entre la peau et l’air. Le transfert sera d’autant plus important que la différence de température est importante. Cette perte d’énergie peut être réduite par le port de vêtements qui immobilisent la couche d’air et l’isole de l’air extérieur. Les vêtements jouent le même rôle que la fourrure des animaux. En cas de vent, il y a convection forcée et ces pertes sont augmentées : voilà pourquoi en météorologie, en cas de vent, on annonce les températures réelles et les températures ressenties, les dernières résultant de la convection forcée liée au vent. 

Le calcul de la perte par convection au niveau de la peau se réalise ainsi :

Cv = hc.Fvet.(Tpeau – Text)

Avec : 

Cv : flux thermique par convection(en W.m^-2)

Hc : coefficient de convection (en W.m^-2.K^-1)

Fvet = facteur de réduction dû aux vêtements (sans unité)

Tpeau et Text : températures de rayonnement de la peau et du milieu (en K).

D / L’évaporation 

En cas de thermogénèse trop importante, les différents modes de perte d’énergie précédemment cités peuvent se révéler insuffisants. Un mécanisme supplémentaire va se mettre en place : le phénomène d’évaporation de l’eau transpirée ou diffusée à travers la surface de la peau qui va contribuer à la thermorégulation.

La sueur constituée principalement d’eau et produite par les glandes sudoripares va passer à l’état gazeux grâce à de l’énergie thermique puisée dans l’organisme. Ce mécanisme sera d’autant plus efficace que la différence de température entre l’air et le corps humain sera importante. Ce mode de thermolyse représente 22 % des pertes d’énergie thermique du corps humain.

Le calcul de la perte par évaporation au niveau de la peau se réalise ainsi :

E = he.Fvet.( Pv,ext - Pv,peau )

Avec : 

E : flux thermique par évaporation (en W.m^-2)

He : coefficient d’évaporation (en W.m^-2.K^-1)

Fvet = facteur de réduction dû aux vêtements (sans unité)

Pv,ext : pression de vapeur d’eau extérieure (en Pa)

Pv,peau: pression de vapeur saturante de la peau (en Pa)

E / Une température constante 

La température d’un corps ne reste constante que si le flux thermique global est nul, c'est-à-dire si la thermolyse est égale à la thermogénèse et donc globalement au métabolisme. 

On peut mesurer le flux de chaleur libérée par une personne en l’installant dans un caisson de calorimétrie isolé. Ce caisson est traversé par une eau à 24°C. L’eau circulant dans le caisson va être réchauffée par l’énergie libérée par la personne. L’augmentation de température de l’eau est mesurée : une augmentation de 1 °C d’un gramme d’eau correspondra à une énergie libérée de 1 calorie (par définition), soit 4,186 Joules.

Globalement un corps humain dans des conditions de vie courante au repos libère une énergie de 100 Joules par seconde soit 100 W : le métabolisme désignant la dépense d’énergie de l’organisme par unité de temps on l’assimile donc à une puissance (le watt, unité de puissance, correspond à 1 J.s^-1). 

L’énergie métabolique produite et perdue chaque jour peut se résume ainsi :  Mmet = 100 W =R + E + Cv + Cd

IV Les réponses de l’organisme aux environnements froids ou chauds

La température du corps humain n’est pas homogène. On peut considérer le corps humain comme étant constitué d’une partie centrale plus chaude et d’une enveloppe périphérique à température plus faible et plus variable. 

Pour assurer l’équilibre thermique (homéostasie thermique) au niveau de la partie centrale contenant les organes vitaux, la chaleur produite doit être évacuée vers l’enveloppe périphérique. Ce transfert d’énergie s’effectue par conduction à travers les tissus mais également par convection forcée grâce à la circulation du sang. Le transfert thermique de l’enveloppe périphérique vers le milieu extérieur (air ou eau) doit être suffisamment efficace pour permettre de maintenir l’enveloppe à une température inférieure à la température interne. Dans le cas contraire, l’évacuation de l’énergie thermique pourrait soit ne plus s’effectuer et les organes vitaux entreraient en surchauffe, soit trop s’effectuer et les organes vitaux perdraient de la chaleur.

A/ Les environnements chauds

En période de canicule, l’exercice physique responsable de la thermogénèse n’est pas recommandé. En effet, en cas d’hyperthermie (excédent de chaleur) la nécessité d’évacuer de l’énergie thermique provoque une vasodilatation des vaisseaux. Celle-ci sera à l’origine d’une augmentation de l’irrigation provoquant une rougeur de la peau, une élévation de la température de celle-ci est donc une élévation des pertes par radiation, conduction, convection et une sudation importante. Or dans le cas où l’air ambiant est trop chaud, l’évacuation de l’énergie thermique ne pourra s’effectuer en raison de la faible différence de température entre les deux corps. L’enveloppe périphérique ne sera pas suffisamment refroidie pour permettre une évacuation du trop-plein d’énergie de la partie interne : les organes vitaux seront affectés. Des facteurs comportementaux peuvent intervenir comme se dévêtir, se couvrir avec des tissus clairs ou légers (non isolants), s’humidifier la peau ou s’exposer à un courant d’air, diminuer son activité physique. 

B/ Les environnements froids

Dans le cas où la différence de température avec le milieu extérieur serait trop importante (grand froid), les pertes d’énergie seraient telles que les organes vitaux souffriraient d’une perte de chaleur : on parle d’hypothermie (température interne inférieure à la valeur normale). 

Ainsi pour diminuer l'hypothermie, on observe tout d’abord l’apparition de la chair de poule correspondant à un hérissement des poils à l’origine de la création d’une couche isolante plus épaisse et donc plus efficace. Cependant chez l’Homme la densité pileuse n’est pas assez forte pour ce mécanisme soit efficace. On observe alors d’autres mécanismes comme les frissons. Le frisson correspond à une activité musculaire totalement inefficace mécaniquement mais productrice d’énergie thermique. 

Concernant la circulation sanguine, on observe que le diamètre des vaisseaux sanguins périphériques diminue : on parle de vasoconstriction. On observera alors une diminution de l’irrigation de la peau entraînant une pâleur, une baisse de la température de celle-ci et donc une baisse des pertes par radiation et conduction. 

Des facteurs comportementaux peuvent également intervenir comme se pelotonner pour diminuer la surface externe en contact avec l’air et limiter les pertes thermiques, porter des vêtements isolants, augmenter son activité physique.