Énergie, alimentation et métabolisme
Respiration cellulaire, énergie libérée par l'oxydation des nutriments, besoins énergétiques, puissance du corps, bilan énergétique, IMC, rendement musculaire et thermorégulation.
1. L'énergie vient des aliments
Propriété · Respiration cellulaire
Dans les cellules, les nutriments sont oxydés par le dioxygène apporté par le sang. Pour le glucose : $$\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\,\text{O}_2 \rightarrow 6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O}$$ Cette réaction libère environ $2\,800$ kJ par mole de glucose. Le dioxyde de carbone est rejeté par les poumons.
Propriété · Valeur énergétique
Glucides et protéines : environ $17$ kJ/g ; lipides : environ $38$ kJ/g ; $1$ kcal $= 4{,}18$ kJ.
Expérience · Énergie d'une noix de cajou
2. Les dépenses
Définition
Le métabolisme de base est l'énergie dépensée au repos pour maintenir les fonctions vitales (cœur, respiration, température) : environ $6\,000$ à $7\,500$ kJ par jour pour un adulte. S'y ajoutent les dépenses liées à l'activité. La puissance dépensée est $P = \dfrac{E}{\Delta t}$ : au repos, le corps « consomme » environ $80$ à $100$ W.
Propriété · Rendement musculaire
Les muscles convertissent en travail mécanique seulement environ $25\,\%$ de l'énergie qu'ils reçoivent ; le reste est dissipé en chaleur, évacuée notamment par la transpiration (l'évaporation d'un litre de sueur absorbe environ $2\,400$ kJ).
3. Bilan énergétique et poids
Propriété
Si les apports dépassent durablement les dépenses, l'excédent est stocké sous forme de graisses (prise de poids) ; dans le cas contraire, l'organisme puise dans ses réserves.
Définition · IMC
L'indice de masse corporelle est $IMC = \dfrac{m}{t^2}$ ($m$ en kg, $t$ taille en m). Chez l'adulte : maigreur en dessous de $18{,}5$, corpulence normale de $18{,}5$ à $25$, surpoids de $25$ à $30$, obésité au-delà de $30$.
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Exercices corrigés
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Équation de la respiration
★☆☆Ajuster l'équation de l'oxydation du glucose : $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + \dots\text{O}_2 \rightarrow \dots\text{CO}_2 + \dots\text{H}_2\text{O}$.
Énergie de 18 g de glucose
★★☆Quelle énergie libère l'oxydation de $18$ g de glucose ($2\,800$ kJ/mol, $M = 180$ g/mol) ?
Énergie d'une pomme
★☆☆Une pomme contient $15$ g de glucides. Quelle énergie apporte-t-elle ?
Kilocalories
★☆☆Convertir $2\,000$ kcal en kJ.
Puissance au repos
★★☆Le métabolisme de base d'une personne est de $7\,200$ kJ par jour. Calculer la puissance correspondante.
Éliminer une barre chocolatée
★★☆Une barre chocolatée apporte $1\,000$ kJ. Combien de temps faut-il marcher (environ $1\,000$ kJ/h) ou courir (environ $2\,900$ kJ/h) pour dépenser cette énergie ?
Bilan énergétique d'une journée
★★☆Une personne absorbe $11\,000$ kJ par jour et en dépense $9\,500$. Si l'excédent est stocké en graisse ($38$ kJ/g), quelle masse stocke-t-elle par jour ? Par mois ?
Calculer un IMC
★☆☆Calculer l'IMC d'un adulte de $70$ kg mesurant $1{,}75$ m et l'interpréter.
Interpréter un IMC
★★☆Même question pour un adulte de $95$ kg et $1{,}75$ m. Quelle masse maximale correspondrait à une corpulence normale ?
Travail et chaleur
★★☆Un cycliste dépense $400$ W. Avec un rendement musculaire de $25\,\%$, quelle puissance mécanique fournit-il ? Quelle puissance thermique doit être évacuée ?
Transpiration
★★★Le cycliste précédent pédale pendant $1$ h. Quel volume de sueur doit s'évaporer pour évacuer toute la chaleur ($2\,400$ kJ par litre) ?
Exploiter l'expérience
★★☆Une noix de $0{,}40$ g chauffe $25$ g d'eau de $18$ à $48\,{}^\circ\text{C}$. Calculer l'énergie reçue par l'eau et la valeur énergétique mesurée en kJ/g.
Pourquoi la mesure est fausse
★☆☆Pourquoi la valeur mesurée dans l'expérience est-elle bien inférieure à la valeur réelle ?
Dioxygène consommé
★★★Quel volume de dioxygène faut-il pour oxyder $18$ g de glucose (volume molaire $24$ L/mol) ?
Dioxyde de carbone rejeté
★★☆Quelle masse de $\text{CO}_2$ ($M = 44$ g/mol) est produite par l'oxydation de $18$ g de glucose ?
Comparer deux goûters
★★☆Goûter A : $50$ g de pain ($25$ g de glucides, $1$ g de lipides) et une pomme ($15$ g de glucides). Goûter B : un croissant ($25$ g de glucides, $12$ g de lipides). Comparer leurs apports (protéines négligées).
Réserves de glycogène
★★☆L'organisme stocke environ $400$ g de glycogène. Quelle énergie cela représente-t-il ? Combien de temps de course ($2\,900$ kJ/h) cela permet-il environ ?
Activité et besoins
★☆☆Pourquoi un ouvrier du bâtiment a-t-il des besoins énergétiques supérieurs à ceux d'un employé de bureau ?
Fièvre et métabolisme
★★★Le métabolisme augmente d'environ $10\,\%$ par degré de fièvre. Pour un métabolisme de base de $7\,000$ kJ/jour, quelle est la dépense supplémentaire avec $2\,{}^\circ\text{C}$ de fièvre ?
Vrai ou faux
★★☆a) La respiration cellulaire produit du $\text{CO}_2$. b) Les muscles convertissent toute l'énergie reçue en mouvement. c) Un IMC de $27$ correspond à un surpoids.
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