⚗ Physique-chimie pour la santé · Chimie Première STI2S · Chapitre 5

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

Matérielnoix de cajou piquée sur une aiguille, tube à essai contenant $20$ g d'eau, thermomètre, balance, potence.
ProtocoleOn pèse la noix, on note la température de l'eau, on enflamme la noix sous le tube et on la laisse brûler entièrement. On relève la température finale.
ObservationLa noix de $0{,}50$ g fait passer l'eau de $20$ à $70\,{}^\circ\text{C}$.
InterprétationL'eau a reçu $Q = m\,c\,\Delta\theta = 0{,}020 \times 4\,180 \times 50 \approx 4{,}2$ kJ, soit environ $8{,}4$ kJ/g. La valeur réelle est d'environ $24$ kJ/g : une grande partie de l'énergie chauffe l'air et le verre.

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.

kJ par heure (adulte de 70 kg)sommeil270assis380marche1000vélo1700course2900
Dépense énergétique approximative selon l'activité.

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).

alimentsénergie chimiqueO?musclescellulestravail ? 25 %chaleur ? 75 %CO? + H?O rejetés
Bilan énergétique de l'effort musculaire : l'essentiel de l'énergie libérée par l'oxydation des nutriments est dissipé en chaleur.

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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1

Équation de la respiration

★☆☆

Ajuster l'équation de l'oxydation du glucose : $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + \dots\text{O}_2 \rightarrow \dots\text{CO}_2 + \dots\text{H}_2\text{O}$.

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2

Énergie de 18 g de glucose

★★☆

Quelle énergie libère l'oxydation de $18$ g de glucose ($2\,800$ kJ/mol, $M = 180$ g/mol) ?

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3

Énergie d'une pomme

★☆☆

Une pomme contient $15$ g de glucides. Quelle énergie apporte-t-elle ?

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5

Puissance au repos

★★☆

Le métabolisme de base d'une personne est de $7\,200$ kJ par jour. Calculer la puissance correspondante.

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6

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 ?

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7

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 ?

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8

Calculer un IMC

★☆☆

Calculer l'IMC d'un adulte de $70$ kg mesurant $1{,}75$ m et l'interpréter.

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9

Interpréter un IMC

★★☆

Même question pour un adulte de $95$ kg et $1{,}75$ m. Quelle masse maximale correspondrait à une corpulence normale ?

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10

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 ?

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11

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) ?

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12

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.

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13

Pourquoi la mesure est fausse

★☆☆

Pourquoi la valeur mesurée dans l'expérience est-elle bien inférieure à la valeur réelle ?

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14

Dioxygène consommé

★★★

Quel volume de dioxygène faut-il pour oxyder $18$ g de glucose (volume molaire $24$ L/mol) ?

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15

Dioxyde de carbone rejeté

★★☆

Quelle masse de $\text{CO}_2$ ($M = 44$ g/mol) est produite par l'oxydation de $18$ g de glucose ?

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16

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).

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17

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 ?

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18

Activité et besoins

★☆☆

Pourquoi un ouvrier du bâtiment a-t-il des besoins énergétiques supérieurs à ceux d'un employé de bureau ?

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19

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 ?

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20

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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