1 - Les échanges thermiques
Généralités
L’énergie peut prendre plusieurs formes : thermique, chimique, cinétique, mécanique, électrique, etc…
L’énergie thermique correspond à la température d’un objet.
L’unité pour mesurer une quantité d’énergie est le Joule (J, 1000J = 1KJ) ou la calorie (cal).
Une calorie est la quantité d’énergie nécessaire pour élever de 1°C la température de 1g d’eau sans changement d’état. Un Kcal permet d’élever de 1°, 1 litre d’eau.
La valeur énergétique d’un aliment est la quantité d’énergie que dégage sa combustion complète.
En France, on utilise plus souvent la Kcal qui vaut 1000 cal.
1 cal = 4,18J, donc 1Kcal = 4,18 KJ
Les échanges thermiques
Il existe 3 types d’échanges thermiques qui peuvent parfois se combiner entre eux.
La conduction :
Il y a échange thermique par conduction lorsque deux matériaux de températures différentes sont en contact sans mouvement l’un par rapport à l’autre. Les différents matériaux ont des conductivités thermiques différentes. De la conductivité la plus forte à la plus faible nous trouvons : le carbone, les métaux, la pierre et le béton, l’eau, la terre, le bois, les isolants industriels, les gaz. La conduction dépend également de l’humidité, de la température et de la taille de la surface de contact entre les deux matériaux.
La convection :
Il y a échange thermique par convection lorsqu’un fluide coule à la surface d’un objet de température différente. La conductivité du fluide convecteur (liquide, gazeux, air, eau…) influe sur sa capacité à transmettre le froid ou le chaud. La quantité d’énergie transmise dépend également de la vitesse d’écoulement du fluide et de la taille de la surface exposée.
Le rayonnement :
Il y a échange thermique par rayonnement lorsqu’un corps est placé à distance d’un autre corps de température différente et qu’aucun obstacle « visuel » n’est placé entre eux. Ce transfert de chaleur est le seul à se réaliser dans le vide (rayonnement solaire arrivant sur Terre). Il se réalise aussi dans les fluides (l’air par exemple) et dans certaines solides (verre). Les nuages, la couverture végétale, une bâche ou un toit sont de nature à faire obstacle au rayonnement dans les deux sens.
L’eau
L’eau joue un rôle fondamental dans les échanges thermiques, l’alimentation et l’activité physique du randonneur en général.
Ses différents états :
L’eau peut, en fonction des conditions de pression et de température, se trouver dans un état solide, liquide ou gazeux. Le passage d’un état à l’autre absorbe ou libère de l’énergie.
- de liquide à gaz on parle d’évaporation ; de gaz à liquide, de condensation
- de liquide à solide on parle de gel ou de solidification ; de solide à liquide, de fusion ou de fonte
- de solide à gaz, on parle de sublimation ; de gaz à solide, de condensation solide.
L’eau ne peut que libérer l’énergie liée à sa température et à son état physique. Elle n’est pas un combustible en elle-même. Par contre sa capacité à stocker de la chaleur ou du froid est importante.
L’air et l’atmosphère :
L’atmosphère est un mélange de gaz maintenus à la surface de la Terre par gravité. Il est principalement constitué d’azote (78%), d’oxygène (21%), de dioxyde de carbone (0,03%), de gaz rares. Cette proportion est la même quelque soit l’altitude. Il s’agit ici de la composition de « l’air sec », c’est-à-dire sans tenir compte de la quantité d’eau variable que l’on y trouve sous ses différentes formes.
L’air est un mélange de gaz et est donc compressible et extensible. Quand un volume d’air est compressé, sa température augmente. Quand un volume d’air se détend, sa température diminue. Dans l’atmosphère, la pression de l’air et sa température diminuent généralement avec l’altitude. A 5000m la pression atmosphérique a déjà diminué de moitié par rapport au niveau de la mer, alors que la proportion des différents gaz qui la compose n’a pas changé.
Hygrométrie de l’air :
En plus des gaz cités précédemment, l’air contient des quantités variables d’eau. Elle peut alors se présenter sour ses trois états : liquide (gouttelettes, nuages), gazeuse (donc invisible) ou solide (glace, neige). Le degré d’hygrométrie de l’air est le pourcentage d’eau qu’il contient.
L’air joue un rôle fondamental dans les transferts d’énergie. S’il est emprisonné dans des fibres, il constitue un isolant thermique d’excellente qualité (duvet). S’il circule, l’air est alors un vecteur de transfert d’énergie par convection. Il sera d’autant plus efficace (ce vecteur) que le degré d’hygrométrie de l’air sera important. (Plus l’air est humide plus on perd de la chaleur lorsqu’il passe sur notre corps).
2 - La thermorégulation
Notre système de régulation thermique – la thermorégulation physiologique
sLorsque nous pratiquons une activité physique, nous produisons de la chaleur. Elle peut devenir excessive et nous devons l’évacuer. Pour cela, notre corps possède plusieurs mécanismes physiologiques réflexes qui y contribuent.
- la transpiration
- la respiration
- la vasodilatation périphérique
Si la température est basse, notre corps peut ne pas produire suffisamment d’énergie pour maintenir notre température de 37°C. D’autres mécanismes vont alors rentrer en jeu pour limiter les pertes de chaleur.
- la vasoconstriction périphérique
- le frisson
- la « chair de poule »
- la régulation des flux sanguins vers les organes « nobles »
- les adaptations à long terme
Attention aux enfants en bas âge qui ont un système de thermorégulation peu efficace.
Nous pouvons également réguler notre température par nos comportements – thermorégulation comportementale :
- augmenter son activité si on a froid
- diminuer l’intensité de l’effort si on a trop chaud
- se placer à l’ombre/au soleil
- boire une boisson fraiche/chaude
- s’exposer au vent, ou s’en protéger
- adapter sa tenue vestimentaire
Par l’alimentation – Thermorégulation par l’alimentation et hydratation :
Les aliments vont directement apporter des calories ou en évacuer.
Leur digestion va nécessiter un travail des viscères qui va rendre une partie de la masse sanguine indisponible pour la thermorégulation. Il faut privilégier les aliments facilement digérés par temps chaud pour limiter la masse sanguine monopolisée.
Une fois digérés, les aliments apportent l’énergie permettant de lutter contre les intempéries. L’apport calorique doit être renforcé quand les conditions sont difficiles car la dépense augmente.
Attention à l’hydratation. Un organisme insuffisamment hydraté est beaucoup plus exposé à l’hyperthermie, à l’hypothermie ou aux gelures.
Par notre tenue – Thermorégulation vestimentaire :
Il faut toujours se demander de quoi veut-on se protéger ? Il existe une réponse appropriée à chaque problème à condition de l’avoir bien identifié.
- sommes-nous exposés à la convection ? conduction ? au rayonnement ? à l’humidité ?
- quelles parties du corps sont exposées ?
- quels types de vêtements présentent la meilleure solution/le meilleur compromis ?
- les vêtements en coton : à proscrire
- les vêtements en plumes et duvet : attention lorsqu’ils sont mouillés. Ce ne sont pas des éléments de sécurité en randonnée engagée.
- les membranes imper-respirantes : il faut que l’hygrométrie interne soit supérieure à l’hygrométrie externe et qu’aucune des deux surfaces de la membrane ne soit humide sinon ça ne fonctionne pas. Il faut donc qu’il fasse froid et sec, et ne pas faire un effort trop intense.
- la tête, le cou et les mains sont faciles à couvrir ou découvrir, ce sont de puissants moyens d’adaptation
- les sous-vêtements thermiques prés du corps sont très bien
- par temps froid et lors de longues randonnées, porter des chaussures plus grandes pour que le pied ne soit pas serré s’il gonfle. Un pied serré est plus exposé au froid et aux gelures
- sur la neige, le refroidissement des pieds par conduction à travers les semelles peut être très important. Garder les raquettes aux pieds pour s’isoler du froid
- tenir compte du « windchill » température ressentie en cas de vent
- l’effet de l’humidité de l’air modifie sensiblement la résistance thermique de la peau.
Sources : cours UF3 2016 – CNSNMM