Les échanges de chaleur : modalités et limitation des transferts de chaleur | ||
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La chaleur est échangée entre deux milieux de températures différentes, du milieu dont la température est la plus élevée vers le milieu dont la température la plus faible, c'est-à dire selon le gradient thermique. Parmi les mécanismes d'échanges figurent la convection et la conduction.
La convection est un échange de chaleur réalisé par l’intermédiaire d’un fluide. Ce mécanisme intervient dans les cas des échanges entre la surface cutanée et le milieu extérieur, l’appareil respiratoire et l’air ou les organes profonds et le tégument par la circulation sanguine. La mise en mouvement de l'air ou de l'eau au contact du tégument, due à des changements de densité (convection libre ou naturelle) ou à des courants (convection forcée) renouvelle le fluide extérieur. Elle contribue au maintien du gradient thermique et provoque une augmentation des échanges de chaleur par convection. La circulation sanguine dans les vaisseaux cutanés a un effet similaire, le débit sanguin dépendant du diamètre des vaisseaux déterminant son importance.
La conduction est un échange de chaleur n'impliquant pas de transport de matière. Elle est réalisée par contact entre deux milieux, solides et/ou fluides, de températures différentes. Elle concerne notamment le tégument.
Le flux d'énergie dû à la conduction est exprimé par la relation
Q = k x ΔT x A x e-1
avec :
Q, flux d'énergie, en W ;
k, coefficient de conductivité thermique, en W.m-1.K-1 ;
ΔT, gradient thermique, en K2 ;
A, surface corporelle, en m2 ;
e, épaisseur de l’enveloppe corporelle, en m.
Le coefficient de conductivité thermique dépend du milieu. D'une valeur de 0,6 W.m-1.K-1 à 20°C pour l'eau, il est de 0,0262 W.m-1.K-1 pour l'air. En conséquence, le flux d’énergie est plus important dans l’eau que dans l'air et pour un même gradient de température. Un organisme perd ou gagne davantage de chaleur par conduction en milieu aquatique qu'en milieu aérien.
L'apport de chaleur intervient lorsque la température du milieu extérieur est supérieure que celle du tégument. Il peut être réalisé par convection ou par conduction. La perte de chaleur intervient généralement lorsque la température du milieu extérieur est inférieure à celle du tégument. 15% des pertes de chaleur sont réalisés par convection et 3% par conduction.
Les échanges de chaleur sont également réalisés par radiation, une surface recevant un rayonnement électromagnétique absorbe une partie de son énergie, qui est convertie en chaleur. De tels échanges se produisent entre deux surfaces distantes, de températures différentes, par l'intermédiaire du rayonnement infrarouge. Le réchauffement de la peau par les rayons solaires est réalisé par radiation. Le rayonnement reçu par un objet étant proportionnel à la surface exposée, le gain de chaleur l'est également. Le rapport entre la surface et le volume du corps détermine l'augmentation de la température corporelle liée au gain de chaleur par radiation. Faible chez les grands animaux, il est élevé chez les petits conduisant à un gain de chaleur relativement plus important. Les petits animaux se cachent fréquemment du soleil ce qui réduit les risques d'hyperthermie.
L'apport de chaleur par radiation se produit lorsque la température de la surface corporelle est plus faible que celle de la surface externe. La perte de chaleur intervient lorsque le gradient thermique est inverse. Le rayonnement infrarouge du corps est alors absorbé par la surface externe, ce qui engendre une diminution de la température de la surface corporelle.
Les échanges de chaleur entre l'organisme et son milieu sont réduits par des structures isolantes.
Chez les Mammifères, les principaux isolants sont les poils constituant la fourrure et le tissu adipeux sous-cutané. Les poils assurent une isolation de l’organisme vis-à-vis de l’air, réduisant notamment les effets de la convection forcée due au vent et aux mouvements de l’animal. Elle est facilement modulée par une augmentation ou une diminution de la densité de la fourrure. Le tissu adipeux forme parfois une couche épaisse permettant une isolation importante. La Baleine vivant en milieu aquatique, dont le coefficient de conductivité thermique est élevé, plonge à de très grandes profondeurs où la température est faible. Elle conserve sa chaleur et évite l'hypothermie grâce à un abondant tissu adipeux périphérique.
La réduction des échanges de chaleur entre l'organisme et le milieu implique par ailleur la vasoconstriction périphérique. Le diamètre des vaisseaux sanguins diminue, réduisant le débit sanguin et les tranferts internes de chaleur par convection. Ainsi le gradient de température entre le tégument et le milieu extérieur diminue. À l’inverse la vasodilatation périphérique, augmentation du diamètre des vaisseaux sanguins, permet d’accroître le débit sanguin et le gradient de température entre le milieu extérieur et le tégument.
Dans un milieu dont la température est faible, les mécanismes mis en jeu chez les Mammifères sont :
une vasoconstriction périphérique réduisant les pertes de chaleur ;
un frisson dû à l'activité des muscles sous-cutanés produisant de la chaleur ;
une pilo-érection augmentant l'épaisseur de la couche isolante de la fourrure.
Par ailleurs, les animaux soumis au froid possèdent souvent de petites oreilles. Leur faible surface contribue à réduire le flux d'énergie par conduction entre l'organisme et le milieu, en l'occurrence la perte de chaleur. La surface de contact avec le milieu est peu importante.
À l'inverse, dans un milieu dont la température est élevée, les processus permettant le maintien de la température corporelle sont :
une vasodilatation augmentant les perte de chaleur par convection ;
une évaporation d'eau permettant d’éliminer le surplus de chaleur, par sudation ou léchage.
Des adaptations comportementales contribuent aussi à réduire les échanges de chaleur, en particulier par une diminution de la surface de contact avec le milieu qui limite la conduction. Ainsi les animaux se tiennent serrés les uns contre les autres lorsque la température est faible.