III - Les mécanismes de la déperdition de chaleur : Thermolyse (ou gène de la thermogénèse)

Les échanges de chaleur entre le corps et le milieu extérieur sont réalisés à l'aide de plusieurs modalités. Ils dépendent des différences de flux thermiques :

si:

f int flux dissipé par l'opérateur vers environnement

f ext flux dissipé par l'environnement vers l'opérateur

Si f int > f ext l'organisme se refroidit

Si f ext > f int l'organisme s'échauffe

Si f ext = f int l'organisme est en "équilibre" (stabilité) thermique.

Par convention ; f int est négatif ; f ext est positif

Les flux int ou ext peuvent être :

- des flux thermiques dus aux rayonnements f R ( f Rint, f Rext)

- des flux thermiques de convection f CV (f CVint, f CVint )

- des flux thermiques dus à la conduction f CD (f CDint, f CDext)

 - Le flux d'évaporation (f EV ) est toujours négatif. Le flux de chaleur est transféré vers l'environnement quelque soit l'ambiance, à condition que le degré hygrométrique (humidité relative) U soit inférieur à 100%. Si le dégré hygrométrique est de 100% alors f EV = 0

1 - Rayonnement

Tout corps porté à une certaine température émet un rayonnement infra-rouge qui entraîne une dissipation d'énergie, notée f Rint, vers l'extérieur. Inversement tout corps reçoit des objets chauds environnants un rayonnement, noté f Rext, qu'il absorbe plus ou moins selon sa couleur.

Lorsqu'on applique ce raisonnement au corps humain la nature des vêtements est déterminante. Ceux-ci peuvent jouer un double rôle :

- lorsque la température ambiante est inférieure à celle du corps, les vêtements, s'échauffent en absorbant le rayonnement émis par notre corps et protègent celui-ci contre la refroidissement (voir également : convection).

- Ils peuvent également réfléchir le rayonnement émis par les sources de chaleur qui nous entourent et protéger le corps contre un échauffement excessif ou même contre un risque de brûlure cutanée. Les vêtements blancs sont les plus réfléchissants des vêtements en tissus classiques, mais des vêtements aluminisés en surface sont indispensables lorsque le rayonnement est important. Au contraire les vêtements sombres absorbent fortement le rayonnement infra-rouge et constituent une mauvaise protection.

Même en l'absence de vêtements la perte de chaleur par rayonnement est un mécanisme d'importance modérée dont le rôle devient nul pour une température de l'air voisine de 30°C. Au-delà l'organisme s'échauffe par absorption du rayonnement ambiant (voir graphique p.7). Cet échauffement, peu marqué dans les circonstances habituelles, peut devenir important si une source de chaleur rayonnante f Rext > f Rint est placée à proximité du corps de l'opérateur (soleil, four, métal en fusion…) - voir schéma -

2 - Convection (échange de flux thermique liquide - gaz)

 L'air échauffé au contact de la peau tend à se déplacer vers le haut car il devient plus léger que l'air ambiant plus froid. Ce renouvellement constant ou convection permet d'évacuer l'air réchauffé par le corps et de le remplacer par de l'air plus frais, de la chaleur est évacuée par convection. Mais pour des raisons pratiques on regroupe également sous le même terme de convection le renouvellement de l'air au contact du corps sous l'effet des mouvements ou de causes extérieures (ventilation, courant d'air). Une vitesse de l'air élevée favorise la convection. La convection est un mécanisme de déperdition de chaleur bien plus importante que le rayonnement. Mais cette importance peut être considérablement modifiée par les vêtements : en effet le rôle principal des vêtements (ou de la fourrure chez les animaux) est d'emprisonner au courant du corps une couche d'air mobile, ce qui empêche la convection. On comprend alors pourquoi il faut porter des vêtements légers et amples lorsqu'il fait chaud. A l'inverse si l'air est chaud (température supérieure à 30-37°C) alors le corps s'échauffe par convection, f CVext > f CVint - voir schéma -

3 - Conduction (échange de flux thermique solide-solide)

 La conduction est peu efficace en situation de travail. Quelques pertes (ou récupération) de chaleur par conduction au niveau des contacts entre l'opérateur et des surfaces froides (ou chaudes) ; semelles des chaussures, manipulation d'objets froids (ou chauds).

Si f CD int >f CD ext alors l'organisme se refroidit par conduction et inversement. voir schéma

4 - Evaporation

Il est évident que le transfert de chaleur par rayonnement ou par convection ne sont efficaces que si la température de l'air est inférieure à celle du corps. Dans les cas contraires, ils contribuent à son échauffement. Mais le rayonnement et la convection peuvent être insuffisants même en ambiance tempérée, lorsque la production de chaleur par le corps est trop importante pendant une phase d'activité physique intense.

C'est pourquoi un autre mécanisme doit intervenir pour permettre une dissipation efficace de la chaleur dans ces conditions critiques : il s'agit de l'évaporation de l'eau contenue dans la sueur.

Un individu allongé au repos complet élimine par voie pulmonaire 1/2 litre d'eau par 24 heures car l'air expiré est saturé en vapeur d'eau. De plus il évapore une quantité à peu près équivalente d'eau à travers la peau : cette évaporation n'est pas perceptible en l'absence de mesures fines car la peau reste sèche : on appelle cette évaporation cutanée la perspiration insensible) Mais l'évaporation de l'eau ne se limite pas à cela, dès que la température ambiante s'élève, ou que l'on effectue un travail musculaire un peu important, de la sueur est secrétée à la surface de la peau, ce qui accroît considérablement l'évaporation.

L'évaporation de 1l. d'eau nécessite 580 kcal (soit 1/3 du métabolisme de l'homme au repos complet, ou métabolisme basal). Ces 580 kcal servent simplement à faire passer l'eau de l'état liquide à l'état gazeux (chaleur latente de vaporisation de l'eau). Ceci explique pourquoi le fait de mouiller la peau provoque une sensation de fraîcheur locale durable. L'eau pour changer d'état et s'évaporer, emprunte des "calories" à la peau qui se refroidit f EV int < 0.

L'évaporation de l'eau est donc un mécanisme d'évacuation de la chaleur remarquablement efficace. Ce mécanisme est opérationnel quelle que soit la température ambiante puisqu'il dépend uniquement de la température de la peau.

En revanche, plus l'atmosphère est humide plus l'évaporation est réduite. Elle devient nulle si l'air est saturé en vapeur d'eau (U = 100%). Ceci explique pourquoi la chaleur est difficile à supporter en atmosphère humide. L'évacuation de la chaleur corporelle peut même devenir impossible, ce qui est une cause d'accidents graves (voir effets pathologiques p.11). Dans ce cas il faut prévoir une ventilation des locaux.

Une autre cause de ralentissement de l'évaporation de l'eau de la sueur réside dans le port de vêtements mal adaptés : ceux-ci emprisonnent en effet, au contact du corps, une couche d'air qui se renouvelle mal et qui est saturée en humidité. Ce phénomène de saturation locale empêche l'évaporation de la sueur qui mouille la peau. Le port de vêtements légers et la présence d'une ventilation permettront d'accroître l'efficacité de ce mécanisme de refroidissement, en favorisant la circulation de l'air au contact de la peau (convection). Toutefois dans les cas où l'on observe une très forte transpiration due à des conditions de travail musculaire et de température ambiante très dures et prolongées, il n'est pas conseillé de supprimer les vêtements. La sueur qui s'écoule vers le sol sans avoir pu s'évaporer ne participe pas au rafraîchissement du corps. Il s'agit d'une perte d'eau totalement inefficace qui peut en revanche épuiser gravement l'organisme. Au contraire le port d'un vêtement léger permettra de retenir la sueur sans empêcher son évaporation (cette remarque est surtout valable dans des cas critiques où la durée d'exposition à la chaleur est très importante).

Les pertes de chaleur par évaporation constituent le mécanisme prépondérant de la thermolyse à partir d'une température de l'air de 28°-30°C. Ce mécanisme permet d'évacuer des quantités considérables de chaleur (voir schéma).