Calorimètre, respiromètre, coefficient thermique de l’oxygène : comment mesurer l’énergie dépensée par un organisme.
www.ndolomath.comFiche de révision de SVTEEHB : « Évaluation de la dépense énergétique d’un animal », proposée par ndolomath.comndolomath
Évaluation de la dépense énergétique d’un animal
Module I : Le monde vivantSéquence 4 : L’énergétique biologiqueSéance 21 : Évaluation de la dépense énergétique d’un animal
💡 Idée principale : un organisme vivant dépense en permanence de l’énergie, qu’il libère en grande partie sous forme de chaleur. On mesure cette dépense par calorimétrie directe (chaleur dégagée) ou par calorimétrie indirecte (volume de dioxygène consommé × coefficient thermique). L’intensité respiratoire et le quotient respiratoire caractérisent les échanges gazeux.
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Étapes résumées
Toute l’énergie utilisée par l’organisme finit en chaleur : on peut la mesurer.
Calorimétrie directe : Q = m × c × Δθ (eau chauffée par l’animal).
Au marché central de Douala, Jean pousse son « pousse-pousse » chargé de vivres toute la journée. Le soir, il a chaud, il respire fort et il a très faim. Son voisin Ali, vendeur assis derrière son étal, mange beaucoup moins. Jean se demande : « Comment savoir combien d’énergie mon corps dépense en une journée de travail ? »
Consignes :
Relève le problème posé.
Sous quelle forme le corps de Jean libère-t-il l’énergie dépensée ?
Propose deux méthodes pour mesurer cette dépense énergétique.
le problèmeje réfléchisle dégagement d’O₂
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Compétence visée
Sensibiliser sur les déséquilibres énergétiques au sein des organismes et leurs conséquences.
Objectifs de la leçon
Décrire le principe de la calorimétrie directe et indirecte.
Déterminer l’intensité respiratoire d’un mammifère (TP 13).
Calculer une dépense énergétique et un quotient respiratoire.
La calorimétrie directe
Activité 1 : mesurer la chaleur produite par un animal
On place un rat dans la chambre d’un calorimètre à eau. La chaleur qu’il dégage réchauffe une masse d’eau connue, dont on relève la température au début et à la fin de l’expérience.
Document 1 : principe du calorimètre à eau.
Pourquoi la paroi du calorimètre doit-elle être isolante ?
Quelle grandeur mesure-t-on directement ?
Ce qu’il faut comprendre : la paroi isolante empêche les pertes de chaleur vers l’extérieur : toute la chaleur produite par l’animal passe dans l’eau. On mesure l’élévation de température de l’eau, d’où l’on calcule la chaleur : Q = m × c × (θf − θi), avec c = 4,18 kJ/kg/°C pour l’eau.
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Exemple guidé
Énoncé
Un rat placé 2 h dans un calorimètre réchauffe 5 kg d’eau de 25,0 °C à 25,6 °C. Calcule la chaleur dégagée et la dépense par heure.
Solution
Q = m × c × Δθ = 5 × 4,18 × 0,6 = 12,5 kJ. Dépense horaire = 12,5 ÷ 2 ≈ 6,3 kJ/h. Méthode précise mais lourde : elle n’est pas utilisable sur un sportif en activité.
La calorimétrie indirecte (TP 13)
Activité 2 : l’intensité respiratoire d’une souris
Une souris de 25 g est placée dans un bocal fermé contenant de la potasse, qui absorbe le CO2. Le dioxygène consommé crée une dépression : l’index coloré recule dans le tube gradué. En 10 minutes, l’index recule de l’équivalent de 15 mL.
Document 2 : le respiromètre.
Pourquoi utilise-t-on de la potasse ?
Calcule l’intensité respiratoire de la souris en mL d’O₂/g/h.
Quel est le rôle du bocal témoin ?
Ce qu’il faut comprendre : la potasse fixe le CO2 rejeté : la diminution de volume correspond seulement au dioxygène consommé. En 1 h : 15 × 6 = 90 mL d’O2 ; IR = 90 ÷ 25 = 3,6 mL/g/h. Le témoin corrige les variations de température et de pression extérieures.
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1. Intensité respiratoire (IR)
volume de dioxygène consommé (ou de CO2 rejeté) par unité de masse corporelle et par unité de temps (mL/g/h ou L/kg/h).
Exemple : plus un animal est petit, plus son IR est grande : la souris perd beaucoup de chaleur par sa surface.
rapport du volume de CO2 rejeté au volume de O2 consommé pendant le même temps : QR = V(CO2) / V(O2). Il renseigne sur la nature des nutriments oxydés.
le volumel’éprouvetteles kilojoules
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Exemple guidé : dépense d’un élève au repos
Au repos, Brenda consomme 15 L d’O₂ et rejette 12,75 L de CO₂ par heure. Calcule son QR et sa dépense énergétique horaire (coefficient : 20,1 kJ/L).
Solution : QR = 12,75 ÷ 15 = 0,85 : alimentation mixte. Dépense = 15 × 20,1 ≈ 302 kJ/h. Sur 24 h au repos : 302 × 24 ≈ 7 250 kJ.
Bien comprendre
Toute l’énergie chimique des nutriments utilisée par le corps se retrouve finalement en chaleur.
Mesurer l’O2 consommé est plus simple que mesurer la chaleur : c’est la méthode utilisée en médecine du sport.
Trace écrite : ce que je retiens
À retenir
L’organisme dépense de l’énergie en permanence et la restitue sous forme de chaleur.
La calorimétrie directe mesure la chaleur dégagée : Q = m × c × Δθ.
La calorimétrie indirecte utilise le volume d’O₂ consommé × coefficient thermique (≈ 20 kJ/L).
L’intensité respiratoire est le volume d’O₂ consommé par unité de masse et de temps.
Le quotient respiratoire (CO₂/O₂) indique la nature des nutriments oxydés.
je retiensle budgetdates et durées
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Vocabulaire à connaître
Calorimétriemesure de la chaleur produite.Dépense énergétiquequantité d’énergie utilisée par un organisme pendant un temps donné.Intensité respiratoireO₂ consommé par unité de masse et de temps.Quotient respiratoirerapport CO₂ rejeté / O₂ consommé.Coefficient thermique de l’O₂énergie libérée par litre d’O₂ consommé.
Je m’évalue
1. Quelle formule utilise-t-on en calorimétrie directe ?
2. Quel est le rôle de la potasse dans le respiromètre ?
3. Un sujet consomme 20 L d’O₂ en 1 h : quelle est sa dépense ?
4. Que vaut le QR quand on oxyde uniquement des glucides ?
Réponses : Q = m × c × Δθ · absorber le CO₂ · ≈ 402 kJ/h · 1. Le corrigé détaillé et d’autres exercices de ce chapitre sont dans les exercices corrigés.
la respirationles féculentsles fumées
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Erreurs fréquentes
Oublier que la potasse absorbe le CO₂ : le volume mesuré est celui de l’O₂ consommé.
Confondre intensité respiratoire (par unité de masse) et volume total d’O₂ consommé.
Oublier de convertir les minutes en heures dans les calculs.
Méthode
Pour calculer une dépense énergétique : (1) ramène le volume d’O₂ à l’heure ; (2) choisis le coefficient thermique adapté (20,1 kJ/L si l’alimentation est mixte ou si le QR vaut 0,85) ; (3) multiplie ; (4) écris l’unité (kJ/h) et commente le résultat.
Activité d’intégration
Au centre médico-sportif de Yaoundé, on mesure les échanges gazeux de Samuel, footballeur de 70 kg. Au repos : 0,25 L d’O₂/min. Pendant un exercice sur vélo : 2,5 L d’O₂/min et 2,3 L de CO₂/min.
Calcule sa dépense énergétique horaire au repos et à l’effort (20,1 kJ/L).
Calcule son QR pendant l’exercice et interprète-le.
Explique pourquoi Samuel a très chaud pendant l’effort.