Енергетичні функції тіла [1]

Усі функції організму, від мислення до підняття тягарів, вимагають енергії. Багато дрібних м’язових дій, що супроводжують будь-яку спокійну активність - від сну до подряпин голови, зрештою стають тепловою енергією, як і менш помітні м’язові дії серця, легенів та травного тракту. Швидкість, з якою організм використовує харчову енергію для підтримки життя та виконання різних видів діяльності, називається швидкістю обміну речовин. Загальний коефіцієнт перетворення енергії людини, що перебуває в стані спокою, називається базальною швидкістю обміну речовин (BMR) і розподіляється між різними системами організму, як показано в наступній таблиці:

людського

Базальний метаболічний показник (BMR)
Орган Споживана потужність у спокої (Вт) Споживання кисню (мл/хв) Відсоток BMR
Печінка та селезінка 23 67 27
Мозок 16 47 19
Скелетні м’язи 15 45 18
Нирки 9 26 10
Серце 6 17 7
Інший 16 48 19
Підсумки 85 Вт 250 мл/хв 100%

Організм здатний накопичувати внутрішньо хімічну потенційну енергію та теплову енергію. Пам'ятаючи, що теплова енергія - це лише кінетична енергія атомів і молекул, ми усвідомлюємо, що ці два типи енергії зберігаються мікроскопічно і всередині тіла. Тому ми часто вкладаємо ці два типи мікроскопічної енергії у внутрішню енергію (). Коли на об'єкті тепліше, ніж його оточення, тоді теплова енергія буде передаватися від об'єкта до оточення, але якщо об'єкт прохолодніше, ніж його оточення, то теплова енергія буде передаватися в об'єкт з його оточення. Кількість теплової енергії, що обмінюється через різницю температур, часто називають тепловою (). Коли тепло передається з організму в навколишнє середовище, ми називаємо це вихлопним теплом, як зазначено на попередньому малюнку. Ми дізнаємось більше про те, як температура і тепловіддача пов'язані в наступному блоці.

Енергозбереження

Принцип збереження енергії стверджує, що енергію не можна створювати чи руйнувати. Отже, якщо тіло виконує корисну роботу з передачі механічної енергії своєму оточенню () або передає теплову енергію навколишньому середовищу як тепло, тоді ця енергія повинна вийти з внутрішньої енергії тіла. Ми спостерігаємо це у всій природі як Перший закон термодинаміки:

(1)

Теплові двигуни

Ваше тіло використовує хімічну потенційну енергію, що зберігається всередині, для роботи, і цей процес також генерує теплову енергію, яку ви виділяєте як відпрацьоване тепло. Двигуни внутрішнього згоряння, що живлять більшість автомобілів, працюють подібним чином, перетворюючи хімічну потенційну енергію в паливі в теплову енергію шляхом згоряння, потім перетворюючи частину теплової енергії в корисну роботу і скидаючи частину у відпрацьоване тепло. Твоє тіло здатне виділяти потенційну хімічну енергію у їжі без згоряння, що добре, оскільки ти не здатний використовувати теплову енергію, яку отримуєш із внутрішньої енергії, для роботи. Машини, які можуть використовувати теплову енергію для роботи, наприклад, двигун внутрішнього згоряння, відомі як теплові машини. Теплові двигуни досі регулюються Першим законом термодинаміки, тому будь-яке тепло, що відводиться, повинно було бути тепловою енергією, яка не використовувалась для роботи. Вхід теплової енергії, який може використовуватися для роботи, а не витрачатися як відпрацьоване тепло, визначає ефективність роботи теплового двигуна.

Ефективність людського організму у перетворенні хімічної потенційної енергії в корисну роботу відома як механічна ефективність організму. Ми часто обчислюємо механічну ефективність організму у відсотках:

(2)

Механічна ефективність організму обмежена, оскільки енергія, яка використовується для обмінних процесів, не може бути використана для корисної роботи. Додаткова теплова енергія, що утворюється під час хімічних реакцій, що сприяє скороченню м’язових скорочень разом із тертям у суглобах та інших тканинах, ще більше знижує ефективність людини. [2] .

Вправи на підкріплення

“На жаль, нашим тілам не 100 % ефективно перетворює харчову енергію в механічну. Але приблизно в 25 % ефективності, ми напрочуд гарні, враховуючи, що більшості автомобілів близько 20 років %, і що кукурудзяне поле в Айові становить лише близько 1,5 % ефективно перетворює надходить сонячне світло на зберігання хімічної [потенційної енергії] ". [3] Для чудового обговорення механічної ефективності людини та порівняння з іншими машинами та джерелами палива див. MPG of a Human Тома Мерфі, джерело попередньої цитати.

Повсякденний приклад: Енергія для підйому сходами

Припускаючи 20% механічну ефективність підйому по сходах, на скільки зменшується ваша внутрішня енергія, коли 65 кг людина піднімається на 15 м високий схід? Скільки теплової енергії людина передає в навколишнє середовище як відпрацьоване тепло ?

Спочатку давайте обчислимо зміну гравітаційної потенційної енергії:

Людина справді працював над перетворенням хімічної потенційної енергії у своєму тілі в механічну, зокрема гравітаційну потенційну енергію. Однак вони ефективні лише на 20%, а це означає, що лише 1/5 хімічної потенційної енергії, яку вони використовують, йде на корисну роботу. Отже, зміна хімічної потенціальної енергії повинна була бути в 5 разів більшою, ніж механічна робота

Використана хімічна потенційна енергія виходила із внутрішньої енергії людини, тому:

Ми можемо використовувати Перший закон термодинаміки, щоб знайти теплову енергію, вичерпану людиною:

(3)

Перестановка на:

Ми виявляємо, що тепло є негативним, що має сенс, оскільки людина вичерпує теплову енергію з організму та в навколишнє середовище під час підйому сходами.

Як варіант, ми могли б відразу знати, що тепло відпрацьованих газів має становити 4/5 загальної втрати внутрішньої енергії, оскільки лише 1/5 пішло на корисну роботу. Отже, тепло відпрацьованих газів повинно бути:

Повсякденні приклади

Яку частку бублика вам потрібно з’їсти, щоб компенсувати 47775 J втрата внутрішньої енергії (як хімічна потенційна енергія), яку ми розрахували в попередньому щоденному прикладі про підйом по сходах?

Є 1464 400 J/ бублик

Тому нам потрібно їсти:

Вправи на підкріплення

Процес травлення в основному є процесом окислення їжі, тому споживання енергії прямо пропорційне споживанню кисню. Отже, ми можемо визначити фактичну енергію, спожиту під час різних видів діяльності, вимірюючи споживання кисню. У наступній таблиці наведено показники споживання кисню та відповідних норм енергії для різних видів діяльності.

Норми споживання енергії та кисню в середньому складають 76 кг чоловічої статі
Діяльність Споживання енергії у ватах Витрата кисню в літрах O2/хв
Сплячий 83 0,24
Сидячи в спокої 120 0,34
Стоїть розслаблено 125 0,36
Сидячи в класі 210 0,60
Піші прогулянки (5 км/год) 280 0,80
Велоспорт (13–18 км/год) 400 1.14
Тремтіння 425 1.21
Гра в теніс 440 1.26
Плавання брасом 475 1.36
Катання на ковзанах (14,5 км/год) 545 1,56
Підйом по сходах (116/хв) 685 1,96
Велоспорт (21 км/год) 700 2,00
Біг по пересіченій місцевості 740 2.12
Грати в баскетбол 800 2.28
Велоспорт, професійний гонщик 1855 рік 5.30
Спринт 2415 6,90

Повсякденні приклади: Знову підйом по сходах

У попередніх прикладах ми припускали, що наша механічна ефективність при підйомі по сходах становила 20%. Давайте використаємо дані у наведеній вище таблиці, щоб перевірити це припущення. Дані в таблиці наведені для 76 кг людина, що піднімається 116 сходами за хвилину. Давайте обчислимо швидкість, з якою ця людина виконувала механічну роботу під час сходження по сходах, і порівняємо ту швидкість, з якою вона витрачала внутрішню енергію (спочатку з їжі).

Мінімальна стандартна висота сходинки в США становить 6,0 дюйма [4] (0,15 м) тоді гравітаційна потенціальна енергія 76 кг людина збільшиться на 130 J з кожним кроком, як розраховано нижче:

При підйомі 116 сходів на хвилину швидкість використання енергії, або потужності, тоді становитиме:

Згідно з нашою таблицею даних, організм використовує 685 W підніматися сходами з такою швидкістю. Давайте обчислимо ефективність:

У відсотках ця людина має 32% механічної ефективності при підйомі по сходах. Ми могли недооцінювати у попередніх прикладах, коли ми припускали 20% ефективність для підйому по сходах.

Вправи на підкріплення

Подібно до ефективності організму, ефективність будь-якого енергетичного процесу можна описати як кількість енергії, перетвореної від вхідної форми до бажаної форми, поділену на вихідну введену кількість. Наступна діаграма описує ефективність різних систем при перетворенні енергії різних форм. Діаграма не враховує витрати, ризик небезпеки чи вплив на навколишнє середовище, пов’язані з необхідним паливом, будівництвом, технічним обслуговуванням та побічними продуктами кожної системи.

Ефективність людського тіла порівняно з іншими системами
Система Форма вхідної енергії Бажана вихідна форма Максимальна ефективність
Тіло людини Хімічний потенціал Механічний 25%
Автомобільний двигун Хімічний потенціал Механічний 25%
Вугільні/нафтові/газові турбінні електростанції Хімічний потенціал Електрична 47%
Комбіновані газові електростанції Хімічний потенціал Електрична 58%
Біомаса/Біогаз Кінетична Електрична 40%
Ядерна Кінетична Електрична 36%
Сонячно-фотоелектрична електростанція Сонячне світло (електромагнітне) Електрична 15%
Сонячно-теплова електростанція Сонячне світло (електромагнітне) Електрична 23%
ГЕС та припливні електростанції Гравітаційний потенціал Електрична 90%+

Ознайомтесь із вкладкою енергетичних систем у цьому моделюванні, щоб наочно уявити різні системи перетворення енергії