Toate funcțiile corporale, de la gândire la ridicarea greutăților, necesită energie. Multe acțiuni musculare mici care însoțesc orice activitate liniștită, de la somn până la zgârierea capului, devin în cele din urmă energie termică, ca acțiuni musculare mai puțin vizibile de către inimă, plămâni și tractul digestiv. Rata la care organismul folosește energia alimentară pentru a susține viața și pentru a face diferite activități se numește rata metabolică. Rata totală de conversie a energiei unei persoane în repaus se numește rata metabolică bazală (BMR) și este împărțită între diferite sisteme din corp, așa cum se arată în tabelul următor:

eficiența

Ratele metabolice bazale (BMR)
Organ Putere consumată în repaus (W) Consumul de oxigen (mL/min) Procentul de BMR
Ficat și splină 23 67 27
Creier 16 47 19
Mușchi scheletic 15 45 18
Rinichi 9 26 10
Inima 6 17 7
Alte 16 48 19
Totaluri 85 W 250 ml/min 100%

Corpul este capabil să stocheze energie potențială chimică și energie termică intern. Amintindu-ne că energia termică este doar energia cinetică a atomilor și moleculelor, recunoaștem că aceste două tipuri de energie sunt stocate microscopic și intern în corp. Prin urmare, adunăm adesea aceste două tipuri de energie microscopică în energia internă (). Când obiectul este mai cald, atunci împrejurimile sale, atunci energia termică va fi transferată de la obiect la împrejurimi, dar dacă obiectul este mai rece decât împrejurimile, atunci energia termică va fi transferată în obiect din împrejurimile sale. Cantitatea de energie termică schimbată din cauza diferențelor de temperatură este adesea numită căldură (). Când căldura este transferată din corp în mediul înconjurător, spunem că numim aceasta căldură de evacuare, așa cum se indică în figura anterioară. Vom afla mai multe despre cum sunt legate temperatura și transferul de căldură în următoarea unitate.

Conservarea Energiei

Principiul conservării energiei afirmă că energia nu poate fi creată sau distrusă. Prin urmare, dacă corpul face lucrări utile pentru a transfera energie mecanică în împrejurimile sale () sau pentru a transfera energie termică în mediu ca căldură, atunci acea energie trebuie să fi ieșit din energia internă a corpului. Observăm acest lucru în întreaga natură ca Prima Lege a Termodinamicii:

(1)

Motoare termice

Corpul tău folosește energia potențială chimică stocată intern pentru a lucra și acest proces generează, de asemenea, energie termică, pe care o eliberezi ca căldură de evacuare. Motoarele cu ardere internă care alimentează majoritatea mașinilor funcționează în mod similar transformând energia potențială chimică din combustibil în energie termică prin combustie, apoi transformând o parte din energia termică în muncă utilă și aruncând o parte în căldura evacuată. Corpul tău este capabil să elibereze energia potențială chimică din alimentele tale fără combustie, ceea ce este bine, pentru că nu ești capabil să-ți folosești energia termică din energia internă pentru a lucra. Mașinile care pot folosi energia termică pentru a lucra, cum ar fi un motor cu ardere, sunt cunoscute sub numele de motoare termice. Motoarele termice sunt încă guvernate de prima lege a termodinamicii, deci orice căldură de evacuare trebuie să fi fost energie termică care nu a fost folosită pentru a lucra. Intrarea de energie termică care poate fi utilizată pentru a lucra, mai degrabă decât irosită ca căldură evacuată, determină eficiența motorului termic.

Eficiența corpului uman în conversia energiei potențiale chimice în lucrări utile este cunoscută sub numele de eficiența mecanică a corpului. De multe ori calculăm eficiența mecanică a corpului ca procent:

(2)

Eficiența mecanică a corpului este limitată, deoarece energia utilizată pentru procesele metabolice nu poate fi utilizată pentru a face lucrări utile. Energia termică suplimentară generată în timpul reacțiilor chimice care alimentează contracțiile musculare împreună cu fricțiunea în articulații și alte țesuturi reduce și mai mult eficiența oamenilor. [2] .

Exerciții de întărire

„Din păcate, corpurile noastre nu sunt 100 % eficient la transformarea energiei alimentare în producție mecanică. Dar la aproximativ 25 de ani % eficiență, suntem surprinzător de buni având în vedere că majoritatea mașinilor au aproximativ 20 de ani %, și că un câmp de porumb din Iowa are doar 1,5 % eficient la transformarea luminii solare primite în stocarea substanțelor chimice [energie potențială]. [3] Pentru o discuție excelentă despre eficiența mecanică a omului și comparații cu alte mașini și surse de combustibil, consultați MPG of a Human de Tom Murphy, sursa citatului anterior.

Exemplu cotidian: energie pentru a urca scările

Presupunând o eficiență mecanică de 20% la urcarea scărilor, cât de mult scade energia dvs. internă atunci când un 65 kg persoana urcă un 15 m scara mare? Câtă energie termică transferă persoana în mediu ca căldură evacuată ?

În primul rând, să calculăm schimbarea energiei potențiale gravitaționale:

Persoana a lucrat în conversia energiei potențiale chimice din corpul său în energie mecanică, în special a energiei potențiale gravitaționale. Cu toate acestea, acestea sunt eficiente cu doar 20%, ceea ce înseamnă că doar 1/5 din energia potențială chimică pe care o folosesc intră în muncă utilă. Prin urmare, schimbarea energiei potențiale chimice trebuie să fi fost de 5 ori mai mare decât puterea mecanică de lucru

Energia potențială chimică utilizată a ieșit din energia internă a persoanei, astfel:

Putem folosi Prima Lege a Termodinamicii pentru a găsi energia termică epuizată de persoană:

(3)

Rearanjare pentru:

Am descoperit că căldura este negativă, ceea ce are sens deoarece persoana epuizează energia termică din corp și în mediu în timp ce urcă scările.

Alternativ, am fi putut ști de îndată că căldura evacuată trebuie să fie 4/5 din pierderea totală de energie internă, deoarece doar 1/5 a intrat în munca utilă. Deci căldura de evacuare ar trebui să fie:

Exemple de zi cu zi

Ce fracție dintr-un covrig ar trebui să mănânci pentru a compensa 47.775 . pierderea de energie internă (ca energie potențială chimică) pe care am calculat-o în exemplul anterior zilnic despre urcarea scărilor?

Sunt 1.464.400 ./ bagel

Prin urmare, trebuie să mâncăm:

Exerciții de întărire

Procesul digestiv este practic unul dintre alimentele oxidante, astfel încât consumul de energie este direct proporțional cu consumul de oxigen. Prin urmare, putem determina energia reală consumată în timpul diferitelor activități prin măsurarea consumului de oxigen. Tabelul următor prezintă ratele de consum de oxigen și de energie corespunzătoare pentru diferite activități.

Ratele consumului de energie și oxigen pentru o medie de 76 kg mascul
Activitate Consumul de energie în wați Consumul de oxigen în litri O2/min
Dormit 83 0,24
Stând în repaus 120 0,34
Stând relaxat 125 0,36
Stând în clasă 210 0,60
Mers (5 km/h) 280 0,80
Ciclism (13-18 km/h) 400 1.14
Tremurând 425 1.21
Joc tenis 440 1.26
Înot în sân 475 1,36
Patinaj pe gheață (14,5 km/h) 545 1,56
Urcarea scărilor (116/min) 685 1,96
Ciclism (21 km/h) 700 2.00
Alergare de fond 740 2.12
A juca baschet 800 2.28
Ciclism, pilot profesionist 1855 5.30
Sprint 2415 6,90

Exemple de zi cu zi: Urcarea scărilor din nou

În exemplele anterioare am presupus că eficiența noastră mecanică la urcarea scărilor a fost de 20%. Să folosim datele din tabelul de mai sus pentru a verifica această ipoteză. Datele din tabel sunt pentru 76 kg persoană urcând 116 scări pe minut. Să calculăm rata la care acea persoană a lucrat mecanic în timp ce urca scările și comparăm rata la care a consumat energia internă (inițial din alimente).

Înălțimea minimă a pasului standard în SUA este de 6,0 inci [4] (0,15 m) atunci energia potențială gravitațională a unui 76 kg persoana va crește cu 130 . cu fiecare pas, calculat mai jos:

Când urcați 116 scări pe minut, rata consumului de energie sau a energiei va fi atunci:

Conform tabelului nostru de date, corpul folosește 685 W să urci scările cu acest ritm. Să calculăm eficiența:

Ca procent, această persoană este 32% eficientă mecanic atunci când urcă scările. Este posibil să fi subestimat în exemplele anterioare când am presupus o eficiență de 20% pentru urcarea scărilor.

Exerciții de întărire

Similar cu eficiența corpului, eficiența oricărui proces energetic poate fi descrisă ca fiind cantitatea de energie convertită din formularul de intrare în forma dorită împărțită la cantitatea inițială de intrare. Următorul grafic prezintă eficiența diferitelor sisteme la conversia diferitelor forme de energie. Graficul nu ia în considerare costul, riscul de pericol sau impactul asupra mediului asociat cu combustibilul necesar, construcția, întreținerea și subprodusele fiecărui sistem.

Eficiența corpului uman în comparație cu alte sisteme
Sistem Forma de energie de intrare Formularul de ieșire dorit Eficiență maximă
Corpul uman Potențial chimic Mecanic 25%
Motor auto Potențial chimic Mecanic 25%
Centrale electrice cu turbină cu flux de cărbune/petrol/gaz Potențial chimic Electric 47%
Centrale electrice pe gaz cu ciclu combinat Potențial chimic Electric 58%
Biomasă/Biogaz Cinetică Electric 40%
Nuclear Cinetică Electric 36%
Centrală solară-fotovoltaică Lumina soarelui (electromagnetică) Electric 15%
Centrală solară-termică Lumina soarelui (electromagnetică) Electric 23%
Centrale hidroelectrice și mareometrice Potențial gravitațional Electric 90%+

Consultați fila sisteme energetice din această simulare pentru a vizualiza diferite sisteme de conversie a energiei