Bilanțul de energie și căldură al oamenilor

căldură

Imagine: „Fotografia transpirației la etapa Wilson Trail 1” de Minghong. Licență: CC BY-SA 3.0

Echilibrul energetic al oamenilor

Energie și performanță

În termeni fizici, energia este forma de stocare a muncii. Energia este dată în unitatea Joule [J] (1 Joule = N * m) și poate fi prezentă, de exemplu, ca energie cinetică, termică sau electrică. Unitatea de calorii [cal] este utilizată pentru forma energetică a căldurii și este obișnuită pentru descrierea conținutului de energie al alimentelor. Se aplică următoarele: 1 cal este echivalent cu 4.187 jouli.

Consumul de energie al oamenilor trebuie înțeles fizic ca putere (energie/timp) și are unitatea de watt [W] (1 watt = 1 joule/s). De obicei, însă, cifra de afaceri este legată de întreaga zi, iar valorile sunt date în jouli/zi.

Cifra de afaceri a energiei

Procesele de lucru ale diferitelor funcții vitale de bază au loc în corpul uman fără întrerupere. Acestea necesită o cantitate de bază de energie, cunoscută sub numele de Rata metabolică bazală (GU) desemnat. Pentru a defini rata metabolică bazală, sunt stabilite o serie de condiții standardizate. Aceste 4 condiții sunteți:

  • Odihna fizică și psihică
  • Sobru
  • Temperatura indiferenței
  • În dimineața devreme

Imagine: „Rata metabolică bazală a bărbaților și femeilor în funcție de vârstă și greutate; determinată cu formula Mifflin și formula IMC ”de la Shaddim. Licență: CC BY-SA 3.0

Măsurarea în primele ore ale dimineții se datorează ritmului circadian al temperaturii corpului, cu care cheltuielile de energie scad la minimum dimineața devreme.

Următoarea formulă este utilizată pentru a estima aproximativ rata metabolică bazală a persoanelor sănătoase: Rata metabolică bazală este de aproximativ 100 kJ pe kg de greutate corporală pe zi sau aproximativ 1 watt/kg. Aceasta are ca rezultat o rată metabolică bazală de aproximativ 7000 kJ/zi pentru o persoană cu o greutate corporală de 70 kg.

Rata metabolică bazală crește odată cu febra, adaptarea la frig și sub influența cortizolului (stresului) și a hormonilor tiroidieni (hipertiroidism). Femeile au în mod natural o rată metabolică bazală mai mică decât bărbații.

Dacă cheltuielile de energie sunt crescute prin activitate fizică mentală sau ușoară, se vorbește despre Vânzări de timp liber sau. Vânzări vizate. Este cu aproximativ 30% peste rata metabolică bazală. Dacă există o creștere puternică a vânzărilor din cauza stresului fizic, se vorbește despre Cifra de afaceri.

Sursele de energie și valorile calorice ale acestora

Pentru a compensa consumul de energie umană și Bilanțul energetic Pentru a menține această constantă, trebuie folosiți („arși”) substanțe nutritive bogate în energie. Aprovizionarea cu energie a oamenilor are loc prin intermediul celor trei substraturi alimentare esențiale carbohidrați, grăsimi și proteine.

Valorile lor calorifice medii fiziologice sunt după cum urmează:

nutrient puterea calorifică fiziologică
Lipide (grăsimi) 39 kJ/g
glucide 17 kJ/g
Proteine 17 kJ/g
alcool 30 kJ/g

Se distinge fizic și puterea calorifică fiziologică. Puterea calorică fizică a nutrienților este conținutul de energie absolut, puterea calorică fiziologică este porțiunea acestei energii pe care corpul uman o poate folosi.

În procesarea alimentelor, acest lucru joacă doar un rol pentru proteine, deoarece oamenii nu pot utiliza întreaga cantitate de energie (23 kJ/g) și pot elimina uree inutilizabilă, dar bogată în energie. Valoarea calorifică fiziologică este deci mai mică decât cea fizică.

Calorimetria și echivalentul caloric

Se numește determinarea cifrei de afaceri a energiei Calorimetrie desemnat. calorimetrie directă Măsurarea căldurii degajate în timpul unei reacții de ardere nu mai este utilizată astăzi. În sport și medicina muncii, calorimetrie indirectă pe de altă parte încă un anumit sens. Cantitatea de energie consumată este dedusă din consumul de oxigen al pacientului.

Pentru a trage concluzii despre energia convertită din consumul de O2, aveți nevoie de asta Echivalent caloric (KÄ). Aceasta specifică cantitatea de energie specifică pentru un anumit substrat care este eliberat în timpul arderii folosind un litru de O2. Echivalentul caloric pentru o dietă medie din Europa Centrală este de 20 kJ pe litru de O2 consumat. Echivalenții calorici ai nutrienților individuali pot fi găsiți în tabel. Pentru a determina consumul de oxigen al persoanei în cauză, de obicei se recade la spirometrie.

nutrient echivalent caloric
glucide 21 kJ/l O2
Lipidele 19,5 kJ/l O2
Proteine 19 kJ/l O2

Coeficientul respirator

Echivalentul caloric de 20 kJ pe litru de oxigen consumat se aplică alimentelor mixte din Europa Centrală și poate varia în funcție de compoziția alimentelor. Deoarece echivalenții calorici ai carbohidraților, grăsimilor și proteinelor sunt între 19 kJ și 21 kJ pe litru de O2, posibila eroare este destul de mică.

Cu toate acestea, pentru a obține un rezultat mai precis, trebuie să utilizați Coeficient respirator (RQ) identificați substratul principal ars. Aceasta descrie raportul dintre CO2 emis la O2 absorbit și este între 0,7 și 1,0 în funcție de alimente. Acest tabel prezintă coeficienții respiratori atunci când este ars un singur substrat. Debitul de CO2 este, de asemenea, determinat folosind spirometrie deschisă.

nutrient coeficient respirator
glucide RQ = 1,0
Lipidele RQ = 0,7
Proteine RQ = 0,81

Indicele de masă corporală (IMC)

Un echilibru energetic dezechilibrat duce la o creștere sau scădere a greutății corporale și, astfel, a indicelui de masă corporală (IMC). Un IMC crescut se bazează în principal pe creșterea țesutului adipos cu un bilanț energetic pozitiv pentru o lungă perioadă de timp, dar poate reflecta și masa musculară în creștere la sportivi. Dintr-un IMC> 30, există un risc semnificativ mai mare de boli cardiovasculare și diabet zaharat și, prin urmare, o rată a mortalității semnificativ mai mare.

Imagine: „Grafic simplificat al indicelui de masă corporală” de către Utilizator: Amog. Licență: CC BY-SA 3.0

Compoziția nutrițională optimă

Proporțiile diferitelor componente nutriționale ale unei diete echilibrate ar trebui să se bazeze pe următoarele linii directoare: Aportul zilnic recomandat pentru proteine ​​este de 1 g de proteine ​​per kg de greutate corporală pe zi. Acest lucru este cunoscut sub numele de Proteine ​​optime și asigură remodelarea zilnică a proteinelor structurale. Necesarul de energie al oamenilor ar trebui acoperit la aproximativ 50% de carbohidrați, 30% de grăsimi și 10% de proteine. Energia din alcool reprezintă adesea 5% din necesarul zilnic, dar în niciun caz nu ar trebui să reprezinte o proporție semnificativ mai mare.

Echilibrul termic al oamenilor

Corpul uman depinde de o temperatură constantă a corpului pentru a funcționa în mod fiabil. Există diverse mecanisme de reglementare pentru a asigura acest lucru cu cea mai mare certitudine posibilă și în ciuda fluctuațiilor condițiilor externe.

Căldura generată în organism în timpul reacțiilor de ardere trebuie, pe de o parte, să fie utilizată pentru a menține o temperatură stabilă, pe de altă parte, trebuie să poată fi, de asemenea, eliberată în mod eficient în mediul înconjurător, dacă este disponibil un exces de energie. Temperatura normală a corpului este în jur de 37 ° C, dar fluctuează fiziologic în jur de 1 ° C într-un ritm circadian.

Reglarea temperaturii corpului

Se numește abilitatea de a menține o temperatură constantă a corpului de aproximativ 37 ° C Termoreglare iar centrul temperaturii și al reglării metabolice se află în hipotalamus. Atât direct la fața locului, cât și în periferie există receptori de frig și căldură (Termoreceptori), care își transmit informațiile către centrul de termoreglare. Asa numitul Punct de referință setat, adică temperatura pe care corpul încearcă să o mențină.

Se diferențiază condițiile de temperatură din corp Miezul corpului, deci trunchiul care conține organele vitale ale Carcasa corpului (Periferie), deci extremitățile. Schimbul de căldură funcționează prin fluxul sanguin. Corpul acordă prioritate maximă menținerii temperaturii centrale a corpului. Deci, atunci când mediul răcește corpul, fluxul de sânge către periferie este redus, astfel încât acesta să se răcească mai puternic decât nucleul corpului.

Această reacție la hipotermia ușoară se numește centralizare și reduce pierderile de căldură pe suprafața mare a extremităților. Temperatura învelișului corpului se poate abate de la temperatura corpului central cu până la 9 ° C atunci când este foarte rece. Din exterior, puteți vedea pielea palidă și buzele albăstrui. Când temperatura ambiantă este caldă, vasele din piele se extind și periferia este bine alimentată cu sânge. În acest caz, temperaturile din miezul corpului și periferie se apropie una de alta.

Temperatura indiferenței

Un domeniu de temperatură perceput ca fiind plăcut pentru oameni, în care termoreglarea nu necesită un efort mare și poate fi menținut constant numai prin circulația sângelui în piele, este cunoscut ca Temperatura indiferenței. Pentru o persoană îmbrăcată în repaus și cu umiditate medie, aceasta este de 28-30 ° C; pentru o persoană îmbrăcată, se presupune că este în jur de 22 ° C. În afara acestei zone, trebuie utilizate diferite mecanisme pentru a asigura o temperatură constantă a corpului de 37 ° C.

Generarea de căldură

Reacțiile chimice, în special reacțiile de ardere, generează căldură în corpul uman. Producția de căldură a organelor individuale în repaus și sub stres și ponderea lor în căldura totală produsă diferă foarte mult. În special, prin activitatea musculară, producția de căldură poate fi crescută considerabil și oferă o pondere de până la 90%.

În plus față de nevoia tot mai mare de a face mișcare la frig sub formă de activitate musculară voluntară, Tremurând se poate produce căldură suplimentară. Această reacție involuntară va fi, de asemenea, reflexivă Antagoniști activat astfel încât să nu existe mișcare efectivă.

Bine alimentat cu sânge și bogat în energie Țesut adipos maro oferă o formă de producție de căldură extrem de importantă pentru sugar generare de căldură fără tremurături se numește. Proteina membrana Termogenina, de asemenea UCP-1 (= decuplarea proteinei 1) decuplează lanțul respirator. În acest fel, descompunerea acizilor grași este „scurtcircuitată”, astfel încât nu se formează ATP și aproape toată energia este eliberată sub formă de căldură. Astfel, stimulat de β-adrenoreceptori, căldura poate fi asigurată în mod deosebit de rapid.

Emisia de căldură

Cu munca fizică grea, se generează multă energie termică, în special prin munca musculară. Pentru a elibera din nou acest exces de căldură, corpul are la dispoziție patru mecanisme diferite.

Conducerea sau conducerea termică descrie eliberarea de căldură prin piele atunci când vine în contact direct cu un alt material. Când este atinsă, persoana pierde căldura, gradul acestui schimb de căldură depinzând în mare măsură de conductivitatea termică a materialului. De exemplu, metalul, care este foarte conductiv, pare semnificativ mai rece decât lemnul, de exemplu, și se pierde mai multă căldură prin conducție.

De convecție pe de altă parte, se vorbește despre transferul căldurii către un mediu în mișcare, adică mai ales aerul care ne înconjoară. Suprafața corpului încălzește un strat de aer liniștit, care apoi crește și este înlocuit cu aerul rece care intră. Dacă mediul este în mișcare, adică schimbul este accelerat, schimbul de căldură crește, motiv pentru care temperatura percepută este mai rece atunci când există vânt. De asemenea, într-un mediu cu conductivitate mai mare, de ex. Apă, pierderea de căldură este mai mare. În condiții standardizate, aproximativ 15% din căldură este emisă prin convecție.

Spre deosebire de conducere și convecție, necesită Radiație termala (Radiatii infrarosii) fără contact direct. Fiecare corp eliberează energie obiectelor din mediu fără întrerupere. Extinderea aici depinde în principal de diferența de temperatură. În medie, aproximativ 60% din căldură părăsește corpul uman în acest fel.

evaporare (Evaporare) este un mecanism uman eficient pentru a emite excesul de căldură și este, de asemenea, singurul la temperaturi ambientale peste 36 ° C. Sudoare (Perspiratio sensibilis) poate fi reglat de organism și este supus influenței fibrelor colinergice ale sistemului nervos simpatic. Glandele sudoripare au numai receptori colinergici; în consecință, neurotransmițătorul lor este acetilcolina.

Căldura de evaporare a apei este de 2400 kJ/l, deci este posibil aici un grad ridicat de emisie de căldură, dar aceasta este limitată de umiditatea ridicată. Dacă corpul pierde cantități mari de lichid sărac în electroliți prin transpirație, poate apărea în acest fel o deshidratare hipertonică. Corpul pierde involuntar în jur de 500 ml de lichid în fiecare zi prin evaporarea din piele și mucoase, de exemplu, a căilor respiratorii. Acest fenomen se numește Perspiratio insensibilis și, în ciuda lipsei mecanismelor de reglementare, nu contribuie involuntar la pierderea de căldură.

Imagine: „Hipotalamusul controlează termoreglarea.” de philschatz. Licență: CC BY 4.0

febră

Hipertermie apare atunci când temperatura corpului de bază este crescută, de exemplu, printr-o activitate fizică intensă și mecanismele de disipare a căldurii sunt insuficiente. Cu toate acestea, în cazul febrei este Punct de referință temperatura corpului crește în centrele termoreglării centrale. Acest lucru poate avea cauze diferite. Adesea este vorba de inflamație bacteriană, dar procesele maligne pot fi, de asemenea, responsabile.

Substanțe mesager care induc febră, care în întregime sunt cunoscute sub numele de Pirogeni desemnat. Grupul străin corpului, piogeni exogeni constă în special din viruși și componente ale bacteriilor (polizaharide) care, prin interacțiunea cu macrofagele și granulocitele, duc la eliberarea substanțelor mesagere ale sistemului imunitar. La rândul lor, acești mediatori sunt denumiți pirogeni endogeni iar cei mai importanți reprezentanți ai acestora sunt interleukina-1 (IL-1), interferonii și factorii de necroză tumorală. La sfârșitul cascadei sunt prostaglandine, care determină creșterea valorii țintă a hipotalamusului.

Imagine: „Curs tipic de febră. Linia verde arată valoarea țintă, linia roșie temperatura corpului real. " de către DooFi. Licență: domeniu public

Unele semne clinice de creștere sau scădere a febrei sunt utilizate pentru a evalua dezvoltarea unui pacient cu febră. în Creșterea febrei Pacienții prezintă adesea o senzație puternică de frig, vasoconstricție pe piele și frisoane, deoarece temperatura corpului de bază este aici sub punctul (crescut) de referință. în Febra care cade pe de altă parte, există vasodilatație și transpirație abundentă. Medicamentele care scad febra se numesc Antipiretice și, la fel ca ibuprofenul, ele acționează adesea prin inhibarea sintezei prostaglandinelor.

Întrebări populare ale examenului privind echilibrul energetic și termic

Soluțiile pot fi găsite sub referințe.

1. Câte grame de grăsime au același conținut energetic ca 50 de grame de amidon?

  1. aproximativ 100 g
  2. aproximativ 850 g
  3. aproximativ 39 g
  4. aproximativ 21 g
  5. aproximativ 50 g

2. Câtă energie consumă corpul uman cu alimente mixte și un consum de oxigen de 12 l?

  1. 1200 kJ
  2. 240 kJ
  3. 120 kcal
  4. 300 de ani
  5. 120 kJ

3. Care afirmație despre echilibrul termic este greșită?

  1. Radiația de căldură reprezintă cea mai mare parte a emisiilor de căldură în repaus.
  2. Tremurul este răspunsul voluntar al corpului la frig.
  3. Termoreglarea are loc în principal în hipotalamus.
  4. Pirogenii determină o creștere a temperaturii setate la om.
  5. Glandele sudoripare sunt stimulate prin intermediul receptorilor colinergici pentru acetilcolină.

umfla

Fischer: MEDI-LEARN: Fiziologie 1-6 - The Physikumsskripte, ediția a IV-a

Soluții la întrebări: 1D, 2B, 3B