Ефективність людського організму; Рух фізики тіла до метаболізму
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:
| 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.