background image

 

First stage 

physics 

Lec-1

 

9/12/2015

 

  تيماء

 

 

Energy ,Work ,and Power of the Body 

 
We can consider the body to be an energy converter .All activities of the body , including 
thinking involve  energy changes. The conversion of energy into work such as lifting a 
weight or riding a bicycle  represents only a small fraction of total energy conversions of 
the body .Under resting conditions about 25% of the body’s energy is being used by the 
skeletal muscles and the heart , 19 % is being  used by the brain , 10 % is used by the 
kidneys  , and  27 % is being used by the liver and spleen . 
  The body’s  basic energy (fuel) source is food .The food is converted into molecules 
chemically  .The  body  uses  the    food  energy  to  operate  its  various  organs  :  maintain 
constant temperature , do external force , for example ,lifting. 
A small percentage (5 %) of the food energy is excreted in the feces and  urine ; any 
energy that is left over is stored as body fat  The energy used to operate the organs 
eventually appears as body heat .Some of this heat is useful in maintaining the body at 
its normal temperature,but the rest must be disposed of . 
 

Conservation of Energy in the Body 

Conservation of energy in the body can be written as a simple equation. 
 
[Change in stored energy ]  =[ Heat lost from the  body] +[Work done] 
[in the body(food energy,] 
[body fat,and body heat  ] 
 
There are a continuous energy changes in the body  both when is doing work and when 
it is not . 
 
The first law of thermodynamic equation is : 
 
∆U =∆Q + ∆W  ----------(1) 
 
Where ∆U is the change in stored energy 
           ∆Q  is the heat lost or gain  
           ∆W is the  work done by the body  in some interval of time . 
A  body  doing  no  work(∆W  =  0)  and  at  a  constant  temperature  to  lose  heat  to  its 
surroundings ,and ∆Q is  negative .∆U is  also negative,indicating a decrease in stored 
energy . 


background image

 

 
The change of ∆U , ∆Q and ∆W in a short interval of time ∆ t ,  
equation (1) becomes 
 
∆U =  ∆Q + ∆W       -----------(2) 
∆ t      ∆t      ∆t 
 
 where  ∆U/∆t is the rate of change of stored energy  
             ∆Q/∆t is rate of change of heat loss or gain, 
 
∆W/∆t is the rate of doing work , that is mechanical work . 

Energy  Changes in the Body  

The unit of energy in SI unit is Joule . 
The physiological unit of food energy is  Kilocalories . 
The unit of heat production = Kcal/minute 
1 Kcal =4184 J 
Power = Joule / second = Watts 
 
met : is the rate of energy consumption of the body. 
   
1 met =50 Kcal /hour per m²  of the body  surface area . 
A typical man has surface area 1.85 m² of the surface area  
A typical women has about 1.4 m²  of the surface area 
 
1 met =50 Kcal /hour per m²  = 58 watts/m²  
OR  
1 met =92 kcal /hr  
1 met =107 watts  
 
Metabolic rate (MR) 
Metabolic rate  is define  as the rate of oxidation . 
 
In oxidation process within the body heat is released as energy of metabolism. 
 
Basal Metabolic Rate  (BMR) : is the lowest rate of energy consumption. 
 
 
Basal  metabolic  rate  (BMR):Is  defined  as  the  amount  of  energy  needed  to  perform 
minimal  body  functions  (  Such  as  breathing  and  pumping  the  blood  through  the 
arteries ) under resting conditions . 


background image

 

 
 The energy used for basal metabolism becomes heat which is primarily dissipated from 
the skin , so that the basal rate is not related to the surface area but on the mass of the 
body  .The  metabolic  rate  depends  on  the  temperature  of  the  body  if    the  body  
temperature changes by 1 Cº ,there is a change of about 10 % in the metabolic rate . 
 
In oxidation of the glucose , heat energy is released . 
Example : 
C 6 H12 O6  + 6 O 2               6 H 2 O + 6 CO 2 +686Kcal 
                                         
1 (mole)   +      6 (mole)          6 (mole) + 6 (mole)+ heat  energy  
180gm              192gm              108gm  +64 gm    + 686 Kcal 
 
 Energy released per gm of  glucose =  686/180 = 3.8Kcal /gm  
  
Energy released per liter of O2  used = 686 /6 x22.4 =5.1 Kcal /liters 
 
Liters of O2 used per of fuel =  22.4 x 6/ 180 =0.75liters/gm 
 
Liters of CO 2 produced per gm of fuel =  6 x22.4/180 = 0.75liters /gm                               

 

Example (metabolic) 
Suppose you wish to lose 4.54 kg  either through physical activity or by dieting . 
 
 a . How long would you have to work at an  activity of 15 kcal/ min to lose 4.54 of fat ? 
from table  energy release  for 1 gm of fat is  9.3 kcal/g . If you work for T minutes ,then  
(T min)( 15 kcal/min) = (4.54 x 10³ g)(9.3 kcal/g  ) (T min)( 15 kcal/min) 
                                                     4 
( T min)( 15 kcal/min) =  4.2 x 10  kcal 
  T = 28810 min  
  T = 47 hour  the time taken to lose 4.54 kg of fat 
 
b.
 It is usually much easier to lose weight by reducing your food intake . If you   
    normally use 2500 kcal/day , how long must you diet at 2000 kcal/day to lose  
   4.54 kg of fat .                                           4 
T =energy of 4.54 kg fat              =   4.2 x 10 kcal 
     Energy of deficient per day         5x 10² kcal/day 
 
T =  84 days 

 


background image

 

Work and power 

Chemical energy stored in the body is converted into external mechanical work as well 
as into life –preserving functions . 
 
External work 
External work is defined as a force moved through a distance   Δx 
 
 ΔW = F Δx 
 
 where W is the work 
            Δx is the distance 
The force and the motion   x must be in the same direction . 
 
External  work  is done when a person is climbing a hill or walking up stairs ,  
We can calculate the work done : 
 
 Work done = persons weight  x  vertical distance   moved 
         W        =   m g h 
 
 When a man is walking or running at a constant speed on a level surface , most of the 
forces act in the direction perpendicular to his motion .  Thus , the external work which 
done by him appears to be zero .However , his muscles are doing internal work which 
appears as heat in the muscle and causes a rise in its temperature .this additional heat 
in the muscle is removed by blood flowing through the muscle , by conduction to the 
skin , and by sweating . 
We can measure the external work done and power supplied by a subject  , 
for example :riding a fixed bicycle  we can also measure  the oxygen consumed during 
this activity  , the total food energy consumed can be calculated since  
 5 kcal are produced for each liter of oxygen consumed . 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 


background image

 

Power 

Power is the rate of doing work 
   P  =   ΔW  
             Δt 
  where P  is the power 
The change in work is 
 
 ΔW = F Δx 
 
P = F Δx    
          Δt 
 
Power is the rate of doing work 
 
   P  =   ΔW  
             Δt 
  where P  is the power 
 
 
The change in work is 
 
 ΔW = F Δx 
 
P = F Δx    
          Δt 
 
P = F Δx 
         Δt 
Where Δ x / Δ t  is 
 
 
P = F v 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

Efficiency  of the human Body  

We can consider the human body as a machine in doing external work. 

The efficiency of the human body as a machine can be obtain from the usual definition 
of the efficiency ( ε ): 
 
  Efficiency ( ε ) = Work done  
                                Energy consumed   
    
 Efficiency ( ε  ) is lowest at low power  ,but can increase to 20 % for trained individuals 
in activities such as cycling and rowing .Table 1 shows the efficiency of man for several 
activities along with the efficiency of several mechanical engines.   

Table 1 Shows the efficiency of 

man for several activities

17

Steam engine

~3

Shoveling 

<2

~4

Swimming(on surface)

( under water)  

~20

Cycling

Efficiency 
%

Task  or Machine

The maximum work capacity of the 

body is variable 

Figu

re 1 

Figure1:phases  of 

work     

 

 
 
The maximum work capacity of the body is variable .For short periods of time the body 
can perform at very high power levels , but for long – term efforts it is more limited. 
Experimentally it has been found that long -term power is proportional to the maximum 
rate of oxygen consumption in the working muscles .

 

The body supplies instantaneous 

energy for short  - term power needs by splitting energy  - rich phosphates and glycogen , 
leaving an oxygen deficit in the body .This process can only last about a minute and is 
called  the  anaerobic  (  without  oxygen  )  phase  of  work;  long  –term  activity  requires 
oxygen ( aerobic work )  as shown in figure 1 .   

 
 
 


background image

 

Solution

 

 

Q.3 For a hypothetical animal that has a mass of 700 kg (the basal metabolic 

        rate = 10000 kcal /day ).Assuming  5 kcal/g of food , estimate the  
        minimum amount of food needed each day ? 
        The basal metabolic rate of mass 700kg = 10000 kcal/day  
         10000 = 2 x 10³ g/day  
              5 
       amount of food needed each day = 2 kg/day  
Q5.5 (a) What is the energy required to walk 20 km at 5 km/hr ? 
         From the table , the energy rate of walking activity at 5km/hr is  
          3.8 kcal /min . 
        The energy required to walk 20 km =3.8 kcal/min x 20km   x 60 min/hr 
                                                                                           5km/hr 
              Energy  = 912 kcal 
       (b) Assuming 5 kcal /g of food ,calculate the grams of food needed for 
             walk . 
            The amount of food needed for walk =[ Energy         ] 
                                                                           [ Energy /gm ] 
 
                                                                           = 912 kcal 
                                                                               5 kcal/gm  
                                                                           = 182 gram 
 
 
Q 5.7   Suppose that the elevator is broken in the building in which you work  
            and you have to climb  9 stories – a height of 45 m above ground  
            level .How many extra calories will this external work cost you if  
            your mass is 70 kg and your body  at 15% efficiency ?  
             
                External work = m g h 
                       = 70 x9.8x 45  
             since 1 kcal = 4.2 x10³ J 
                                
            External work     =  70 x9.8x 45 
                                          4.2 x10³ 
                                      = 7.3 kcal                                           
      calories needed = 7.3 kcal     =  7.3 
                                   efficiency      0.15 
                                   = 49 kcal 


background image

 

  
5.9 A 70 Kg hiker climbed a mountain 1000 m high . He reached the peak 
      in  3 hr . 
    a . calculate the external work done by the climber . 
         External work = m g h 
                                = 70 x 9.8 x 10³ 
                               = 6.9 x 10  J  
    b. Assuming the work was done at a steady rate during the 3 hr 
        period ,calculate the  power generated during climb. 
      
        Power = Work 
                       Time  
       Power =  6.9 x 10  J     = 64 watts 
                      3x 3600 sec 
   c. Assuming the average O2 consumption during the climb was 2 liter /min  
      (corresponding to 9.6 Kcal /min ), find the efficiency of the hiker’s body .  
     
       Energy consumed =( 9.6 Kcal /min )(180 min )(4.2 x 10³J/kcal) 
                                                6 
                                   = 7.3 x 10  J 
       Efficiency = work done         
                         Energy consumed   
 
                          €   =  6.9 x 10  
                                             6 
                                      7.3 x 10   
 
                            € = 0.094  
                            € =  9.4% 
   d .  How much energy appeared as heat in the body ? 
 
         Δ U =Δ Q + Δ W 

                 

       7.3 x 10  J = Δ Q + 6.9 x 10  

                            

       Δ Q = 6.6x 10 J 
 
 
 
 
 


background image

 

Q.15 Consider a man on a beach in Florida .It is a sunny day so he is 
          receiving radiation from the sun at the rate of 30 Kcal/hr .He has an  
          effective body surface of 0.9 m² ,Ts = 32 °C , and the temperature of  
          his  surrounding is 30 °C. 
       a. Find the net energy gained by radiation per hour . 
       b. If there is a breeze at 4m/sec ,find the energy lost by convection 
           per hour . 
       c. If he loses 10 Kcal/hr ,  and his metabolic rate is 80 kcal/hr , how  
            much heat is lost by evaporation? 
 
a.  Hr = Kr Ar e (Ts –Tw)  

      Since Kr = 5Kcal/ m². hr .°C  
                    e=1 
      Hr  = 5x 0.9 (32 -30) 
            =9  Kcal/hr 
b .  Hc  = Kc  Ac (Ts – T α) 
       Kc =10.45 – v + 10 √ v 
       Kc = 10.45 - 4  + 10 √4 
       Kc = 6.45 +20  
       Kc  = 26.5  Kcal /hr.m² .°C 
       Hc = 26.5 x 0.9 (32 – 30 ) 
       Hc = 48 Kcal /hr  
 
c.   Heat lost = Heat gain 
      Heat lost by radiation +evaporation +convection +respiration 
       Heat lost  = 9 +evaporation +48 +10 
       Heat lost  =67 + evaporation 
      Heat gain = 80 +30 = 110 
               110 =67 + evaporation 
     Heat lost by evaporation =110 -67 
     Heat lost by evaporation = 43 Kcal /hr 

 
 
 




رفعت المحاضرة من قبل: Hasan Abdulmawjoud
المشاهدات: لقد قام 70 عضواً و 1748 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل