Організм людини є відкритою термодинамічною системою, тобто він обмінюється з навколишнім середовищем речовинами, енергією та інформацією.
Як будь-яка термодинамічна система, організм людини підкоряється законам термодинаміки:
1-й закон:загальна енергія системи та навколишнього середовища постійна, та в ході хімічних реакцій та фізичних процесів енергія може переходити із однієї форми в іншу. Тобто, 1-й закон термодинаміки представляє собою закон збереження енергії. Кількість матерії і енергії, що переходить в організм точно відповідає кількості, яку організм повертає у навколишнє середовище.
2-й закон: всі самовільні процеси намагаються проходити в напрямку зростання ентропії системи та навколишнього середовища. Ентропія – це міра невпорядкованості системи, міра деструкції та розсіяності енергії.
У відповідності з другим законом термодинаміки всі самовільні процеси в організмі проходять в напрямку підвищення ентропії, тобто зменшення ступеня впорядкованості структур, які складають організм. Та організм людини, як і будь-який інший організм, характеризується високим ступенем впорядкованості структур.
Для підтримання структурної впорядкованості організм запозичує енергію з навколишнього середовища, тобто всередині організму створюється негентропія (проти ентропії), а навколо організму створюється ентропія. Кінцевим наслідком енергетичних перетворень, що відбуваються в організмі, у відповідності з другим законом термодинаміки, є теплота, що виділяється у навколишнє середовище.
Співвідношення між енергією, що надходить в організм і кількістю енергії, що виділяється організмом називається енергетичним балансом. Енергетичний баланс складається на основі визначення калорійності їжі і теплових витрат організму.
Методи визначення енерговитрат організму:
1. Пряма калориметрія. Дослідження проводять за допомогою спеціальних пристроїв – калориметрів, які не допускають втрати тепла в зовнішнє середовище. Прилад має подвійні стінки, між якими по системі трубок рухається рідина. Організм, який знаходиться в калориметрі, виділяє тепло, тому рідина в трубах нагрівається.
Оцінка енерговитрат за виділенням тепла із організму можлива, тому що вся енергія, яка використовується організмом, перетворюється в тепло і виділяється з організму у вигляді тепла (якщо не виконується зовнішня механічна робота).Метод точний, але громіздкий і не дозволяє виміряти енергетичні витрати організму під час руху.
2. Непряма калориметрія. Енерговитрати організму розраховують за його газообміном (за використанням кисню та виділенням вуглекислого газу). Правильність такого підходу є доведеною, тому що енергія поживних речовин звільняється в організмі людини, головним чином, в ході процесів аеробного окисного фосфорилювання; саме на ці процеси іде поглинений організмом О2, саме в ході цих процесів утворюється СО2, який виділяється з організму).
Визначення енерговитрат організму методом непрямої калориметрії включає наступні етапи:
а) визначення поглинання О2 та виділення СО2 організмом за певний час. Частіше всього розрахунки проводять, виходячи із різниці складу атмосферного (вдихуваного) та видихуваного повітря (у %) та величини ХОД. Для цього необхідно зібрати видихуване повітря в замкнуту ємність і визначити його газовий склад; визначають також ХОД;
Дихальний коефіцієнт – це співвідношення між об’ємами СО2, що видихується і об’ємом О2, який використовується для окислення.
За величиною ДК можна опосередковано судити про речовини,які киснюються.
Величина ДК в звичайних умовах змінюється від 0,7 до 1,0 і залежить від виду поживних речовин, які окиснюються в організмі.
При окисненні вуглеводів ДК = 1,0; білків – 0,8; жирів – 0,7, при змішаному окисненні поживних речовин ДК частіше всього коливається в межах від 0,8 до 0,85.
Калоричного коефіцієнту кисню (ККО2). Це кількість енергії яка звільняється при затраті одного літра кисню.
Енергетична цінність різних поживних речовин різна; в розрахунку на 1г речовини вона складає:
- жири = 9,3 ккал (39кДж);
- білки = 4,1 ккал (17кДж);
- вуглеводи = 4,1 ккал (17кДж).
Тобто, енергетична цінність жирів більше ніж в 2 рази перевищує енергетичну цінність вуглеводів і білків.
На окиснення 1г жиру використовується О2 більше в 2 рази, ніж на окиснення 1г вуглеводів
