今日のおじさん、なに食べました? (仮)

妻の料理と、おじさんの毎日の記録です。ほんのり工学テイスト。

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人間のエネルギー効率~80%は熱に消える
【今日の料理】 2011/4/25 夕食
 今日は,ぶりアラが安かったので,ぶり大根を作りました.


★米飯,黒米入り

★みそ汁,がんも・わかめ

★ぶり大根
 圧力鍋,加圧5分.
 下ごしらえとして,ぶりに熱湯をかけて,よく洗いました.臭みがとれて,おいしくできました.妻にも好評.
 ただ,圧力鍋だと,どうしても味が染みにくい気がします.少し残ったので,明日に味がなじんでいることを期待.

★ほうれんそう煮びたし

★お助け食材
・キムチ
・くるみ小女子

【今日の料理工学】 人間のエネルギー効率~80%は熱に消える
 前々回(4/23)は,エアロバイクを行う場合について,人間のエネルギー効率を推定しました.
 その結果,人間のエネルギー効率(出力仕事÷消費エネルギー)は,約20%,という結果でした.

 残りの約80%は,熱になって人間から外部に放出されている,と推察されます.今回は,この推察が正しいか,検討してみます.
 例によって,近所のスポーツジムにあるエアロバイク(LifeFitness,型式不明;文献[1]参照)を実験装置として用いました.
[1]LifeFitness;製品情報
 http://jp.commercial.lifefitness.com/

 以下の方法で,実験を行いました.
 ・負荷を一定にして,運動を行う.このときの負荷は,「ワッツ」値として,装置に表示される.
 ・運動後に,装置に表示される消費カロリーを読み取る.
 ・運動前と運動後で,体重を測定する(測定器=体重計,最小目盛0.05kg).

 運動条件は,以下の通りです.
 ・負荷の大きさ 115W
 ・運動の時間 25min
 この運動によって,外部にした仕事は,115W×25min×60s=172kJ(=40.9kcal),となります.

 実際に運動をした結果,以下を得ました.
 ・消費カロリー=205kcal(=861kJ)
 ・体重の変化=0.25kg
 この結果から,人間のエネルギー効率は,172kJ/861kJ=0.20,となります.これは,前々回と同様です.

 さて,人間から,外部に熱が放出される形態として,主に以下の2つが考えられます.
 a)熱伝達によって,体表から熱が持ち去られる.
 b)汗の蒸発や呼気中の水蒸気によって,熱が持ち去られる.

 a)については,前回検討した通りです.すなわち,熱伝達によって持ち去られる,単位時間あたりのエネルギQ[W]は,次式1で表されます.
<式1>
z20110425s1.jpg

 ここで,
 h:熱伝達係数[W/m^2・K] …前回は,10[W/m^2・K]と仮定
 S:人間の表面積[m^2] …前回は,人間を円柱として概算
 Tb:人間の体温[℃]
 Ta:周囲の気温[℃]
 
 人間の体重=55kg,身長=170cm,体温=36℃とし,気温=26℃とすると,Q=111Wとなる,というのが,前回の結論でした.25minの運動では,111W×25min×60s=166kJ(=39.5kcal),が,外部に持ち去られます.

 次に,b)について考えます.
 水の蒸発熱は,2200kJ/kgです.つまり,汗が1kg蒸発すると,体表から2200kJが,持ち去られます.
 汗の量は,運動前後の体重の変化から,推定します.すなわち,体重の変化=蒸発した汗の量,としました.(実際には,汗をタオルでふき取ったりしますが,これは無視します.)

 今回の運動前後では,体重の変化は,0.25kgでした.したがって,汗によって持ち去られる熱量は,0.25kg×2200kJ=550kJ(=130kcal),となります.

 以上から,今回の運動についてまとめると,次のようになります.
 ・消費カロリー:860kJ (210kcal)
 ・外部にした仕事:170kJ (41kcal)
 ・熱伝達で持ち去られた熱量:170kJ (40kcal)
 ・汗で持ち去られた熱量:550kJ (130kcal)

 したがって,次の式が,ほぼ成り立っていることが,確認できました.
 消費カロリー(860kJ)≒外部にした仕事(170kJ)+持ち去られた熱量(170kJ+550kJ)=890kJ

 つまり,消費カロリーのほとんどは,熱として持ち去られている,という推察は,正しそうと言えます.


【今回の結論】
 エアロバイクをこぐとき,人間の消費カロリーのうち,有効な仕事として出力されるのは,約20%でした.
 残りの約80%は,熱伝達および汗の蒸発によって,熱として放出されると考えられます.


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