Парциальные давления дыхательных газов

Согласно закону Дальтона парциальное давление (напряжение) каждого газа в смеси (Рr) пропорционально его доле от общего объема, т.е. его фракции (Fr) . Применяя этот закон к дыхательным газам, необходимо учитывать, что атмосферный воздух, как и альвеолярная газовая смесь, содержит не только О 2 , СО 2 , N 2 и благородные газы, но и водяной пар, имеющий некое парциальное давление (Pн 2 о). Поскольку фракции газов приводятся для сухой их смеси, в уравнении для закона Дальтона из общего давления (атмосферное давление: Р атм) следует вычесть давление водяного пара. Тогда парциальное давление газа будет определяться по формуле:

Рr = Fr (Р атм - Pн 2 о)

Если подставить в уравнение парциального давления газов значения Fr для кислорода или углекислого газа в атмосферном воздухе: 21% (0,21) и 0,03% (0,0003) и давления водяного пара (47 мм рт ст), то можно вычислить, что парциальное давление указанных газов в атмосферном воздухе над уровнем моря (Р атм = 760 мм рт ст) составит, соответственно, 150 мм рт ст (20кПа) для кислорода и 0,2 мм рт ст (0,03 кПа) для углекислого газа.

Из представленной формулы следует, что снижение барометрического давления, или уменьшение удельного содержания газа (кислорода - FrО 2) во вдыхаемом воздухе будет сопровождаться падением во вдыхаемом воздухе парциального давления этого газа (кислорода - РrО 2).

Напряжение кислорода в альвеолярной газовой смеси в стандартных условиях вентиляции зависит не только от его потребления, но и от выведения углекислого газа. Соответственно, при расчете парциального давления кислорода в альвеолярной газовой смеси (Р А О 2) вносится поправка на выведение СО 2 , образующегося в процессе метаболизма. Таким образом, расчетная формула определения Р А О 2 выглядит следующим образом:

Р А О 2 = РrО 2 - ________ ,

где РаСО 2 - парциальное давление углекислого газа в артериальной крови (40 мм рт ст);

R - дыхательный коэффициент, характеризующий отношение выделенного СО 2 к поглощенному О 2 (в отсутствии стресса и при нормальном питании = 0,8).

Подставляя значения этих показателей, находим:

Р А О 2 = 150 - ________ = 100 мм рт ст (13,3 кПа)

Парциальное давление углекислого газа в альвеолярной газовой смеси составляет 40 мм рт ст (5,3 кПа). Из приведенной формулы следует, что уменьшение PrO 2 будет сопровождаться снижением Р А О 2 .

Как известно, газообмен в легких идет в направлении градиентов парциальных давлений по обе стороны альвеолярно-капиллярной мембраны (Δ). Для кислорода этот градиент соответствует разнице между Р А О 2 и напряжением кислорода в капиллярах венозной крови (40 мм рт. ст.), поступающей в легкие. Однако, за время прохождения крови через легочные капилляры (0,3 сек) это давление быстро нарастает и уже через 0,1 сек составляет ≈ 90% от величины альвеолярного давления (Г. Тевс, 2007), а в последующие 0,2 сек напряжение кислорода в капиллярах уравнивается с альвеолярным. Поэтому вводится понятие среднего градиента давления между альвеолярной газовой смесью (100 мм рт ст) и кровью легочных капилляров (90 мм рт. ст.), который составляет 10 мм рт. ст.

Задача 41.
Смешивают 0,04м 3 азота, находящегося под давлением 96кПа (720мм. рт. ст.), с 0,02м3 кислорода. Общий объем смеси 0,06м 3 , а общее давление 97,6кПа (732мм. рт. ст.). Каким было давление взятого кислорода?
Решение :
По условию задачи объём азота увеличился в 1,5 раза (0,06/0,04 = 1,5), а объём кислорода – в 3 раза (0,06/0,02 = 3). Во столько же раз уменьшились парциальные давления газов.

Следовательно,

Отсюда Исходя из того, что объём кислорода до смешения был в три раза больше, чем после смешения, рассчитаем давление кислорода до смешения:

Ответ: Р общ. = 100,8кПа.

Задача 42.
Газовая смесь приготовлена из 2л Н 2 (Р = 93,3 кПа) и 5л CH 4 (Р = 112 кПа). Объем смеси равен 7л. Найти парциальные давления газов и общее давление смеси.
Решение:
По условию задачи объём водорода увеличился в 3,5 раза (7/2 = 3,5), а объём метана – в 1,4 раза (7/5 = 1,4). Во столько же раз уменьшились парциальные давления газов.

Согласно закону парциальных давлений, общее давление смеси газов, не вступающих во взаимодействие друг с другом, равно сумме парциальных давлений газов, составляющих систему (смесь).

Ответ:

Задача 43.
Газовая смесь состоит из NO и СО 2 . Вычислить объемное содержание газов в смеси (в %), если их парциальные давления равны соответственно 36,3 и 70,4 кПа (272 и 528мм. рт. ст.).
Решение:
Согласно закону Дальтона парциальное давление данного газа прямо пропорционально его мольной доли на общее давление смеси газов:

где Р(смеси) – общее давление смеси; Р(А) – парциальное давление данного газа; (A) - мольная доля данного газа.

Ответ: 34,02%NO; 65,98%CO.

Задача 44.
В закрытом сосуде вместимостью 0,6м 3 находится при 0 0 С смесь, состоящая из 0,2кг СО 2 , 0,4кг 02 и 0,15кг СН 4 . Вычислить: а) общее давление смеси; б) парциальное давление каждого из газов; в) процентный состав смеси по объему.
Решение:
Вычислим общее количество газов в смеси по уравнению:

где - количество газа, кмоль; m – масса газа, кг; М – молекулярная масса газа, кг/моль. Тогда:

а) Общее давление смеси газов определяем по уравнению: Тогда:

б) Парциальные давления газов рассчитываем по уравнению:

где R k и k , соответственно, парциальное давление, и количество газа в смеси.

в) Парциальные объёмы газов рассчитаем по уравнению: Тогда

Отношение парциальных (приведённых) объёмов отдельных газов к общему объёму смеси называется объёмной долей и определяется по формуле: Тогда

Ответ:

Задача 45.
Газовая смесь приготовлена из 0,03м 3 СН 4 , 0,04м 3 Н 2 и 0,01м 3 СО. Исходные давления СН 4 , Н 2 и СО составляли ответственно 96, 84 и 108,8 кПа (720, 630 и 816мм рт. ст.). Объем смеси равен 0,08м 3 . Определить парциальные давления газов и общее давление смеси.
Решение:
По условию задачи объём метана увеличился после смешения в 2,67 раза (0,08/0,03 = 2,67), объём водорода – в 2 раза (0,08/0,04 = 2), а объём угарного газа – в 8 раз (0,08/0,01 = 8). Во столько же раз уменьшились парциальные давления газов. Следовательно,

Ответ:

Задача 46.
В газометре над водой находятся 7,4л кислорода при 23°С и давлении 104,1 кПа (781 мм. рт. ст.). Давление насыщенного водяного пара при 23°С равно 2,8 кПа (21мм. рт. ст.). Какой объем займет находящийся в газометре кислород при нормальных условиях?
Решение:
Парциальное давление кислорода равно разности общего давления и парциального давления паров воды:

Обозначив искомый объём через и, используя объединённое уравнение закона Бойля- Мариотта и Гей-Люссака , находим:

где Р и V - давление и объём газа при температуре Т = 296К (273 +23 = 296); Р 0 = 101,325кПа; Т 0 = 273К; Р = 104,1кПа; -объём газа при н.у.

Ответ: V 0 =6,825л.

Парциа́льное давление (лат. partialis - частичный, от лат. pars - часть) - давление, которое имел бы газ, входящий в состав газовой смеси, если бы он один занимал объём, равный объёму смеси при той же температуре. При этом пользуются также законом парциальных давлений: общее давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений отдельных газов, составляющих данную смесь, то естьРобщ = Р1 + Р2 + .. + Рп

Из формулировки закона следует, что парциальное давление представляет собой частичное давление, создаваемое отдельным газом. И действительно, парциальное давление - это такое давление, которое бы создавал данный газ, если бы он один занимал весь объем.

12.Дайте определение понятиям: система, фаза, среда, макро- и микросостояние.

Системой называется совокупность находящихся во взаимодействии веществ, обособленная от окружающей среды. Различают гомогенные и гетерогенные системы.

Систему называют термодинамической , если между телами, ее составляющими, может происходить обмен теплотой, веществом и если система полностью описывается термодинамическими понятиями.

В зависимости от характера взаимодействия с окружающей средой различают системы открытые, закрытые и изолиро ванные .

Каждое состояние системы характеризуется определенным набором значений термодинамических параметров (параметров состояния, функций состояния).

13.Назовите основные термодинамические величины, характеризующие состояние системы. Рассмотрите смысл понятий "внутренняя энергия системы и энтальпия".

Осн параметрами состояния системы явл такие параметры, кот можно непосредственно измерить (температура, давление, плотность, масса и т. д.).

Параметры состояния, которые не поддаются непосредственному измерению и зависят от основных параметров, называются функциями состояния (внутренняя энергия, энтропия, энтальпия, термодинамические потенциалы).

В ходе химической реакции (переходе системы из одного состояния в другое) изменяется внутренняя энергия системы U:

U = U 2 -U 1 , где U 2 и U 1 - внутренняя энергия системы в конечном и начальном состояниях.

Значение U положительно (U> 0), если внутренняя энергия системы возрастает.

Энтальпия системы и ее изменение .

Работу А можно разделить на работу расширения A = pV (p = const)

и другие виды работ А" (полезная работа), кроме работы расширения: A = A" + pV,

где р - внешнее давление; V- изменение объема (V= V 2 - V\); V 2 - объем продуктов реакции; V 1 - объем исходных веществ.

Соответственно уравнение (2.2) при постоянном давлении запишется в виде: Q p = U + A" + pV.

Если на систему не действуют никакие другие силы, кроме постоянного давления, т. е. при протекании хим процесса единственным видом работы является работа расширения, тоА" = 0.

В этом случае уравнение (2.2) запишется так: Q p = U + pV.

Подставив U= U 2 – U 1 , получим: Q P =U 2 -U 1+ pV 2 + pV 1 =(U 2 +pV 2)-(U 1 + pV 1). Характеристическая функцияU + pV = Hназывается энтальпией системы . Это одна из термодинамических функций, характеризующих систему, находящуюся при постоянном давлении. Подставив уравнение (2.8) в (2.7), получим: Q p = H 2 -H 1 = r H.

Даже людям далеким от альпинизма и дайвинга известно, что дышать в определенных условиях человеку становится сложно. Такое явления связано со сменой парциального давления кислорода в окружающей среде, как следствие, и в крови самого человека.

Горная болезнь

Когда житель равнинной местности приезжает в отпуск в горы, кажется, что воздух там особенно чист и надышаться им просто невозможно.

На самом деле подобные рефлекторные позывы к частому и глубокому дыханию вызываются гипоксией. Чтобы человек выровнял парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе, ему требуется вентилировать собственные легкие как можно лучше первое время. Конечно, пребывая в условиях гор несколько дней или недель организм начинает привыкать к новым условиям за счет корректировки работы внутренних органов. Так ситуацию спасают почки, которые начинают выделять гидрокарбонат для усиления вентиляции легких и увеличивают в крови количество эритроцитов, способных переносить большее количество кислорода.

Таким образом, у жителей горных местностей уровень гемоглобина всегда оказывается выше, чем у равнинных.

Острая форма

В зависимости от особенностей организма норма парциального давления кислорода может отличаться для каждого человека в определенном возрасте, состоянии здоровья или просто от способности к акклиматизации. Именно поэтому покорять вершины суждено не всем, ведь даже имея огромное желание, человек не способен полностью подчинить себе свой организм и заставить его работать по-другому.

Очень часто у неподготовленных альпинистов при скоростном подъеме могут развиваться различные симптомы гипоксии. На высоте менее 4,5 км они проявляются головными болями, тошнотой, усталостью и резкой сменой настроения, поскольку нехватка кислорода в крови сильно отражается на работе нервной системы. Если подобные симптомы проигнорировать, то в дальнейшем образуется отек мозга или легких, каждый из которых способен привести к смерти.

Таким образом, игнорировать изменение парциального давления кислорода в окружающей среде строго запрещено, ведь оно всегда влияет на работоспособность всего человеческого организма.

Погружение под воду

Когда водолаз погружается в условия, где атмосферное давление ниже привычного уровня, его организм также сталкивается со своеобразной акклиматизацией. Парциальное давление кислорода на уровне моря является средней величиной и с погружением также меняется, но особую опасность для человека в данном случае представляет азот. На поверхности земли в равнинной местности он не влияет на людей, но после каждых 10 метров погружения постепенно сжимается и провоцирует в организме водолаза различные степени наркоза. Первые признаки такого нарушения могут проявляться уже после 37 метров под водой, особенно если человек проводит на глубине длительное время.

Когда атмосферное давление превышает 8 атмосфер, а достигается этот показатель уже после 70 метров под водой, водолазы начинают чувствовать азотный наркоз. Явление это проявляется ощущением алкогольного опьянения, которое нарушает координацию и внимательность подводника.

Чтобы избежать последствий

В случае, когда парциальное давление кислорода и других газов в крови отклонено от нормы и водолаз начинает ощущать признаки интоксикации, очень важно осуществлять его подъем максимально медленно. Связано это с тем, что при резком изменении давления диффузия азота провоцирует возникновение в крови пузырьков с данным веществом. Простым языком, кровь как будто закипает, и человек начинает чувствовать сильную боль в суставах. В дальнейшем у него могут развиваться нарушения зрения, слуха и работы нервной системы, что называют кессонной болезнью. Чтобы избежать такого явления, водолаза следует поднимать очень медленно или заменять в его дыхательной смеси азот гелием. Данный газ менее растворим, имеет меньшую массу и плотность, поэтому затраты на уменьшаются.

Если же подобная ситуация произошла, то человека необходимо срочно помещать в обратно среду с высоким давлением и ждать постепенной декомпрессии, которая может продолжаться до нескольких дней.

Для того чтобы изменился газовый состав крови, не обязательного покорять вершины или спускаться на морское дно. Различные патологии сердечно-сосудистой, мочевыделительной и дыхательной систем также способны влиять на изменение давления газов в главной жидкости человеческого организма.

Для точного определения диагноза у пациентов берутся соответствующие анализы. Чаще всего врачей интересует парциальное давление кислорода и углекислого газа, поскольку они обеспечивают полноценное дыхание всех органов человека.

Давление в данном случае представляет собой процесс растворения газов, который показывает, насколько эффективно в организме работает кислород и соответствуют ли его показатели нормам.

Малейшие отклонения указывают на то, что у пациента имеются отклонения, влияющие на способность использовать поступающие в организм газы по максимуму.

Нормы давления

Норма парциального давления кислорода в крови понятие относительное, поскольку может варьироваться в зависимости от множества факторов. Чтобы правильно определить свой диагноз и получить лечение, с результатами анализов необходимо обращаться к специалисту, способному учесть все индивидуальные характеристики пациента. Конечно, существуют и эталонные нормы, которые принято считать идеальными для здорового взрослого человека. Так, в крови пациента без отклонений имеется:

углекислый газ в количестве 44,5-52,5 %;
его давление 35-45 мм рт. ст.;
насыщение жидкости кислородом 95-100 %;
О 2 в количестве 10,5-14,5 %;
парциальное давление кислорода в крови 80-110 мм рт. ст.

Чтобы во время сдачи анализа результаты соответствовали действительности, необходимо учесть целый ряд факторов, способных повлиять на их корректность.

Причины отклонения от нормы, зависящие от пациента

Парциальное давление кислорода в артериальной крови может меняться очень быстро в зависимости от различных обстоятельств, поэтому, чтобы результат анализа был максимально точным, следует учитывать следующие особенности:

норма давления всегда уменьшается с увеличением возраста пациента;
при переохлаждении снижается давление кислорода и давление углекислого газа, а уровень рН увеличивается;
при перегреве ситуация обратная;
действительный показатель парциального давления газов будет виден только при заборе крови у пациента с температурой тела в пределах нормы (36,6-37 градусов).

Причины отклонения от нормы, зависящие от медработников

Кроме учета таких особенностей организма самого пациента, специалисты для корректности результатов также должны соблюдать определенные нормы. В первую очередь на парциальное давление кислорода влияет наличие пузырьков воздуха в шприце. Вообще, любой контакт анализа с окружающим воздухом способен изменить результаты. Также важно после забора крови аккуратно перемешать ее в емкости, чтобы эритроциты не оседали на дне пробирки, что также способно сказаться на результатах анализа, демонстрирующих уровень гемоглобина.

Очень важно придерживаться и норм времени, отведенных на проведение анализа. По правилам, все действия должны осуществляться в пределах четверти часа после забора, и если этого времени недостаточно, то емкость с кровью должна помещаться в ледяную воду. Только так можно остановить процесс потребления кислорода клетками крови.

Специалисты также должны своевременно калибровать анализатор и брать анализы только шприцами с сухим гепарином, который сбалансирован электролитически и не оказывает влияния на кислотность пробы.

Результаты анализов

Как уже понятно, парциальное давление кислорода в воздухе способно оказывать на организм человека заметное влияние, но уровень давления газов в крови может нарушаться и по другим причинам. Чтобы определить их правильно, расшифровку следует доверять только опытному специалисту, способному учесть все особенности каждого пациента.

На гипоксию в любом случае будет указывать снижение уровня давления кислорода. Изменение уровня рН крови, как и давления углекислого газа или изменение уровня бикарбонатов, может указывать на ацидоз или алкалоз.

Ацидоз представляет собой процесс закисления крови и характеризуется повышением давления углекислого газа, снижением уровня рН крови и бикарбонатов. В последнем случае диагноз будет озвучен как метаболический ацидоз.

Алкалоз представляет собой повышение щелочности крови. О нем будет свидетельствовать повышенное давление углекислого газа, увеличение числа бикарбонатов, а следовательно, и изменение уровня рН крови.

Заключение

На работоспособность организма влияет не только качественное питание и физические нагрузки. Каждый человек привыкает к определенным климатическим условиям жизни, в которых чувствует себя максимально комфортно. Их изменение провоцирует не только плохое самочувствие, но и полную смену определенных показателей крови. Чтобы определить по ним диагноз, следует тщательно подбирать специалиста и следить за соблюдением всех норм забора анализов.

Газовая смесь находится в состоянии равновесия, если концентрации компонентов и её параметры состояния во всём объёме имеют одинаковые значения. При этом температура всех газов, входящих в смесь, одинакова и равна температуре смеси Т см.

В равновесном состоянии молекулы каждого газа рассеяны равномерно по всему объёму смеси, то есть имеют свою определённую концентрацию и, следовательно, своё давление р i , Па, которое называется парциальным . Оно определяется следующим образом.

Парциальное давление равно давлению данного компонента при условии, что он один занимает весь объём, предназначенный для смеси при температуре смеси Т см .

По закону английского химика и физика Дальтона, сформулированному в 1801 году, давление смеси идеальных газов р см равно сумме парциальных давлений её компонентов р i :

где n – число компонентов.

Выражение (2) также называется законом парциальных давлений.

3.3. Приведённый объём компонента газовой смеси. Закон Амага

По определению приведённым объёмом i -го компонента газовой смеси V i , м 3 , называется объём, который один этот компонент мог бы занимать при условии, что его давление и температура будут равны давлению и температуре всей газовой смеси.

Закон французского физика Амага, сформулированный примерно в 1870 году, гласит: сумма приведённых объёмов всех компонентов смеси равна объёму смеси V см :

, м 3 . (3)

3.4. Химический состав газовой смеси

Химический состав газовой смеси может задаваться тремя различными способами.

Рассмотрим газовую смесь, состоящую из n компонентов. Смесь занимает объём V см, м 3 , имеет массу М см, кг, давление р см, Па и температуру Т см, К. Также число молей смеси равно N см, моль. При этом масса одного i -го компонента m i , кг, а число молей этого компонента ν i , моль.

Очевидно, что:

, (4)

. (5)

Используя для рассматриваемой смеси закон Дальтона (2) и Амага (3) можно записать:

, (6)

, (7)

где р i – парциальное давление i -го компонента, Па; V i – приведённый объём i -го компонента, м 3 .

Однозначно химический состав газовой смеси может быть задан либо массовыми, либо мольными, либо объёмными долями её компонентов:

, (8)

, (9)

, (10)

где g i , k i и r i – массовая, мольная и объёмная доли i -го компонента смеси соответственно (безразмерные величины).

Очевидно, что:

,
,
. (11)

Часто на практике химический состав смеси задаётся не долями i -го компонента, а его процентами.

Например, в теплотехнике приближённо принимается, что сухой воздух состоит из 79 объёмных процентов азота и 21 объёмного процента кислорода.

Процент i -го компонента в смеси вычисляется путём умножения его доли на 100.

Для примера с сухим воздухом будем иметь:

,
. (12)

где
и
– объёмные доли азота и кислорода в сухом воздухе; N 2 и О 2 – обозначение объёмных процентов азота и кислорода соответственно, % (об.).

Примечание:

1) Мольные доли идеальной смеси численно равны объёмным долям: k i = r i . Докажем это.

Пользуясь определением объёмной доли (10) и законом Амага (3) можем записать:

, (13)

где V i – приведённый объём i -го компонента, м 3 ; ν i – число молей i -го компонента, моль; – объём одного моля i -го компонента при давлении смеси р см и температуре смеси Т см , м 3 /моль.

Из закона Авогадро (см. п. 2.3 данного приложения) следует, что при одинаковых температуре и давлении один моль любого газа (компонента смеси) занимает один и тот же объём. В частности, при Т см и р см это будет некоторый объём V 1 , м 3 .

Сказанное позволяет записать равенство:

. (14)

Подставляя (14) в (13) получаем требуемое:

. (15)

2) Объёмные доли компонентов газовой смеси можно рассчитать, зная их парциальные давления. Покажем это.

Рассмотрим i -ый компонент идеальной газовой смеси в двух различных состояниях: когда он находится при своём парциальном давлении р i ; когда он занимает свой приведённый объём V i .

Уравнение состояния идеального газа справедливо для любых его состояний, в частности, и для двух, названных выше.

В соответствии с этим, и учитывая определение удельного объёма, можем записать:

, (16)