M04-gas liquido.pdf - Facoltà di Medicina e Chirurgia

Corso di Laurea Specialistica in 

MEDICINA e CHIRURGIA 

corso integrato FISICA - disciplina FISICA 

- DIFFUSIONE GAS-LIQUIDO 

- CONDIZIONI DI VAPORE SATURO 

- COMPARTIMENTO E MEMBRANA ALVEOLARE 

- DIFFUSIONE AZOTO 

- TRASPORTO OSSIGENO e CO2 

- DIFFUSIONE GAS ANESTETICI 

EQUILIBRI 

GAS-LIQUIDO

COMPARTIMENTO 1 

M 

D. SCANNICCHIO 2007 

miscela 

gassosa 

gas 

DIFFUSIONE GAS-LIQUIDO 

diffusione gas 

gas gas 

soluzione 

M 

COMPARTIMENTO 2 

soluzione 


soluzione 

•leggi 

di Fick 

legge di Graham 

D M = K 

M 

M = peso molecolare 

K = costante 

2

diffusione gas liquido 


liquido 


equilibrio : n uscita = n ingresso 

n ingresso ≈ p i 

n uscita ≈ V i 

V i = volume gas-i a NTP sciolto in 100 cm 3 

p i = pressione parziale gas-i 

s i = coefficiente di solubilità gas-i = s i (T) 


legge di Henry 

V i = s i p i 

3



s i = coefficiente di solubilità gas-i = s i (T) 

unità di misura: sistema pratico cm3atm –1 

in H2O 

O2 

CO2 

0 °C 40 °C 

s = 4.9 

s = 170 

(cm 3 atm –1 ) 

s = 2.3 

s = 53 

4

CONDIZIONI DI VAPORE SATURO 

temperatura critica Tc 

pressione di vapor saturo p vs 

(equilibrio vapore-liquido) 

p vs = tensione di vapore 

p vs = p vs (T) 


(mmHg) 

760 

o 

p vs 

etere 

acqua 

100 200 300 

punto critico 

Tc 

t 

(°C) 

5

CONDIZIONI DI VAPORE SATURO 

legge di Raoult 

p vs (A+B) = p vs (A) n A 

n A + n B 

(mmHg) 


760 

47 

o 

p vs 

acqua 

37° 100° 

120° 

frazione molare 

acqua+sale 

t 

(°C) 

A = solvente 

B = soluto 

n = numero moli 

6

ARIA ALVEOLARE 

meccanismi di trasporto(gas biologici) 

aria polmoni sangue 


(respirazione) (diffusione) 

tessuti 

(diffusione) 

sangue 

(circolazione) 

7

ARIA INSPIRATA 

N2 

O2 

CO2 

H2O 



N2 

O2 

CO2 

H2O 


79.04 % 

20.92 % 

0.04 % 

0 

100.00 % 

80.4 % 

9.0 % 

5.6 % 

vapore saturo 

100.0 % 

600.7 mmHg 

159.0 mmHg 

0.3 mmHg 

0 

760.0 mmHg 

573.2 mmHg 

99.8 mmHg 

40.0 mmHg 

47.0 mmHg 

760.0 mmHg 

8


STRUTTURA 

ALVEOLARE 

9

alveolo 

(aria) 

O2 

CO2 

(0.2 + 0.6) µm 

membrana basale 

endotelio 

strato superficiale 

(soluzione acquosa) 


MEMBRANA ALVEOLARE 

globulo rosso 

area totale 

membrana alveolare 

r = 100 µm = 10 –2 cm, 

N = numero alveoli = 0.6 10 9 

(600 milioni) 

A = 4 π r 2 N = 

= 4 π (10 –2 ) 2 0.6 10 9 ≈ 

≈ 7.5 10 5 cm 2 = 

= 75 m 2 

10

DIFFUSIONE AZOTO 


V N2 = s p N2 = 1.2 573 

760 = 1 cm3 N 2 (1 atm) 

(in 100 mlitri H2O) 


solubilità N 2 (in acqua a 37°C) s = 1.2 cm 3 atm –1 

pressione parziale N 2 (da tabella) = 572 mmHg 

m = 80 kg [67% in H2O] 

V N2 = 80 x 67% 10–3 litri N 2 

10 –1 litri H2O ≈ 0.55 litri N 2 

(1 atm) 

11

immersione subacquea: profondità 20 m 

p = d g h = 1 g cm –3 x 980 cm s –2 x 20 10 2 cm = 

= 2 10 6 barie ≈ 2 atm 

p effettiva = 1 atm + 2 atm = 3 atm 

V N2 = 0.55 litri atm –1 3 atm = 1.615 litri 

emersione rapida 

liberati 1.615 – 0.55 ≈ 1.1 litri gas N 2 


DIFFUSIONE AZOTO 

embolia gassosa 

(bolle di gas) 

12

aria 

TRASPORTO OSSIGENO E CO2 

(capillari alveolari) 


diffusione 

O2 

p O2 

alveolo 100 


sangue 40 100 

trasporto sistema circolatorio 

(capillari tessuti) 

sangue 100 


liquido interstiziale 

40÷50 

cellule 40÷50 

(mmHg) 

(mmHg) 

50 

CO2 

CO2 

p CO2 

40 

46 

40 46 

46 

p CO2 

13

TRASPORTO OSSIGENO 

metabolismo basale : 50 kcal ora –1 m –2 

V = minima necessità di ossigeno : 

1 litro O 2 4.825 kcal 

superficie corporea adulto ≈ 2 m 2 

V o = 50 kcal ora–1 m –2 2 m 2 

4.825 kcal (litro O 2 ) –1 

t = 37°C 

V = V o T 

273° = 21 310° ≈ 24 

273° 


≈ 21 litri O 2 

ora 

litri O 2 

ora 

(NTP) 

14


VO2 = s pO2 = 2.3 100 

760 


solubilità O 2 in acqua a 37°C : s = 2.3 cm 3 atm –1 

pressione parziale O 2 (da tabella) = 100 mmHg 

= 0.3 cm 3 (in 100 mlitri sangue) 

Vs = 60 cm3 s –1 3600 s ora –1 = 216 litri 

(sangue ai tessuti) 

ora 

VO2 = 216 x 3 cm3 litro –1 = 0.65 litri O litri 

2 !!! 

ora 

ora 

necessari V ≈ 24 litri O 2 

ora 


INSUFFICIENTE 

15

meccanismo biochimico : 


cattura O 2 da emoglobina (Hb): Hb + 4 O 2 HbO 2 

1 g Hb satura assorbe 1.34 cm 3 O 2 

0.1 litri sangue contengono 15 g Hb 

0.1 litri sangue contengono al massimo : 

1.34 cm 3 O 2 g –1 15 g = 20 cm 3 O 2 

20 cm 

VO2 = 216 

3 O2 43000 cm 

0.1 litri 

3 O2 = ora 

= 

= 43 litri O litri 

ora 

2 litri O 

>> 24 2 (minimo necessario) 

ora 

ora 


16


gradiente efficace di pressione 

60 

30 

Δp O2 

Δx i 

(mmHg) 

Δp O2i 

(mmHg) 

40 

70 

100 

0 x 

(gas-i) 

J = – D Δp iM iM i 

i = ossigeno 

• 

••• • • • • • • • 

• 

• • 

• • • capillare alveolare 

l = 200 µm 

sangue venoso sangue arterioso 

Δp = 

O2 (Δp ) Δx = 1 Δp dx 

O2 i i 

O2 


l 

1 ∑ i 

l 

⌠ 

⌡ 

0 

l 

≈ 15 mmHg 

17

DIFFUSIONE GAS ANESTETICI 

legge di Henry V i = s i p i 

velocità d'azione anestetico ∝ si 1 

s i piccola : V i massimo raggiunto rapidamente 

(piccola quantità di gas assorbita, tensione massima 

raggiunta rapidamente) 

anestesia rapida 

s i grande : V i massimo raggiunto lentamente 

* 

* 


(grande quantità di gas assorbita, tensione massima 

raggiunta lentamente) 

anestesia lenta 

differente diffusione in tessuti diversi 

azione biochimica 

18

esempi 


DIFFUSIONE GAS ANESTETICI 

ciclopropano 

37°C s = 41.5 ml 

100 ml 

etere etilico 

37°C s = 1520 ml 

100 ml 

atm –1 

atm –1 

azione rapida 

azione lenta 

19

(%) 

100 

80 

60 

40 

20 

CURVA di DISSOCIAZIONE dell'EMOGLOBINA 

0 20 40 60 80 100 


saturazione 

Hb 

p CO2 = 40 mmHg 

volume % O2 

20 

15 

10 

5 

p O2 

sangue venoso sangue arterioso 

cm 3 

( ) 

100 ml 

volume % Hb = 

= f (p O2 , p CO2 ) 

(mmHg) 

(satura di O2) 

20


tempi di diffusione alveolare 

r = 100 µm 

(raggio alveolo) 

t E = tempo permanenza eritrocita vicino all'alveolo 


O2 

r 

t 

t' 

t E 

r c = 5 µm 

(raggio capillare) 

l ≈ 200 µm 

21

t = s2 

≈ 

6 Daria t' = 

s 2 

t + t' ≈ 4 millisecondi 



(da teoria cinetica dei gas) 

≈ 

6 DH2O r 2 

6 D aria 

r 2 

6 D H2O 

(10 –2 ) 2 cm 2 

≈ 6 x 0.178 cm 2 s –1 ≈ 10–4 s 

(5 10 –4 ) 2 cm 2 

≈ 6 x 10 –5 cm 2 s –1 ≈ 4 10–3 s 

t E = tempo permanenza eritrocita vicino all'alveolo: 


tE = l 2 x 10 –2 ≈ cm 

v sangue 

10 –1 cm s –1 

≈ 0.2 secondi 

O.K. 

22


TRASPORTO CO2 


D H2O (CO 2 ) = 1.8 10 –4 cm 2 s –1 ≈ 20 D H2O (O 2 ) 

t'(CO 2 ) ≈ 1 

20 t'(O 2 ) 

≈ 4 10 –3 1 

s 

20 

= 2 10 –4 s 

(t + t’) CO2 ≈ 10 –4 s + 2 10 –4 s = 0.3 millisecondi 

(t + t’) O2 ≈ 4 millisecondi 

diffusione CO 2 circa 10 volte più rapida 

grande solubilità CO 2 in H2O 

ELIMINAZIONE di GRANDI QUANTITA’ di CO2 

23

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