biofisica mecanica respiratoria i

22/04/23 DOCENTE: MIGUEL ANGEL FALCON POVIS 1

UNIVERSIDAD SAN PEDROFACULTAD DE MEDICINA HUMANA

ESCUELA PROFESIONAL DE MEDICINA

BIOFISICA DE LA RESPIRACIÓNNEUMOMÉCANICA

22/04/23 DOCENTE: MIGUEL ANGEL FALCON POVIS

UNIVERSIDAD SAN PEDRO FACULTAD DE MEDICINA HUMANA

ESCUELA PROFESIONAL DE MEDICINA

BIOFISICA DE LA RESPIRACIÓN“GASES Y SU APLIACCIÓN MÉDICA”

BIOFISICA DE LA RESPIRACION: MECANICA RESPIRATORIA I Mecánica respiratoria I:

Aparato respiratorio:

Características generales, curva presión –Volumen en pulmón aislado. Estado gaseoso. Naturaleza de los gases: Concepto, composición del aire, leyes de los gases, presión parcial, difusión de los gases a través de los líquidos y tejidos corpóreos. Tensión superficial o alveolar: Concepto de superficie interface, tensión superficial de los líquidos, medición de la tensión superficial. Elevación y depresión capilar, ecuación de Laplace y su aplicación, balance de superficie. Superficie de la membrana celular, los fosfolípidos y acción sobre la tensión superficial. Agente tenso activos. El sistema surfactante, estructura molecular, función, participación de las células del alveolo pulmonar en el mantenimiento del mismo. Compliance y elastancia pulmonar.

Artículo científico

22/04/23DOCENTE: MIGUEL ANGEL FALCON

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INTRODUCCIÓNLa respiración, como se usa

generalmente el termino, incluye dos procesos: respiración externa, la absorción de oxigeno (O2) y eliminación de dióxido de carbono (CO2) del organismo como un todo, y la respiración interna, la cual se refiere a la utilización de oxigeno y producción de dióxido de carbono en las células, así como los intercambios gaseosos entre las células y su medio liquido.


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A. RESPIRACIÓN EXTERNA (HEMATOSIS)Intercambio Gaseoso (O2 – CO2) a

nivel de la relación alveolo capilar. O2: Satura la sangre (sangre venosa

– sangre arterial). CO2: Se elimina al ambiente.

B. RESPIRACIÓN INTERNA (TISULOSIS)Intercambio gaseoso (O2 – CO2) a nivel de la relación sangre-células.

O2: Ingresa a las células.CO2: Se elimina a la sangre (sangre

arterial - sangre venosa )22/04/23

DOCENTE: MIGUEL ANGEL FALCON POVIS

RespiraciónLa respiración proporciona oxigeno a los tejidos y retira el dióxido de carbono. Las cuatro funciones principales de la respiración son: 1) VENTILACIÓN PULMONAR, que se refiere al flujo de entrada y salida de aire entre la atmosfera y los alveolos pulmonares; 2) DIFUSIÓN DE OXIGENO Y DE DIÓXIDO DE CARBONO ENTRE LOS ALVEOLOS Y LA SANGRE;3) TRANSPORTE DE OXIGENO Y DE DIÓXIDO DE CARBONO EN LA SANGRE Y LOS LÍQUIDOS CORPORALES HACIA LAS CÉLULAS DE LOS TEJIDOS CORPORALES Y DESDE LAS MISMAS.4) REGULACIÓN DE LA VENTILACIÓN Y OTRAS FACETAS DE LA RESPIRACIÓN.

22/04/23DOCENTE: MIGUEL ANGEL FALCON POVIS

ANATOMÍA DE LOS PULMONESSISTEMA RESPIRATORIO

Se encuentra formado por un órgano que intercambia gases (los pulmones) y una “bomba” que ventila los pulmones. La bomba se compone de pared toracica; músculos respiratorios, los cuales aumentan o disminuyen el tamaño de la cavidad toracica; áreas del cerebro que controlan los músculos y haces y nervios que conectan el cerebro con los músculos. En reposo, el ser humano normal respira 12 a 15 veces por minuto. Se inspiran y espiran cerca de 500 ml de aire en cada respiración, o 6 a 8 L/min. Este aire se mezcla con el gas presente en los alveolos y, por difusión simple, el oxigeno entra en la sangre de los capilares pulmonares mientras el dióxido de carbono ingresa a los alveolos. De esta manera, 250 ml de oxigeno entran en el organismo cada minuto y se excretan 200 ml de dióxido de carbono.


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VIAS RESPIRATORIAS Después de pasar por las cavidades

nasales y la faringe, donde se calienta y capta vapor de agua, el aire inspirado pasa por la tráquea y los bronquiolos, los bronquiolos respiratorios y los conductos alveolares hasta los alveolos, donde ocurre el intercambio gaseoso (fig. 35-1). Entre la tráquea y los sacos alveolares, las vías respiratorias se dividen 23 veces. Las primeras 16 generaciones de vías forman la zona de conducción de las vías respiratorias y transportan gas al interior y al exterior. Ellas están conformadas por bronquios, bronquiolos y bronquiolos terminales.


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Las siete generaciones restantes constituyen las zonas de transición y respiratoria, en las cuales se lleva a cabo el intercambio gaseoso; tales generaciones están conformadas por bronquiolos respiratorios, conductos alveolares y alveolos. Estas múltiples divisiones aumentan mucho el total de superficie transversal de las vías respiratorias, de 2.5 cm2 en la tráquea a 11 800 cm2 en los alveolos. Por consiguiente, la velocidad del flujo del aire en las vías respiratorias pequeñas disminuye a valores muy bajos.


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Los alveolos están rodeados por capilares pulmonares. En la mayoría de las áreas, el aire y la sangre están separados solo por el epitelio alveolar y el endotelio capilar; por ello se hallan a una distancia de 0.5 μm. Los seres humanos tienen 300 millones de alveolos, y la superficie total de las paredes alveolares en contacto con los capilares de ambos pulmones es cercana a 70 m2.


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Mecánica de la ventilación pulmonar

Músculos que causan la expansión y contracción pulmonar:Los pulmones se pueden expandir y contraer de dos maneras:1) mediante el movimiento hacia abajo y hacia arriba del diafragma para alargar o acortar la cavidad torácica, y2) mediante la elevación y el descenso de las costillas para aumentar y reducir el diámetro anteroposterior de la cavidad torácica.


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La respiración tranquila normal se consigue casi totalmente por el primer mecanismo, es decir, por el movimiento del diafragma.

Durante la inspiración la contracción del diafragma tira hacia abajo de las superficies inferiores de los pulmones.

Después, durante la espiración el diafragma simplemente se relaja, y el retroceso elástico de los pulmones, de la pared torácica y de las estructuras abdominales comprime los pulmones y expulsa el aire.

Sin embargo, durante la respiración forzada las fuerzas elásticas no son suficientemente potentes para producir la espiración rápida necesaria, de modo que se consigue una fuerza adicional principalmente mediante la contracción de los músculos abdominales, que empujan el contenido abdominal hacia arriba contra la parte inferior del diafragma, comprimiendo de esta manera los pulmones.


El segundo método para expandir los pulmones es elevar la caja torácica. Esto expande los pulmones porque, en la posición de reposo natural, las costillas están inclinadas hacia abajo, lo que permite que el esternón se desplace hacia abajo y hacia atrás hacia la columna vertebral. Sin embargo, cuando la caja costal se eleva, las costillas se desplazan hacia adelante casi en línea recta, de modo que el esternón también se mueve hacia delante, alejándose de la columna vertebral y haciendo que el diámetro anteroposterior del tórax sea aproximadamente un 20% mayor durante la inspiración máxima que durante la espiración. Por tanto, todos los músculos que elevan la caja torácica se clasifican como músculos inspiratorios y los músculos que hacen descender la caja torácica se clasifican como músculos espiratorios.


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Los músculos mas importantes que elevan la caja torácica son los intercostales externos, aunque otros músculos que contribuyen son: 1) los músculos esternocleidomastoideos, que elevan el esternón;2) los serratos anteriores, que elevan muchas de las costillas, y3) los escalenos, que elevan las dos primeras costillas.


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Los músculos que tiran hacia abajo de la caja costal durante la espiración son principalmente: 1) los rectos del abdomen, que tienen el potente efecto de empujar hacia abajo las costillas inferiores al mismo tiempo que ellos y otro músculos abdominales también comprimen el contenido abdominal hacia arriba contra el diafragma, y 2) los intercostales internos.


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La figura también muestra el mecanismo mediante el que actúan los intercostales externos e internos para producir la inspiración y la espiración. A la izquierda, durante la espiración las costillas están anguladas hacia abajo, y los intercostales externos están alargados hacia delante y hacia abajo.

Cuando se contraen tiran de las costillas superiores hacia delante en relación con las costillas inferiores y actúan como una palanca sobre las costillas para levantarlas hacia arriba, produciendo de esta manera la inspiración. Los intercostales internos funcionan de manera exactamente opuesta, y actúan como músculos respiratorios porque se angulan entre las costillas en dirección opuesta y producen una palanca contraria.


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I. Músculos INSPIRADORES:AUMENTAN diámetros toráxicos

1) Aumentan el DIÁMETRO

VERTICAL:

“Diafragma”: En condiciones de reposo, el 80%- 90% de la actividad muscular inspiradora corresponde a este músculo.

2) ES UN PROCESO ACTIVO


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2) Aumentan los DIÁMETROS ANTERO-POSTERIOR y TRANSVERSO

a. REGION COSTAL: “Intercostales externos” – “Supracostales”

b. REGION TORAXICA ANTERO-LATERAL “Pectorales mayores y menores” – “Serrato mayor” (Eleva las 9-10 primeras costillas)

c. REGION DEL CUELLO-TRONCO POSTERIOR “Serrato menor posterior y superior” (Eleva 2da. A 5ta. costilla)

d. REGION DEL CUELLO:“Esternocleidomastoideo” (Eleva esternón) –“Escalenos anterior, medio y posterior”(Elevan las 2 primeras costillas).


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2. MÚSCULOS ESPIRADORES: DISMINUYEN DIÁMETROS TORÁXICOS.

1. MÚSCULOS DE LA PRENSA ABDOMINAL:

Recto Abdominal (2).

Oblicuo Mayor del Abdomen (2)

Oblicuo Menor del Abdomen (2),

Transverso del Abdomen (1).2. INTERCOSTALES INTERNOS . GENERALMENTE ES PASIVA.


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• El aire entra y sale de los pulmones siguiendo los gradientes de presión creados por la expansión reversible de la caja torácia. Las presiones respiratorias son (en reposo, con respecto a la presión atmosférica)

RESPIRACION ABDOMINAL

espiracion

inspiracion

• FASES DE VENTILACIÓN PULMONAR1. INSPIRACIÓN. Aire del ambiente ingresa a los pulmones. Proceso Activo para la Caja Torácica y

Pasivo para los pulmones. Contracción de los músculos inspiradores

que incrementan los diámetros del tórax. Se genera gradiente de presiones:

MAYOR en el ambiente … MENOR en los pulmones = el aire atmosférico ingresa

INSPIRACIÓN: de acuerdo a Boyle “A mayor volumen de un gas, menor presión”… Esto sucede cuando el tórax se expande.


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2. ESPIRACIÓN

Aire de los pulmones es expulsado al ambiente.

Proceso Activo para los pulmones y pasivo para la caja torácica.

Diafragma se relaja.Colaboran músculos de la

prensa abdominal e intercostales internos los cuales comprimen al tórax contra el diafragma.


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Presiones que originan el movimiento de entrada y salida de aire de los pulmones El pulmón es una estructura elástica que se colapsa como un

globo y expulsa el aire a través de la tráquea siempre que no haya ninguna fuerza que lo mantenga insuflado. Además, no hay uniones entre el pulmón y las paredes de la caja torácica, excepto en el punto en el que esta suspendido del mediastino, la sección media de la cavidad torácica, en el hilio. Por el contrario, el pulmón flota en la cavidad ≪ ≫torácica, rodeado por una capa delgada de liquido pleural que lubrica el movimiento de los pulmones en el interior de la cavidad. Además, la aspiración continua del exceso de liquido hacia los conductos linfáticos mantiene una ligera presión negativa entre la superficie visceral del pulmón y la superficie pleural parietal de la cavidad torácica. Por tanto, los pulmones están sujetos a la pared torácica como si estuvieran pegados, excepto porque están bien lubricados y se pueden deslizar libremente cuando el tórax se expande y se contrae.


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Presión pleural y sus cambios durante la respiración

La presión pleural es la presión del liquido que esta en el delgado espacio que hay entre la pleura pulmonar y la pleura de la pared torácica. Como se ha señalado antes, normalmente hay una aspiración ligera, lo que significa que hay una presión ligeramente negativa. La presión pleural normal al comienzo de la inspiración es de aproximadamente -5 cm H20 , que es la magnitud de la aspiración necesaria para mantener los pulmones expandidos hasta su nivel de reposo. Después, durante la inspiración normal, la expansión de la caja torácica tira hacia fuera de los pulmones con mas fuerza y genera una presión mas negativa, hasta un promedio de aproximadamente -7,5 cm H20 .

Estas relaciones entre la presión pleural y las modificaciones del volumen pulmonar se muestran en la figura 37-2, en la que la parte inferior representa la negatividad creciente de la presión pleural desde - 5 hasta -7,5 durante la inspiración y la parte superior un aumento del volumen pulmonar de 0,5 l. Después, durante la espiración, se produce esencialmente una inversión de estos fenómenos.


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Presión alveolarEs la presión del aire que hay en el interior de los alveolos

pulmonares. Cuando la glotis esta abierta y no hay flujo de aire hacia el interior ni el exterior de los pulmones, las presiones en todas las partes del árbol respiratorio, hasta los alveolos, son iguales a la presión atmosférica, que se considera que es la presión de referencia cero en las vías aéreas (es decir, presión de O cm H20 ). Para que se produzca un movimiento de entrada de aire hacia los alveolos durante la inspiración, la presión en los alveolos debe disminuir hasta un valor ligeramente inferior a la presión atmosférica (debajo de cero). La segunda curva (denominada presión alveolar ) de la ≪ ≫figura 37-2 muestra que durante la inspiración normal la presión alveolar disminuye hasta aproximadamente - l c m H20 . Esta ligera presión negativa es suficiente para arrastrar 0,5 l de aire hacia los pulmones en los 2s necesarios para una inspiración tranquila normal.


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Durante la espiración se producen presiones contrarias: la presión alveolar aumenta hasta aproximadamente + l cm H20 , lo que fuerza la salida del 0,5 l de aire inspirado desde los pulmones durante los 2 a 3s de la espiración.


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Presión transpulmonarPresión transpulmonar. Finalmente, se debe señalar en la figura 37-2 la diferencia entre la presión alveolar y la presión pleural. Esta diferencia se denomina presión transpulmonar, que es la diferencia entre la presión que hay en el interior de los alveolos y la que hay en las superficies externas de los pulmones, y es una medida de las fuerzas elásticas de los pulmones que tienden a colapsarlos en todos los momentos de la respiración, denominadas presión de retroceso.


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Distensibilidad de los pulmonesEl volumen que se expanden los pulmones por cada

aumento unitario de presión transpulmonar (si se da tiempo suficiente para alcanzar el equilibrio) se denomina distensibilidad pulmonar. La distensibilidad pulmonar total de los dos pulmones en conjunto en el ser humano adulto normal es en promedio de aproximadamente 200 mL de aire por cada cm H20 de presión transpulmonar. Es decir, cada vez que la presión transpulmonar aumenta 1 cm H20 , el volumen pulmonar, después de 10 a 20 s, se expande 200 mL.


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Diagrama de distensibilidad de los pulmones.

La figura 37-3 es un diagrama que relaciona los cambios del volumen pulmonar con los cambios de la presión transpulmonar. Obsérvese que la relación es diferente para la inspiración y para la espiración. Cada una de las curvas se registra modificando la presión transpulmonar en escalones pequeños y permitiendo que el volumen pulmonar llegue a un nivel estable entre escalones sucesivos. Las dos curvas se denominan, respectivamente, la curva de distensibilidad inspiratoria y la curva de distensibilidad espiratoria y todo el diagrama se denomina diagrama de distensibilidad de los pulmones.


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Surfactante, tensión superficial y colapso de los alvéolosPrincipio de la tensión superficial. Cuando el agua forma una superficie con el aire, las moléculas de agua de la superficie del agua tienen una atracción especialmente intensa entre si. En consecuencia, la superficie del agua siempre esta intentando contraerse. Esto es lo que mantiene unidas entre si las gotas de lluvia: una membrana muy contráctil de moléculas de agua que rodea toda la superficie de la gota de agua. Invirtamos ahora estos principios y veamos


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que ocurre en las superficies internas de los alveolos. Aquí la superficie de agua también intenta contraerse, lo que da lugar a un intento de expulsar el aire de los alveolos a través de los bronquios y, al hacerlo, hace que los alveolos intenten colapsarse. El efecto neto es producir una fuerza contráctil elástica de todos los pulmones, que se denomina fuerza elástica de la tensión superficial.


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El surfactante y su efecto sobre la tensión superficial. El surfactante es un agente activo de superficie en agua, lo que significa que

reduce mucho la tensión superficial del agua. Es secretado por células epiteliales especiales secretoras de surfactante denominadas células epiteliales alveolares de tipo II, que constituyen aproximadamente el 10% del área superficial de los alveolos. Estas células son granulares y contienen inclusiones de lípidos que se secretan en el surfactante hacia los alveolos. El surfactante es una mezcla compleja de varios fosfolípidos, proteínas e iones. Los componentes mas importantes son el fosfolípido dipalmitoilfosfatidilcolina, las apoproteinas del surfactante e iones calcio. La dipalmitoilfosfatidilcolina, junto a otros fosfolipidos menos importantes, es responsable de la reducción de la tensión superficial. Lo hace porque no se disuelve de manera uniforme en el liquido que tapiza la superficie alveolar, sino que parte de la molécula se disuelve, mientras que el resto permanece sobre la superficie del agua en los alveolos. La tensión de esta superficie es entre un doceavo y la mitad de la tensión superficial de una superficie de agua pura.


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En términos cuantitativos la tensión superficial de diferentes líquidos en agua es aproximadamente la siguiente: agua pura, 72dinas/cm; los líquidos normales que tapizan los alveolos pero sin surfactante, 50dinas/cm; los líquidos normales que tapizan los alveolos con cantidades normales de surfactante incluidas, entre 5 y 30 dinas/cm.


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Uno de los fenómenos notables en el proceso de la respiración, es el rol del fluido, cubriendo las paredes de los alveolos de los pulmones. Este líquido llamado surfactante, disminuye la tensión superficial de los alvéolos.

Presión en los alveolos ocluidos producida por la tensión superficial


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Efecto del radio alveolar sobre la presión que produce la tensión superficial.


en lactantes prematuros pequeños, muchos de los cuales tiene alveolos con radios menores de la cuarta parte de los de una persona adulta. Además, normalmente el surfactante no comienza a secretarse hacia los alveolos hasta entre el sexto y séptimo meses de gestación, y en algunos casos incluso mas tarde. Por tanto, muchos lactantes prematuros tienen poco o ningún surfactante en los alveolos cuando nacen, y sus alveolos tienen una tendencia extrema a colapsarse, a veces hasta seis a ocho veces la de una persona adulta normal. Esto da lugar a la enfermedad denominada síndrome de dificultad respiratoria del recién nacido. Es mortal si no se trata con medidas intensivas, especialmente respiración a presión positiva continua aplicada de manera adecuada.


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Efecto de la caja torácica sobre la expansibilidad pulmonar

Hasta ahora hemos analizado la capacidad de expansión de los pulmones de manera aislada, sin considerar la caja torácica. La caja torácica tiene sus propias características elásticas y viscosas, similares a las de los pulmones; incluso si los pulmones no estuvieran presentes en el tórax, seguiría siendo necesario un esfuerzo muscular para expandir la caja torácica.


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Distensibilidad del tórax y de los pulmones en conjunto

La distensibilidad de todo el sistema pulmonar (los pulmones y la caja toracica en conjunto) se mide cuando se expanden los pulmones de una persona relajada o paralizada totalmente. Para hacerlo se introduce aire en los pulmones poco a poco mientras se registran las presiones y volúmenes pulmonares. Para insuflar este sistema pulmonar total es necesario casi el doble de presión que para insuflar los mismos pulmones después de extraerlos de la caja torácica. Por tanto, la distensibilidad del sistema pulmon-torax combinado es casi exactamente la mitad que la de los pulmones solos, 110 mL de volumen por cada cm H20 de presión para el sistema combinado, en comparación con 200ml/cm H20 para los pulmones de manera aislada. Además, cuando los pulmones se expanden hasta alcanzar volúmenes elevados o se comprimen hasta alcanzar volúmenes bajos, las limitaciones del tórax se hacen extremas; cuando se esta cerca de estos limites, la distensibilidad del sistema pulmon-torax combinado puede ser menor de un quinto de la de los pulmones solos.


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Compliance pulmonarMedición de la facilidad con que se expanden

los pulmones y el tórax durante los movimientos respiratorios, determinada por el volumen y la elasticidad pulmonar.

Una compliance elevada indica falta de recuperación elástica de los pulmones, como ocurre en el enfisema;

una compliance disminuida supone que es necesaria una mayor presión para producir cambios de volumen, como ocurre en la fibrosis pulmonar, el edema o la ausencia de surfactante.


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Es el grado de distensibilidad o elasticidad del pulmón.

Compliance :

C= 200 ml(aire)/cm(agua de presión)

people of French-Canadian/Cajun heritage.

La compliance depende de las fuerzas elásticas producidas por:

• La elasticidad pulmonar (fibras de elastina y colágeno)

• La tensión superficial de los alvéolos (sustancia surfactante)

La compliance puede subdividirse en 2 componentes:

• Compliance Dinámica: representa C (pulmonar)

• Compliance Estática: representa C total

C(estática) = C (pulmonar) + C (caja torácica)

Diagrama de distensibilidad pulmonar

Variación de la compliance en diferentes estados patológicos

Cómo estimar las presiones pulmonares?


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D. ESPACIO MUERTO1. DEFINICIÓN.

Es la parte del aparato respiratorio que contienen un volumen de aire que NO participa en el intercambio de gases.

Durante una respiración normal se inspiran 500ml. de aire; parte de este aire llega a los alvéolos y el resto queda dentro de la vía respiratoria (desde las fosas nasales hasta los bronquiolos terminales).

Los alvéolos están tapizados por capilares: Por eso a este nivel se realiza la HEMATOSIS.


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2. TIPOS DE ESPACIO MUERTO.Según su localización el espacio muerto es de tres tipos:

a. ESPACIO MUERTO ANATÓMICO.Volumen de aire ubicado en la “Vía Respiratoria” que NO participa en el Intercambio Gaseoso, es decir: NO SE CUENTA A LOS ALVEÓLOS.

b. ESPACIO MUERTO ALVEOLAR.Volumen de aire que ingresa a los alvéolos pero que NO realiza el Intercambio Gaseoso; esto se debe a dos causas principales:

1. Alvéolos con buena Ventilación pero mala perfusión.2. Alvéolos MAL / parcialmente ventilados a pesar de la

perfusión.

c. ESPACIO MUERTO FISIOLÓGICO (VD).Corresponde al Volumen TOTAL de aire INSPIRADO y que NO se aprovecha para la Hematosis.

VD = Espacio Muerto Anatómico + Espacio Muerto AlveolarVD = 150 ml de aire. 22/04/23


Comparación entre Espacio muerto alveolar y un alveolo

normal


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• FASES RESPIRATORIAS1. Mecánica Ventilatoria.2. Difusión gaseosa.3. Transporte de los gases.4. Control de la respiración.


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• VENTILACIÓN PULMONAREs un proceso dinámico y cíclico de

INSPIRACIÓN Y ESPIRACIÓN secuenciales: El aire atmosférico ingresa a los alvéolos y luego un volumen parecido se desplaza al exterior. Se evalúa a través del ESPIRÓMETRO y Espirógrafos.


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• MODIFICACIONESVENTILATORIAS


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HIPOVENTILACIÓNLa Ventilación alveolar disminuida, no cubre las demandas metabólicas siendo sus consecuencias las siguientes:

1. HIPOXEMIA: PO2 disminuida en la sangre.

2. HIPERCAPNEA: PCO2 aumentada en sangre.

3. ACIDOSIS RESPIRATORIA: Disminución del pH sanguíneo. Esto es secundario a la elevación de iones H+; lo cual a su vez se produce por la concentración aumentada de CO2 en sangre.


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HIPERVENTILACIÓNLa ventilación Alveolar, se

encuentra elevada en relación a las demandas metabólicas. Existe mayor oferta de O2 y eliminación aumentada de CO2 razón por la cual se produce:

1. HIPOCAPNEA: Disminución de la PCO2 en sangre.

2. ALCALOSIS RESPIRATORIA: Es secundaria a Hipocapnea


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METODOS PARA CUANTIFICARLOS FENOMENOS RESPIRATORIOS

Los espirómetros modernos permiten medir de manera directa el ingreso y la salida de gas. Como los volúmenes de gas varían con la temperatura y la presión, y ya que la cantidad de vapor de agua en ellos varia, estos dispositivos tienen la habilidad de corregir las mediciones respiratorias que involucran volumen hasta un conjunto determinado de situaciones generales. Los cuatro estándares mas usuales y sus abreviaturas se muestran en el cuadro 35-1. Es indispensable señalar que las mediciones correctas dependen mucho de la habilidad del medico para alentar de modo apropiado al paciente para que utilice al máximo el dispositivo. Las técnicas modernas de análisis de gases hacen posible mediciones rápidas y confiables de la composición de mezclas gaseosas y del contenido gaseoso de los líquidos corporales. Por ejemplo, pueden insertarse electrodos para oxigeno y dióxido de carbono (pequeñas sondas sensibles a O2 y CO2) en la vía respiratoria, vasos sanguíneos o tejidos con el propósito de obtener registros continuos de PO2 y PCO2. La valoración a largo plazo de la oxigenación se lleva a cabo de manera incruenta con el oxímetro de pulso, el cual casi siempre se conecta a la oreja.


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Espirometría simple• Consiste en solicitar al paciente que , tras una

inspiración máxima , expulse todo el aire de sus pulmones durante el tiempo que necesite para ello .

• Mide volúmenes pulmonares estáticos , excepto el residual , capacidad residual funcional (CRF) y capacidad pulmonar total (CTP).


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TEMA: Leyes de los Gases Ideales. Propiedades.

Ley de Boyle. Ley de Charles. Ley de Gay Lussac.

Ley de las presiones parciales de Dalton.

Ecuaciones de estado de un gas ideal.Teoría cinética de los gases

Ejercicios y problemas

ATMÓSFERA1. CONCEPTO.

El aire atmosférico corresponde a una mezcla de gases, los mismos que conservan sus propiedades particulares y se pueden separar por medios físicos.

2. COMPOSICIÓN.

La composición porcentual del aire es constante en cualquier lugar de la tierra (a cualquier altitud es la misma). El N y los gases raros SON GASES INERTES.

N2 = 79% O2 = 21% CO2 = 0.04% y Gases Raros


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• PRESIÓN ATMOSFÉRICA O BAROMÉTRICA (PB)

Se le define como la fuerza con que los gases de la atmósfera actúan sobre nuestro planeta. Es variable y disminuye con la altitud:

A nivel de mar: PB = 760mmHg=147lb/pulg2

A 18 000 pies snm: PB= 380mmHgA 63 000 pies snm: PB= 470mmHg


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PRESIÓN DE VAPOR DE AGUA

Dentro del cuerpo humano, los gases existentes se encuentran saturados en vapor de agua; éste a su vez ejerce una presión parcial que depende exclusivamente de la Tº. A una Tº de 37ºC dentro del cuerpo el vapor de agua ejerce una P = 47 mmHg.El vapor de agua dilata el aire y diluye sus componentes, por ese motivo el aire inspirado reduce las presiones, parciales de los gases que lo componen.


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PROPIEDADES DE LOS GASESLa presión de un gas es proporcional a su

temperatura y al número de moles por volumen:

P = nRT/V (de la ecuación del estado del gas ideal)

Donde:P = presiónn = número de molesR = constante gaseosaT = temperatura absolutaV = volumen 22/04/23



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GASES IDEALES

El gas consiste en un estado de agregación de la materia formadas por partículas independientes llamadas moléculas, perfectamente elásticas moviéndose en todas direcciones.

El gas ideal o perfecto es aquel cuyo valor de las fuerzas atractivas de sus moléculas

tienden a cero y el volumen de dichas moléculas es despreciable respecto al gran

volumen que ocupa el gas


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La ley de Boyle-Mariotte : Formulada en 1662, Llamada Ley de las Isotermas, pues durante el

fenómeno registrado la temperatura se mantiene constante, estando el volumen del gas en relación

inversa, a las presiones que soporta


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REPRESENTACIÓN DE LA LEY DE BOYLE

LEY DE BOYLE: EL VOLUMEN DEL GAS ES INVERSAMENTE

PROPORCIONAL A LA PRESIÓN MANTENIENDO UNA

TEMPERATURA CONSTANTE

P1 = presión inicial del sistema V1 = volumen inicial del sistemaP2 = presión final del sistemaV2 = volumen final del sistema


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LEY DE BOYLE: ISOTÉRMICA

Una jeringa con su émbolo móvil nos da un buen ejemplo en posición (1) donde las dos ramas están en equilibrio. En la posición (2) se ejerce Presión positiva, la diferencia de las

ramas marca la presión del gas. Presión negativa (3), succión.

(3)(2)(1)


REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LA LEY DE BOYLE

GasAltura

delMercurio

Abertura en contacto con la

atmósfera

0,5 2 4 6

24

6

32

12

1212

12

12

0,5 2 4 6

PxV Constante

L L

Atm


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COMPARACIÓN DE ISOTERMAS

Mayor temperatura Menor temperatura


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Temperatura crítica:Presión crítica:

PUNTO CRÍTICO

Temperatura crítica

Por debajo de la temperatura crítica aplicando presión, el gas pasa al estado líquido


TEMPERATURA CRÍTICA Temperatura máxima hasta

la cual el gas puede ser licuado, es decir, la

temperatura sobre la cual el gas no puede pasar al estado líquido aplicándole presión

PRESIÓN CRÍTICA

Presión mínima requerida para

causar el cambio de estado de un gas

que se encuentra en su temperatura

crítica


El Gas: Estado de agregación de la materia que se encuentra por encima de su temperatura crítica, no se puede convertir en líquido a pesar del aumento de presión

El Vapor: Estado de agregación de la materia que posee una temperatura por debajo de su valor crítico. Por tanto puede ser convertido en líquido por acción única de la presión (Condensación)


¿La densidad se puede incluir en la ley de Boyle ?

Densidad1 = Masa1

Volumen1

Densidad2 = Masa2

Volumen2

Por tanto M1

D1

M2

D2

Pero es un procesoIsomásico

P1 = P2

D1 D2

Presión y Densidad son directamente proporcionales


LEY DE CHARLES: ISOBÁRICA

A presión constante el volumen de una determinada masa de de cualquier gas aumenta en 1/273 (0,003669 = ) partes de

su volumen a 0°C, por cada grado Celsius (t), de elevación en la temperatura.

V1 = V0 + (V0 x .t)

V1 = V0 (1 + 1.t ) 273

V1 = V0 ( 273 + t ) 273

Temperatura absoluta °K


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V1 = V0 ( 273 + t1 ) 273V2 = V0 ( 273 + t2) 273

Para dos variaciones de temperatura (°C) Para dos variaciones de temperatura (°C)

V1 = T1

V2 T2

Temperatura absoluta 1

Temperatura absoluta 2

El volumen y la temperatura absoluta son directamente proporcionales


Ley de Charles: El volumen de un gas es directamente proporcional a la temperatura

manteniendo una presión constante.

REPRESENTACIÓN: LEY DE CHARLES


LEY DE CHARLES: ISOBÁRICO

Volumen Presión

Cómo demostrarías P3>P2>P1

°C


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¿La densidad se puede incluir en la ley de Charles?

Densidad1 = Masa1

Volumen1

Densidad2 = Masa2

Volumen2

V1 = T1

V2 T2

M1/ D1 = T1

M2/ D2 T2

D2 T2 = T1D1

La densidad y la temperatura absoluta son inversamente

proporcionales


LEY DE GAY LUSSAC: ISOCÓRICA

P

T°K

V1

V2

V3

V3 > V2 > V1

0

Para una masa de un gas, el volumen que presenta es directamente proporcional a su temperatura absoluta


Ley de Gay-Lussac: La presión de un gas es directamente proporcional a su temperatura

manteniendo el volumen constante

REPRESENTACION LEY DE GAY LUSSAC


P1 = P2

T1 T2

Pres

ión.

Atm

.

Gráfica en función de la T °C


Ecuación de Estado de un gas Ideal

P1.V1 = P2.V2

T1 T2

Incluyendo la densidad

T1.D1 = T2.D2

P1 P2

Las unidades de la densidad por lo común son: Kg/m3 o eng/cm3 o g/ml


83

Leyes de los gases Ideales en una sola gráfica

P.V= KP/T= K

T/V= K

T


LEY DE AVOGADRO

A 0°C y 1 Atm. de Presión una mol de todo gas ocupa 22,4 litros de Volumen

¿¡Qué!?Si, porque tienen el mismo número de

moléculas: 6,023x1023

2 4 28 32 44 64


85

P1.V1 = R T1

1 Atm 22,4 L

273°K = 0°C

Constante de logases ideales

R= 0,082 L. Atm °K.Mol1 L.Atm = 24.23 Calorías

R= 1,987 Cal °K.Mol


P.V = n.R.T

Para otras condiciones

Incluyendo densidad: D

P.V = G.R.T Mm

P. Mm = G.R.T V

Densidad

P. Mm = D.R.T

Recordar que R debe concordar con las

unidades de Presión, Temperatura volumen

y densidad


Ley de las Presiones Parciales de Dalton

P1= n1RT

P2= n2RT

P3= n3RT

(P1 + P2 + P3 ) = (n1+n2+n3).RT

Ptotal = ntotal.RT

Sumando

P1 = n1RT

Ptotal = ntotal.RT

Dividiendo

P1 = n1

Ptotal ntotal


88

La presión parcial ejercida por cada componente de una mezcla gaseosa es

directamente proporcional a su concentración molar en dicha mezcla

P1 = n1

Ptotal ntotal

Fracción molar x1

P1 = x1 . Ptotal

Por lo tanto para cada componente se tiene la

siguiente identidad

% Presión = % Molar


89

Ley de Raoult: La presión de vapor de un solvente en una solución es directamente proporcional a la

fracción molar del solvente

Solubilidad de gases en el H2O

P = X1. P°

P = Presión del solvente en la soluciónP° = Presión de vapor del solvente puro a una temperaturaX1 = Fracción molar del disolvente en la solución


La Ley de Raoult se puede expresar de la siguiente manera

Tomando en cuenta un gas disuelto en agua

XH2O + XGas = 1 XGas = 1 - XH2O

P = XH2O. P°H2O


LEY DE RAOULTSe aplican a las soluciones ideales, e influyen en su presión de vapor disminuyéndola proporcionalmente a su fracción molar.Ejemplo:

Dos líquidos miscibles entre si, se mezclan: 2moles del Líquido A con 3 moles del líquido B. A tiene 20 y B 200 mm de Hg de presión de vapor al estado puro

respectivamente y a una temperatura de 20ºC.¿Cuál será la presión de vapor de cada una de las sustancias en la mezcla, y además la composición porcentual de la fase gaseosa del líquido A y del

líquido B en un ambiente saturado.


Líquido A Líquido B

Líquido A+B

PºA : Presión de A, puro

Mezcla ideal

Presión de A en la mezcla

Fracción molar de A

PA = XA. PºA

Presión de B en la mezcla

Fracción molar de B

PB = XB. PºB


1. En la fase Líquida

XA = 2 = 0,4 2+3

XB = 3 = 0,6 2+3

2. Presiones parcialesPA = 0,4x20 mm HgPA = 8 mm Hg

PB =0,6x200 mm HgPB = 120 mm Hg

Ptotal = (8+120) mm Hg Ptotal = 128 mm Hg

Ahora desarrollando nuestro problema tenemos:


Además de ello se puede averiguar la proporción de moles de cada sustancia en la fase gaseosa, a partir de la presión total, puesto que podemos aplicar la LEY DE DALTON :

P B = n B

Ptotal n t

%PA = % nA%PB = % nB

% n A = 8 x 100 128

P A = n A

Ptotal n t

n A = 6,25%

%n B = 120 x 100 128

n B = 93,75%


95

Sistema Líquido -Gas : Ley de Henry

La solubilidad de un gas en un líquido, bajo condiciones normales, es proporcional a la

presión ejercida sobre el primero.

= vg

Vs. Pi

Volumen de Gas

Volumen de solvente

Coeficiente de Bunsen

Presión parcial del gas

en fracción respecto a 1 Atm


Como consecuencia de ello, la solubilidad de un gas se puede expresar de la siguiente manera

.Pi = vg

Vs

Solubilidaddel Gas

Litros de gas reducidos a C.N.T.P. (0ºC y 1 Atm) que se disuelven en un litro

de disolvente


97

En las leyes de los gases en el interior de los pulmones se debe tomar en consideración, respecto a la presión total, la presión de vapor del agua la misma que debe ser restada

de la presión total.La presión de vapor del agua varía con la temperatura

siendo directamente proporcional

Así, si en un ambiente húmedo a una atmósfera (760 mmHg), y a 37°C, la presión de vapor del agua a dicha

temperatura es 47 mm de Hg, por lo tanto la presión del sistema será:

760 -47 : 713 mm Hg


98

Ejemplo: El aire alveolar está compuesto por un 80% de N2, un 14% de O2 y un 6% de CO2.

Los coeficientes de Bunsen a 37,5°C son 0,012 , 0,024 y 0,51 respectivamente y la presión parcial del aire en el pulmón es de 720 mm de Hg siendo la diferencia respecto a 1 Atm. debido al H2O (vapor). Calcular el volumen de cada gas disuelto por litro

de plasma

PN2 = 720 x 0,80 = 576 mm Hg

Por ley de presiones Parciales de dalton

PO2 = 720 x 0,14 = 100,8 mm Hg

PCO2 = 720 x 0,06 = 43,20,8 mm Hg

A


99

BPor la definición de solubilidad en función del

Coeficiente de Bunsen

0,012Litros.576mmHg = vg

760mmHg Vs

9,10 ml

0,024Litros.100,8mmHg = vg

760mmHg Vs

3,18 ml

0,510Litros.43,20mmHg = vg

760mmHg Vs

28,98 ml

N2

O2

CO2


100

B

Como la temperatura requerida es 37,5°C y 1 Atm

P1.V1 = P2.V2

T1 T2

Como las presiones son en ambos casos 1Atm.

V1 = V2

T1 T2

VN2 = 9,10ml x 310,5°K 273°K VN2 = 10,35 ml

VO2 = 3,18ml x 310,5°K 273°K

VO2 = 3,62 ml

VO2 = 29,98ml x 310,5°K 273°K

VCO2 = 34,1 ml


101

ESCALAS TERMOMÉTRICAS

°C = °F -32 = °K - 273 = °R - 492100 180 100 180


102

TEORIA CINETICA DE LOS GASES

1) • • Velocidad: Distancia : L

L

= 2L T

2L

1 T

= Frecuencia

2) Expresado como cantidad de movimiento

• •Molécula de masa : M

2 .M T

2 .M. 1 T

2 .M. 2L

M. 2

L

6.023x1023

Moléculas


103

Como se puede apreciar La última expresión representa una magnitud de fuerza

M. 2

LM.L2

LT2M.L2

LT2M.L T2

Masa.Aceleración = FUERZA

x

y

z

N3

N : Número de Avogadro

N/3 es la tercera parte de las moléculas que se encuentran en el

cubo


104

Por tanto la fuerza de las moléculas quese desplazan en la dirección X de

ida y de regreso será

N . M. 2

3 L

El número de Avogadro,N por La

masa de una molécula monoatómica por

ejemplo es igual a su MASA MOLECULAR

Mm. 2

3 L

¡¿?!


105

Ejemplo: Una molécula de 4 nucleones (He), se encuentra en estado gaseoso en un número equivalente al de Avogadro

6.023x1023 ¿Cuál será su masa molecular si cada nucleón tiene una masa de 1,67 x 10-24 gramos

Mm = (6.023x1023 )(4)(1,67 x 10-24 )

Mm = 4 g mol

La masa molecular de un gas depende principalmente del núcleo


106

Area. L2

Fuerza

Presión =Fuerza Area

Presión = Mm. 2/ 3 L L2

Presión = Mm. 2

3L3Volumen= V= L3

P = Mm. 2

3VPV = Mm. 2

3

3) En función de la Presión:


107

PV = Mm. 2 = 2E = R.T 3 3

Para una mol de un gas mono atómico

P: Presión del gasV: Volumen Mm: Masa molecular : Velocidad E : Energía Cinética R: Constante universal de los gases T: Temperatura absoluta


108

Capacidad Calorífica a volumen constante (Cv)

2E1 = R.T1

3 2E2 = R.T2

3

(E2 - E1) = 3 R.(T2 - T1) 2

E = 3 R.T 2

Si tomamos en consideración La diferencia de temperatura 1°C y R por

aproximación 2 y E la capacidad calorífica a volumen constante, pues no

se realizó trabajo tenemos

Cv = 3 Cal grado


109

Capacidad calorífica a presión constante (Cp o qp)

V1 V2<

Cp = E + PV

Cp = Cv + nR(T2-T1)

Para una diferencia de un grado Celsiusy R= 2

Cp = 3 + 2(1) Cp = 5Cal grado

El aumento de volumen indica una realización de Trabajo


110

CONSECUENCIA DE LA ECUACIÓN CINÉTICA DE LOS GASES

LA LEY DE GRAHAM

PV = Mm. 2

33 PV = Mm. 2

Mm. 2 = 3 PV

2 = 3 PV Mm

1 = 3 PV Mm1

Si se tienen dos gases en iguales condiciones de presión y en un recipiente del mismo

volumen:

2 = 3 PV Mm2


111

1 = Mm2

2 Mm1

Como podrías incluir El tiempo y la densidaden esta fórmula

T2 = Mm2

T1 Mm1

1 = 2

2 1

T1: Tiempo de difusión T2: Tiempo de difusión

1 :Densidad gas12 :Densidad gas2


112

Problemas

1.- Un recipiente contiene un volumen de 10 litros de CO2 a 27°C al calentar el conjunto y dejando que el embolo se desplace libremente, la temperatura será de 177°C. ¿Cuál será el volumen final del gas?. Si la densidad inicial es de 1,8 g/L, ¿Cuál será su densidad en el estado final?

a.- El proceso es Isobárico

V1 = T1

V2 T2

10L = 300°K V2 450°K

V2= 450 x 10L 300

V2=15 L


113

b.- La densidad responde a la siguiente relación

T1.D1 = T2.D2

P1 P2

D2 T2 = D1T1

D2 x 450°K = 1,8 g/L x 300°K

D2 = 1,8 g/L x 300 450

D2 = 1,2 g/L

Disminuciónde la

densidad


114

2.- Se tienen dos recipientes, uno de los cuales contiene gas O2 y el otro gas N2 y cada uno ocupa un volumen de 500 ml a 20°C. Al calentar ambos gases a presión constante hasta 200°C. ¿Cuál tendrá el mayor volumen?

Es evidente que al tener los dos el mismo

volumen la expansión sea idéntica, por lo tanto

el volumen en el estado final será el mismo

500ml = 293°K V2 473°K V2= 807,16 ml


115

3.- Una persona afirma que colocó 3,5 moles de un gas de comportamiento ideal en un recipiente de 8 litros, y que una vez alcanzado el estado de equilibrio, la temperatura del gas era de 27°C y su presión de 5Atm. ¿Pueden ser correctos estos valores?

P.V = n.R.T

5Atm x 8L 3,5mol x 0,082 l.Atm x 300°K mol.°K

40 l.Atm86 L.Atm

Incorrecto


116

Si la igualdad anterior fuera correcta cuál sería el numero de moles?

5Atm x 8L = n x 0,082 l.Atm x 300°K mol.°K

5 x 8 mol =0,082x300

n

n = 1,6 moles

Ojo:Se ha empleado el Valor de R: 0,082 l.atm.l /mol.°Kdado que el valor P fue proporcionado en Atmósferas y V

en Litros.


117

4.- Una burbuja de aire con 2,5 ml de volumen se forma en el fondo de un lago, a 30m de profundidad y sube hasta llegar a la superficie, donde la presión es de una atmósfera. Si la temperatura del lago es la misma a cualquier profundidad:a.- ¿Qué tipo de transformación sufrió la burbuja?.b.- Cuál es la presión que soporta la burbuja en el fondo del lago. (10 m de altura de agua es apx 1 Atm)c.- Calcular el volumen de la burbuja cuando llega a la superficie.

a.- El proceso es Isotérmico pues la temperatura del lago no varía en el proceso


118

b.- 30m. por lo tanto corresponde a 3 Atmósferasmás una atmósfera a nivel del lago, la presión

total será 4 Atmósferas.

c.- Aplicando:

4Atm x 2,5 ml 1Atm x V2

V2 = 2,5 ml


119

5.- De los siguientes gráficos diga a qué proceso corresponde

T T T

V VP

ISOVOLUMÉTRICO ISOTÉRMICO ISOBÁRICO

Podrías decir cómo se llego a esta

conclusión


120

6.- Un recipiente, cuyo volumen es de 8,2 L contiene 20g de cierta sustancia gaseosa, a una temperatura de 47°C y una presión de 2 Atm. ¿Cuál de las siguientes

sustancias será? H2 ,CO2 , O2 , NH3 ,N2

P.V = G.R.T Mm

Variante de P.V= n.R.T

2Atm x 8,2L 20 g x 0,082 L.Atm x (47 +273)°K Mm mol.°K

Mm = 524,8 g 16,4 mol

Mm = 32 g mol

O2


121

7.-En el siguiente diagrama en la transformación de las condiciones de un gas colocar v ó f

P

V

AB

CD

ENF

M

-Las temperaturas en C y D son iguales-La temperatura del gas en B es mayor que en M -La transformación ABCDEF es isotérmica -La transformación FNMA es isotérmica

( )( )( )( )

Proceso 1

Proceso 1


122

8.- Un recipiente de volumen constante e igual a un litro contiene una mol de un gas a la presión de de 1 atmósfera. Conectando una bomba de vacío, y a

temperatura constante se logra reducir la presión hasta 10-13 atm. Cuál será el número de moléculas del

recipiente N: 6,023. 1023 moléculas

Sugerencia aplicar P.V= n.R.T

P = R.T n V

Valores constantes en el problema

P1 = P2

n1 n2 Reemplazando

n2 = 6,023. 1010 moléculas


123

9.-Si a nivel de la tráquea la mezcla de aire es la siguiente

N2 : 74,18 %O2 : 19,60 %CO2 : 0,040%H2O : 6,20%

Hallar las presiones correspondientes de cada gas a nivel a nivel de la tráquea ( Presión Total 1 Atmósfera)

Por la ley de Dalton:

PN2 : 0,7418 x 760PO2 : 0,1960 x 760PCO2 : 0,0004 x 760PH2O : 0,0620 x 760

564149 0,3 47

mm Hg


124

10.-Si a nivel de alvéolo y manteniendo la misma presión de una atmósfera el porcentaje de oxígeno varía hasta 13,16%, y del CO2 es de 5,3% ¿Cuál será la presión

respectiva presión?

Por la ley de Dalton:PO2 : 0,1316 x 760PCO2 : 0,0530 x 760

100 40

mm Hg

Porqué esta disminuyendo la presión del

oxígeno a medida que ingresa al organismo


125

11.- El volumen de aire corriente en una persona normal es de 500 ml. Si respira en un ambiente húmedo a 20°C (PvH2O : 17,5 mm Hg) a nivel del mar. ¿Cuál será el volumen de aire corriente cuando alcance las condiciones corporales (Temperatura corporal y presión, saturado con vapor de agua), BTPS: Body Temperature and Presure satured with water vapor. Dato: PvH2O 37°C: 47mm Hg

P1.V1 = P2.V2

T1 T2

Ambienteinterno

Pulmonar

Ambienteexterno

Medio ambiente

Ecuación de Estado de los gases ideales


126

Interior corporal: 37°C

Presión Barométrica: 760 - PvH2O 37°C: 760 - 47

Temperatura corporal Absoluta: (37+273) °K

Volumen : 500 ml

Exterior Medio ambiental: 20°C

Presión Barométrica: 760 - PvH2O 20°C: 760 - 17,5

Temperatura externa Absoluta: (20+273) °K

Volumen : ??

Reemplazando


127

(760 - 47) mm Hg .V1 = (760 - 17,5)mm Hg . 500ml (37+273) °K (20+273) °K

REEMPLAZANDO

550,89mL

Lo que implica que el gas, es decir el aire se ha dilatado, siendo éste el verdadero volumen

inspirado por una persona


Creo que no estuvo complicado, pero te recomiendo

que revises más conceptos. GRACIAS

biofisica mecanica respiratoria i

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