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Il FLUIDO. LA POMPA. IL CIRCUITO. GLI SCAMBI RESPIRATORI.

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LA FISICA DELLA RESPIRAZIONE. Il FLUIDO. LA POMPA. IL CIRCUITO. GLI SCAMBI RESPIRATORI. LA FISICA DELLA RESPIRAZIONE. IL FLUIDO: In questo caso il fluido che ci interessa è un GAS, o meglio una MISCELA DI GAS. Studieremo pertanto i gas più semplici

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LA FISICA DELLA RESPIRAZIONE

Il FLUIDO.

LA POMPA.

IL CIRCUITO.

GLI SCAMBI RESPIRATORI.

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LA FISICA DELLA RESPIRAZIONE

IL FLUIDO:

In questo caso il fluido che ci interessa è un GAS, o meglio una MISCELA DI GAS.

Studieremo pertanto i gas più semplici

(GAS PERFETTI) eil modo con cui simiscelano.

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Vedremo poi le caratteristiche dalla POMPA respiratoria, le caratteristiche fisiologiche e patologiche dei volumi respiratori e del CIRCUITO lungo cui circola l’aria espirata.

Infine ci occuperemo degli SCAMBI GASSOSI a livello degli alveoli polmonari e nel circolo, e dei meccanismi di TRASPORTO dei gas nel sangue.

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RICHIAMI SUL GAS PERFETTO:

(molecole puntiformi e

non interagenti:con

buona approssimazione

TUTTI I GAS RARE-

FATTI!)

Studi sperimentali :

1) relazione PRESSIONE-VOLUME a temperatura ambiente

( T fissata):

rubinetto

Volume di aria Vo

Pressione atmo-

sferica Po

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Versando altro

mercurio (per

un’altezza h)

la nuova pressione

sarà P1=dgh +Po

E si osserverà una leggera risalita

del mercurio nel secondo braccio,

con relativa riduzione del volume

d’aria da Vo a V1.

Ripetendo più volte l’esperimento si vede che:

p

P V = cost

(legge di Boyle)

P1

Po

V

V1

Vo

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Al variare della temperatura la legge resta valida, ma i valori numerici

si modificano: la ‘costante’ dipende dalla temperatura.

Se anziché tenere fissa la temperatura si tiene fissa la PRESSIONE,

lavorando ad esempio alla pressione atmosferica, è possibile studiare

la relazione tra volume e temperatura:

Righello graduato

Goccia di mercurio che separa

l’aria dall’ambiente

termometro

Palloncino in vetro riempito

d’aria

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Leggendo lo spostamento della goccia sul righello graduato

si stima il volume V corrispondente alle diverse temperature t.

Detto Vo il volume misurato a to= °C, si ricava la legge:

V = Vo ( 1 + a t)

(prima legge di Guy-Lussac)

NB: 1) a risulta esser la stessa per TUTTI i gas, purchè suf-

ficientemenet diluiti da essere ‘perfetti’:

a = 1/237.15 °C-1

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2) Rappresentando su un grafico la legge:

V

-1/a

t (°C)

0

Alla temperatura t = -1/ a = -273.15 ° C il volume ‘sparisce’!

Ciò descrive sicuramente una situazione non-fisica.

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Studiamo infine una trasformazione isocora:

t

p

La relazione tra pressione e tempe-

ratura risulta espressa dalla legge:

P= Po ( 1 + a t)

(seconda legge di Guy-Lussac)

dove ancora Po è la pressione corrispondente a t=0 °C,

a è la costante comune a tutti i gas e alla temperatura

t = - 1/ a la pressione ‘scompare’.

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L’insieme di queste leggi permette di pervenire alla equazione

di sato dei gas perfetti.

Siano A (Po, Vo, to) e B (P, V, t) due configurazioni

del gas:

A-I:

V(I)= Vo( 1 + a t)

I-B:

P V = P(I) V(I) =

PoVo (1+ a t)

P

I

A

B

V

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Con qualche manipolazione algebrica:

P V = Po Vo ( t + 273.15) /273.15

osservando ora che:

1) Vo si può esprimere come il prodotto nel numero n di moi del

gas e del volume vo occupato da una mole di gas a t=0 e p= 1atm

( vo = 22.4 l),

2) si può introdurre una nuova scala termometrica, detta di Kelvin,

per cui:

T (°K) = t(°C) + 273.15

(detta temperatura assoluta in quanto T=0 °K non è raggiungibile)

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La quantità Po vo /273.15 = R = 8.31 J /mol °K viene definita

come costante universale dei gas, e l’equazione di stato viene

scritta nella forma:

P V = n R T

Questa legge vale naturalmente nell’approssimazione di ‘gas perfetto’,

e non può descrivere i cambiamenti di stato di un gas reale pressu-

rizzato: per fare questo occorre considerare una relazione più com-

plicata (legge di Van der Waals).

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Diamo i numeri….

Una bombola di ossigeno alla pressione di 5 atm contiene

10 l di gas.

Quale sarà il volume disponibile per il paziente?

P V = P’ V’

V’ = P V / P’ = 5 atm 10 l / 1 atm = 50 l

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Normalmente la quantità di gas che si discioglie nel sangue è insuf-

ficiente per garantirne l’ossigenazione, a meno che si respiri

ossigeno puro a pressione di parecchie atmosfere, raggiungendo

una pressione parziale di diverse migliaia di mmHg.

Benchè l’ossigeno a tali pressioni sia irritante e possa avvelenare

i sistemi enzimatici, l’OSSIGENO IPERBARICO viene talvolta

usato per periodi brevi nel trattamento dell’anossia, dell’avvelena-

mento da monossido di carbonio e per facilitare la chirurgia

cradiaca specie nei bambini.

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L’aria penetra nel ns

apparato respiratorio

grazie alla contrazione

dei muscoli inspiratori.

L’espirazione è un

fenomeno passivo.

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Nella respirazione si

compie lavoro contro le

resistenze viscose al

passaggio dell’aria (AFCD)

e

contro le resistenze

elastiche della gabbia

toracica e del polmone

(AECF).

Il lavoro complessivo si

calcola come area nel

piano V-p (fare…)

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Il Volume Corrente è di circa 500 ml, ma può essere forzato

fino ad un massimo, che corrisponde alla Capacità Vitale.

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Diamo i numeri…

calcolare il numero di molecole di O2 introdotte nei polmoni in

un respiro del volume di 500 cm3. Si assuma che l’O2 nell’aria

sia ridotto dal 20% al 16% quando misurato in bocca.

n(aria)= p V / RT = 1 atm 0.5 l /0.082 atm l/°K 293 °K = 0.02

N = NA n(aria) 0.16 = 6 1023 0.02 0.16 = 2 1021

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Dei 500 ml di aria inspirata, circa 350 giungono agli ALVEOLI, che si possono raffigurare come un insieme di ‘bolle’ che un sottile epitelio separa dai capillari polmonari. La meccanica alveolare può essere descritta dalla legge di Laplace:

Dp= 2 t/r

durante l’inspirazione r aumenta ma durante l’espirazione, quando diminuisce il raggio, Dp aumenta e pertanto il sistema alveolare tende al collasso.

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.

Il collasso è evitato dalla corrispondente diminuzione di t :

in espansione t vale 40 dyne/cm,

in implosione vale 4-8 dyne/cm

La diminuzione di t durante l’espirazione è dovuta al surfactant (dipalmitoil-lecitina), la cui azione dipende

dalla concentrazione per unità di superficie.

La malattia delle membrane ialine nei neonati prematuri è

dovuta all’insufficiente formazione del surfactant.

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RESPIRATORI ARTIFICIALI:

CAMERE RESPIRATORIE: contenitore a tenuta stagna in cui

viene posto il paziente (tranne il capo). La regolazione della

pressione nella camera induce l’abbassamento e l’innalzamento

ritmico simile ai movimenti respiratori, mengtre la pressione

nei polmoni rimane quella atmosferica.

RESPIRATORI A PRESSIONE POSITIVA: una pompa a

pressione positiva insuffla i polmoni immettendo periodicamente

aria (VPPI). L’espirazione avviene o permettendo la retrazione

passiva del pomone e della parete toracica oppure incorporando

nella pompa una fase a pressione negativa in modo che l’aria

espirata venga risucchiata fuori.

UN CASO LIMITE DI POMPA RESPIRATORIA VPPI E’

LA RESPIRAZIONE BOCCA A BOCCA.

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Il ruolo giocato dalla pressione è importante anche in alcuni

contesti particolari.

Ad es, se ci si immerge in acqua a 10 m di profondità, la pressione

agente sul corpo vale 2 atm, e i gas nei polmoni vengono compressi

a metà del loro volume (ragione per cui prima dell’immersione si

iperventila…).

Diventa altresì impossibile respirare aria dalla superficie tramite un

tubo, a causa della pressione esercitata sul torace e sull’addome:

necessità di respiratori ad aria compressa.

Nell’autorespiratore l’aria arriva alla bocca alla pressione ambiente,

in modo da mantenere il normale gradiente di pressione tra polmoni

e l’esterno della parete toracica. Man mano che si scende si riduce la

percentuale di ossigeno (è sufficiente per mantenere la pressione par-

ziale) e si sostituisce l’He all’ N perché meno tossico ad alte pressioni.

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GLI SCAMBI

RESPIRATORI

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Diamo i numeri…..

Calcolare il numero di moli di glicerina che attraversano in un

s una membrana di acqua spessa 7.5 10-9 m e di area 102 cm2

quando la differenza di concentrazione è 10-1 micromoli/l.

Il coefficiente di diffusione vale 7.2 10-6 cm2 s-1.

J = n /t S = D dc/dx

n = D dc t S / dx =

(7.2 10-6 cm2 s-1 10-7moli/103 cm31 s 102 cm2) / 7.5 10-7cm =

0.96 10-7 moli

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SCAMBI RESPIRATORI IN SITUAZIONI ‘ANOMALE’

Consideriamo un subacqueo immerso a 10 m di profondità,

dunque soggetto ad una pressione doppia.

Si noti che in queste condizioni le pressioni parziali dei gas respiratori

nei polmoni raddoppiano, dunque durante l’immersione l’ossigena-

zione del sangue è facilitata, mentre l’aumento della pressione

parziale di CO2 nei polmoni rispetto a quella nel sangue venoso

determinerà un passaggio inverso (ipercapnia, che può essere ridotta

al minimo iperventilando prima dell’immersione, cioè riducendo la

Pco2 nei polmoni).

Durante la risalita, specie se rapida, la pressione parziale dell’ossigeno

nei polmino decresce bruscamente, e si può avere diffusione dal sangue

ai polmoni, con conseguente anossia acuta e perdita di coscienza.

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RUOLO DELL’AZOTO NELLA DECOMPRESSIONE

L’azoto, pur non essendo un gas respiratorio, gioca un ruolo

importante quando si passa da una elevata pressione alla

pressione atmosferica (es: subacqueo in risalita, cassoni,

camere iperbariche,..).

Se la decompressione è troppo rapida, l’azoto disciolto si

libera dalla soluzione e forma bolle che si localizzano nelle

articolazioni, midollo spinale,ecc con gravi esiti neurologici.

Occorre allora ‘ricomprimere’ e fare avvenire la decompressione

più lentamente.

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Diamo i numeri…...

Calcolare il volume di ossigeno trasportato dall’emoglobina in

un’ora, considerando che al massimo della saturazione 1 g di Hb

contiene 1.34 ml di ossigeno , che normalmente il sangue

contiene 15 g di Hb ogni 100 ml e che ai tessuti giungono circa

200 l di sangue ossigenato all’ora.

V = 200 l 15 g/ 10-1 l 1.34 10-3 l = 40.2 l

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2) La linfa contiene circa l’ 1% in peso di saccarosio (C12H22O11).

Se la temperatura è di 25 °C, calcolare di quanto risale la linfa

negli alberi a primavera.

PM = 12x12 + 22x1 + 11 x 16 = 342 uma

m/M=n PM/d V = 10-2 ---> n/V=10-2 d/PM

PO= n/V R T = d g h

dunque h = 10-2 d R T /(PM d g) = (10-2 8.31 298)/ (342 10-3 10)=

7.2 m

ad