麻醉設備學物理基礎知識

1、物理基礎知識,麻 醉 設 備 學,主講：安醫(yī)大二附院 醫(yī)療保障部　李加榮,2,Contents,本章學習在呼吸治療及吸入麻醉工作中，經(jīng)常遇到的一些相關物理學問題。有助于本課程的學習，以及對相關設備工作原理的深入理解。本章內(nèi)容只需要了解，不需要掌握。,3,第一節(jié) 氣體定律,一. 理想氣體狀態(tài)方程,氣體的量（摩爾數(shù)）,,,4,一.理想氣體狀態(tài)方程,理想氣體:只考慮分子間相互碰撞，不考慮其他相互作用，分子體積體積和分子間引力忽略不計。誤

2、 差: 計算結果和實驗數(shù)值有微小差別，溫度越低、壓強越大，出現(xiàn)的偏差越大。理想氣體狀態(tài)方程的缺陷:①　氣體分子本身占有一定體積；②　分子間存在相互作用力。,5,1873年， 36歲的荷蘭阿姆斯特丹大學范德瓦爾斯以博士論文“論物質(zhì)液態(tài)和氣態(tài)的連續(xù)性” 獲得荷蘭萊頓大學博士學位，論文中考慮了實際氣體分子間作用力和分子體積兩個因素，將理想氣體物態(tài)方程加以修正，得出了近似描述實際氣體性質(zhì)的物態(tài)方程即范德瓦爾斯方程。

3、1910年，范德瓦爾斯73歲，榮獲諾貝爾物理學獎。,二.范德瓦爾斯方程,6,對理想氣體的修正量:①　分子本身所占體積－－b②　比例系數(shù)－－a（內(nèi)壓強與分子數(shù)密度之比）,二.范德瓦爾斯方程,7,修正量:①分子本身所占體積－－b②比例系數(shù)－－a（內(nèi)壓強與分子數(shù)密度之比）例： 二氧化碳：a=0.366 J·m3/mol2b=0.0428×10-3 m3/mol；水蒸氣：a=0.55 J

4、·m3/mol2b=0.0305×10-3 m3/mol；,二.范德瓦爾斯方程,8,范德瓦爾斯方程比理想氣體狀態(tài)方程更接近于實際情況，但也不是絕對準確，它是關于V的三次代數(shù)方程。A →A’：汽→（壓縮）→過飽和蒸汽B →B’：液態(tài)→（減壓膨脹） →過熱液體A’ → B’：實驗中不能實現(xiàn),二.范德瓦爾斯方程,9,安德魯斯在不同溫度下對二氧化碳作了系統(tǒng)的等溫壓縮實驗，結果如圖?！∨R界點C臨界溫度T

5、c臨界壓強Pc臨界比容Vc,三.安德魯斯實驗,10,把各等溫線上氣體開始液化和完全液化的各點連接起來得到曲線ABC，曲線ABC和臨界溫度（31.1℃）等溫線把P-V圖分成四個區(qū)域。　在臨界溫度以上，單純靠壓縮是不能使它液化的，稱為“氣”。臨界溫度以下的氣體，稱為“汽”，壓縮后會依次變成液汽共存狀態(tài)，和液態(tài)。,三.安德魯斯實驗,11,在容器內(nèi)的氣體混合物中，如果各組分之間不發(fā)生化學反應，則每一種氣體都均勻地分布在整個容器內(nèi)，它所產(chǎn)生

6、的壓強和它單獨占有整個容器時所產(chǎn)生的壓強相同。,四.混合氣體的壓強,12,威廉?亨利（William Henry ，1774-1836，英國化學家） 　“每一種氣體對于另一種氣體來說，等于是一種真空?！碑敃r這句話引起許多科學家的反對，道爾頓卻用實驗證明了它的正確性。約翰?道爾頓（John Dalton，1766－1844 ）　實驗得出下列結論：某一氣體在氣體混合物中產(chǎn)生的分壓等于它單獨占有整個容器時所產(chǎn)生的壓力；而氣體混合物

7、的總壓強等于其中各氣體分壓之和。這就是氣體分壓定律 。,四.混合氣體的壓強,13,彌散：　當氣體的密度不均勻時，氣體的分壓強就會有差異，氣體分子從分壓大的地方向分壓小的地方移動。,五.氣體的彌散,14,五.氣體的彌散,15,溶解度：　在一定溫度與壓力條件下，當液面上的氣體和溶解的氣體達到平衡時，該氣體在液體中的濃度?！〕Ｓ?00ml液體中能溶解氣體體積的ml數(shù)表示，寫成vol%。如37℃，標準大氣壓下，100ml血中所能溶解的

8、氧化亞氮濃度為0.468ml，故氧化亞氮的溶解度為0.468vol%?！〈蠖鄶?shù)氣體的溶解度隨溫度升高而減小，隨壓力增大而增大。,六.氣體在液體中的溶解度,16,分配系數(shù)：　在一定溫度下，某一物質(zhì)在兩相中處于動態(tài)平衡時，該物質(zhì)在這兩相中的濃度比值稱為分配系數(shù)?！∥镔|(zhì)在兩種不相混的溶劑中平衡時的濃度比。例如要比較一種物質(zhì)在油與水中的可溶性，可以用油/水分配系數(shù)來表示——分配系數(shù)越大，油溶性越大。,七.分配系數(shù),17,揮發(fā)性麻

9、醉藥經(jīng)肺泡進入血液，可把肺泡氣和血液看成互相鄰接的氣、液兩相，當其在兩相中處于動態(tài)平衡時，這兩相中麻醉藥的濃度比值就稱為該麻醉藥的血/氣分配系數(shù)?！±缍鞣樵?7 ℃時的血/氣分配系數(shù)是1.9，即表示溶解在血中的濃度是肺泡中濃度的1.9倍。,七.分配系數(shù),18,第二節(jié) 物態(tài)的變化,相變：物質(zhì)在固、液、氣三種狀態(tài)之間相互轉變。,19,一.氣化,蒸發(fā)：在液體表面發(fā)生的氣化現(xiàn)象。 可在任何溫度發(fā)生。蒸發(fā)的發(fā)生是由于液體粒子流動

10、時互相發(fā)生不同程度的碰撞，這些碰撞使接近液體表面的粒子擁有足夠能量從液體中逃逸出去，做成蒸發(fā)現(xiàn)象。植物葉片氣孔中水份的蒸發(fā)叫蒸騰。在水文學中，把蒸發(fā)和蒸騰合稱蒸散。,20,一.氣化,影響蒸發(fā)的因素 與麻醉蒸發(fā)器設計中，加速蒸發(fā)的方法,21,一.氣化,沸騰：　一定溫度下，在液體表面和內(nèi)部同時進行的汽化。沸點：一定壓力下，液體沸騰時的溫度?！∫后w沸騰時，它的飽和蒸氣壓等于外部壓強，所以沸點與液面上氣體的

11、壓強有關，壓強越大，沸點越高。,22,一.氣化,蒸汽壓指的是在液體的表面存在著該物質(zhì)的蒸汽，這些蒸汽對液體表面產(chǎn)生的壓強就是該液體的蒸汽壓?！‘敎囟纫欢〞r，汽相壓力最終將穩(wěn)定在一個固定值，這時的汽相壓力稱為水在該溫度下的飽和蒸汽壓?！〈藭r液相的水分子仍然不斷地氣化，汽相的水分子也不斷地冷凝成液體，只是由于水的氣化速度等于水蒸汽的冷凝速度，液體量才沒有減少，氣體量也沒有增加，液體和氣體達到平衡狀態(tài)。　飽和蒸汽壓是物質(zhì)的一個重要性質(zhì)，

12、它的大小取決于物質(zhì)的本性和溫度。 飽和蒸汽壓越大，表示該物質(zhì)越容易揮發(fā)。,23,一.氣化,大部分麻醉蒸發(fā)器，所用的麻醉藥物在室溫下呈液態(tài)。它們控制輸出麻醉藥濃度的原理就是：麻醉藥的飽和蒸汽與氧氣按比例混合。調(diào)節(jié)這一比例系統(tǒng)，即可調(diào)節(jié)麻醉藥的濃度。,飽和蒸氣,液體麻醉劑,氧氣,按比例混合,麻醉蒸發(fā)室的基本原理,合適的麻醉藥濃度,24,液化:　物質(zhì)從氣態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)的過程。也稱凝結。,二.液化,液化的臨界溫度,,沸點是隨著壓力而變化的，臨

13、界溫度相當于沸點的最大極限,25,濕度：　大氣的干濕程度。　用以表示大氣中水蒸氣的多少?！　〗^對濕度：單位體積大氣中水汽的質(zhì)量。因為測量困難，通常用單位體積大氣中水汽的壓強來表示?！　∠鄬穸龋航^對濕度與同溫下飽和水汽壓的百分比。相對濕度越大表示離飽和狀態(tài)越近。,三.濕度和濕化器,26,濕化器：水容器型濕化器：將水加熱，產(chǎn)生水蒸氣，然后同吸入氣流帶入呼吸道。凝聚型濕化器：如人工鼻，在氣管導管內(nèi)裝置10層以上金屬網(wǎng)

14、，呼出氣流通過金屬網(wǎng)冷凝成水，附著在網(wǎng)架上，同時產(chǎn)生熱，濕度升高。吸氣時吸入氣體將部分重新蒸發(fā)的水汽帶入呼吸道。但吸入氣的濕度僅為呼出氣的58%，效率較低。霧化器：利用高速氣流（氧或壓縮空氣）通過噴嘴時產(chǎn)生的　　作用將液體吸入。,三.濕度和濕化器,27,濕化器：,三.濕度和濕化器,28,第三節(jié) 液體的運動,一.連續(xù)性方程：穩(wěn)定流動的不可壓縮液體，在同樣時間內(nèi)渡過兩截面的流體體積相等。,由連續(xù)性方程可知:同一管內(nèi)各橫截面的流量相等；

15、流速和管的橫截面積成反比。,29,理想流體：　不可壓縮、無沾滯性的流體。,理想流體作穩(wěn)定流動時，流管內(nèi)的任一截面處，單位體積流體的動能、重力勢能和該點的壓強之和都相等。,二.伯努利方程,初始壓強,重力造成的壓強差,流速造成的壓強差,動壓強,30,空吸作用：,二.伯努利方程,根據(jù)連續(xù)性方程，截面積小的地方流速大。高度相等，不存在重力造成的壓強差……流速(v)大的地方壓強(P)小。,31,皮托管：　是一種常用的流速計，可用來測量

16、液體和氣體的流速。,二.伯努利方程,32,層流：有粘滯性的流體，在管內(nèi)流動時同一截面上各點流速不同，管中央軸線處流速最大，越靠近管壁流速越小，與管壁連接處為零。,泊肅葉定律：,三.層流,33,湍流：當流體在管道里的流速超過一定數(shù)值時，流體不再保持分層流動，流體各部分互相混雜，形成漩渦，流線變得不規(guī)則。在管道內(nèi)造成湍流出現(xiàn)的因素Re稱為雷諾(Renault )數(shù)Re ＜1000時，流體作層流Re ＞1500時，流

17、體作湍流1000 ＜ Re ＜ 1500時，流動不穩(wěn)定,四.湍流,34,射流：噴射成一束流動的流體。卷吸作用：具有一定壓強的流體從細小的噴嘴中噴出時，流束兩側的靜止氣體被高速流動的射流所帶動，一部分氣體隨射流流動。附壁效應：,附壁效應,附壁效應油脂分離器,五.射流的附壁效應,35,附壁效應也叫柯恩達效應。 流體 （水流或氣流）有離開本來的流動方向，改為隨著凸出的物體流動的傾向。 當流體與它流過的物體表面之間存在摩擦時，

18、流體的流速會減慢。只要物體表的曲率不是太大，依據(jù)流體力學中的伯努利原理，流速的減緩會導致流體被吸附在物體表面上流動。 這種作用是以羅馬尼亞發(fā)明家亨利·康達為名。亨利·康達發(fā)明的一架飛機（康達-1910）曾經(jīng)因這種效應墮毀，之后他便致力于這方面的研究。,五.射流的附壁效應,36,第四節(jié) 光的吸收,光的吸收：　當光通過物質(zhì)時，由于光波和物質(zhì)的相互作用，一部分能量被散射，另一部分能量被吸收轉換成其他形式能量，

19、導致光波在進行方向上的強度降低。選擇性吸收：　物質(zhì)對光波的吸收具有選擇性，即同一種物質(zhì)對不同波長的光波吸收程度不同?！±?，通過綠色玻璃，只有綠色光能夠透過，其余顏色的光大部分被吸收。無色玻璃可以通過各種顏色的可見光，但強烈吸收紫外線。,37,麻醉氣體對紅外線具有選擇性吸收性質(zhì)，臨床上用紅外線氣體分析儀監(jiān)測麻醉氣體的濃度。　利用黑色素對685nm的光波吸收最強，而皮膚其他組織吸收較弱，這一原理用以激光美容。,一.選擇性吸收

20、,38,二.朗伯—比爾定律,朗伯(Lambert)定律闡述為：　光被透明介質(zhì)吸收的比例與入射光的強度無關；在光程上每等厚層介質(zhì)吸收相同比例值的光。比爾(Beer)定律闡述為：　光被吸收的量正比于光程中產(chǎn)生光吸收的分子數(shù)目。朗伯—比爾定律：,A－－吸光度Iout/Iin－－透射比Iout－－透射光強度Iin－－入射光強度Ｋ－－吸收系數(shù)Ｃ－－吸光物質(zhì)的濃度 Ｌ－－為吸收層厚度,39,在公式A＝KCL中，如

21、果K和L固定不變，則A與L成正比。檢測透射光的強度，就可以計算出吸光溶液的濃度。,二.朗伯—比爾定律,朗伯—比爾定律在醫(yī)學檢驗中應用十分廣泛。從分光光度計到生化分析儀，絕大部分關于濃度的檢測都是基于這一原理。,40,光的選擇性吸收和朗伯比爾定律在臨床麻醉監(jiān)測儀器中有著重要的應用：1.用紅外線氣體分析儀監(jiān)測麻醉氣體濃度2.利用腦紅外光譜監(jiān)測腦氧飽和度3.脈搏血氧計監(jiān)測脈搏血氧飽和度,紅外線氣體分析儀,血氧飽和度監(jiān)測,二.朗伯—比爾

22、定律,41,習題,1.為加速液體蒸發(fā)所采取的措施，下列哪項錯誤？A提高溫度B增加液體表面積C增加表面氣流D降低氣壓E提高氣體濕度,答案：E,42,習題,2.可以提高氣體在液體中的物理溶解量的是(　)。A減少氣體壓強B增大氣體壓強C降低溫度D提高溫度E擴大液體表面積,答案：B,43,習題,3.麻醉蒸發(fā)器中裝有棉線等織物制成的吸液芯的作用是(　)。A節(jié)約藥液B防止液體晃動C溫度補償D增加蒸發(fā)表面積E過濾通過