麻醉设备学-物理基础知识

1、麻麻 醉醉 设设 备备 学学主讲：安主讲：安医大二附院医大二附院 医疗保障部医疗保障部李加荣李加荣物理基础知识2Contents本章学习在呼吸治疗及吸入麻醉工作中，经常遇到的一些相关物理学问题。有助于本课程的学习，以及对相关设备工作原理的深入理解。本章内容只需要了解，不需要掌握。Contents第一节 气 体 定 律第二节 物态的变化第三节 流体的运动第四节 光 的 吸 收物理基础知识3第一节 气体定律一. 理想气体状态方程RTMPV气体的量（摩尔数）压强体积 = 质量摩尔质量摩尔气体常数温度物理基础知识4一.理想气体状态方程理想气体:只考虑分子间相互碰撞，不考虑其他相互作用，分子体积体积和分

2、子间引力忽略不计。误 差: 计算结果和实验数值有微小差别，温度越低、压强越大，出现的偏差越大。理想气体状态方程的缺陷:气体分子本身占有一定体积；分子间存在相互作用力。物理基础知识51873年， 36岁的荷兰阿姆斯特丹大学范德瓦尔斯以博士论文“论物质液态和气态的连续性” 获得荷兰莱顿大学博士学位，论文中考虑了实际气体分子间作用力和分子体积两个因素，将理想气体物态方程加以修正，得出了近似描述实际气体性质的物态方程即范德瓦尔斯方程。 1910年，范德瓦尔斯73岁，荣获诺贝尔物理学奖。二.范德瓦尔斯方程物理基础知识6对理想气体的修正量:分子本身所占体积b比例系数a（内压强与分子数密度之比）RTMbMV

3、VMP222二.范德瓦尔斯方程物理基础知识7修正量:分子本身所占体积b比例系数a（内压强与分子数密度之比）例： 二氧化碳：a=0.366 Jm3/mol2b=0.042810-3 m3/mol；水蒸气：a=0.55 Jm3/mol2b=0.030510-3 m3/mol；二.范德瓦尔斯方程物理基础知识8范德瓦尔斯方程比理想气体状态方程更接近于实际情况，但也不是绝对准确，它是关于V的三次代数方程。A A：汽（压缩）过饱和蒸汽B B：液态（减压膨胀） 过热液体A B：实验中不能实现二.范德瓦尔斯方程物理基础知识9安德鲁斯在不同温度下对二氧化碳作了系统的等温压缩实验，结果如图。临界点C临界温度Tc临

4、界压强Pc临界比容Vc三.安德鲁斯实验10202731.13550ABCVcPcTc物理基础知识10把各等温线上气体开始液化和完全液化的各点连接起来得到曲线ABC，曲线ABC和临界温度（31.1）等温线把P-V图分成四个区域。在临界温度以上，单纯靠压缩是不能使它液化的，称为“气”。临界温度以下的气体，称为“汽”，压缩后会依次变成液汽共存状态，和液态。三.安德鲁斯实验物理基础知识11在容器内的气体混合物中，如果各组分之间不发生化学反应，则每一种气体都均匀地分布在整个容器内，它所产生的压强和它单独占有整个容器时所产生的压强相同。 四.混合气体的压强物理基础知识12威廉亨利（William Henr

5、y ，1774-1836，英国化学家） “每一种气体对于另一种气体来说，等于是一种真空。”当时这句话引起许多科学家的反对，道尔顿却用实验证明了它的正确性。约翰道尔顿（John Dalton，17661844 ）实验得出下列结论：某一气体在气体混合物中产生的分压等于它单独占有整个容器时所产生的压力；而气体混合物的总压强等于其中各气体分压之和。这就是气体分压定律 。四.混合气体的压强物理基础知识13弥散：当气体的密度不均匀时，气体的分压强就会有差异，气体分子从分压大的地方向分压小的地方移动。PO2=13.83kPaPO2=5.32kPa五.气体的弥散物理基础知识14毛细血管内血液毛细血管内血液与组

6、织细胞之间的物质交换与组织细胞之间的物质交换PO2=12.64kPaPO2=5.32kPa五.气体的弥散物理基础知识15溶解度：在一定温度与压力条件下，当液面上的气体和溶解的气体达到平衡时，该气体在液体中的浓度。常用100ml液体中能溶解气体体积的ml数表示，写成vol%。如37，标准大气压下，100ml血中所能溶解的氧化亚氮浓度为0.468ml，故氧化亚氮的溶解度为0.468vol%。大多数气体的溶解度随温度升高而减小，随压力增大而增大。六.气体在液体中的溶解度物理基础知识16分配系数：在一定温度下，某一物质在两相中处于动态平衡时，该物质在这两相中的浓度比值称为分配系数。物质在两种不相混的溶

7、剂中平衡时的浓度比。例如要比较一种物质在油与水中的可溶性，可以用油/水分配系数来表示分配系数越大，油溶性越大。七.分配系数物理基础知识17挥发性麻醉药经肺泡进入血液，可把肺泡气和血液看成互相邻接的气、液两相，当其在两相中处于动态平衡时，这两相中麻醉药的浓度比值就称为该麻醉药的血/气分配系数。例如恩氟烷在37 时的血/气分配系数是1.9，即表示溶解在血中的浓度是肺泡中浓度的1.9倍。七.分配系数物理基础知识18第二节 物态的变化相变：物质在固、液、气三种状态之间相互转变。气液固气化液化凝固溶化凝华升华物理基础知识19一.气化蒸发：在液体表面发生的气化现象。 可在任何温度发生。蒸发的发生是由于液体

8、粒子流动时互相发生不同程度的碰撞，这些碰撞使接近液体表面的粒子拥有足够能量从液体中逃逸出去，做成蒸发现象。植物叶片气孔中水份的蒸发叫蒸腾。在水文学中，把蒸发和蒸腾合称蒸散。物理基础知识20一.气化影响蒸发的因素 与麻醉蒸发器设计中，加速蒸发的方法影响蒸发的三个因素加速蒸发的方法物理基础知识21一.气化沸腾：一定温度下，在液体表面和内部同时进行的汽化。沸点：一定压力下，液体沸腾时的温度。液体沸腾时，它的饱和蒸气压等于外部压强，所以沸点与液面上气体的压强有关，压强越大，沸点越高。物理基础知识22一.气化蒸汽压指的是在液体的表面存在着该物质的蒸汽，这些蒸汽对液体表面产生的压强就是该液体的蒸汽压。当温

9、度一定时，汽相压力最终将稳定在一个固定值，这时的汽相压力称为水在该温度下的饱和蒸汽压。此时液相的水分子仍然不断地气化，汽相的水分子也不断地冷凝成液体，只是由于水的气化速度等于水蒸汽的冷凝速度，液体量才没有减少，气体量也没有增加，液体和气体达到平衡状态。饱和蒸汽压是物质的一个重要性质，它的大小取决于物质的本性和温度。 饱和蒸汽压越大，表示该物质越容易挥发。物理基础知识23一.气化大部分麻醉蒸发器，所用的麻醉药物在室温下呈液态。它们控制输出麻醉药浓度的原理就是：麻醉药的饱和蒸汽与氧气按比例混合。调节这一比例系统，即可调节麻醉药的浓度。饱和蒸气液体麻醉剂氧气按比例混合麻醉蒸发室的基本原理合适的麻醉药

10、浓度物理基础知识24液化:物质从气态转变为液态的过程。也称凝结。二.液化液化的临界温度固态溶点沸点临界温度不降温，加压，可液化不降温，加压，不可液化液态气态沸点是随着压力而变化的，临界温度相当于沸点的最大极限物理基础知识25湿度：大气的干湿程度。用以表示大气中水蒸气的多少。绝对湿度：单位体积大气中水汽的质量。因为测量困难，通常用单位体积大气中水汽的压强来表示。相对湿度：绝对湿度与同温下饱和水汽压的百分比。相对湿度越大表示离饱和状态越近。相对湿度相对湿度 100%绝对湿度绝对湿度同温下饱和水汽压同温下饱和水汽压三.湿度和湿化器物理基础知识26湿化器：1.水容器型湿化器：将水加热，产生水蒸气，然后

11、同吸入气流带入呼吸道。2.凝聚型湿化器：如人工鼻，在气管导管内装置10层以上金属网，呼出气流通过金属网冷凝成水，附着在网架上，同时产生热，湿度升高。吸气时吸入气体将部分重新蒸发的水汽带入呼吸道。但吸入气的湿度仅为呼出气的58%，效率较低。3.雾化器：利用高速气流（氧或压缩空气）通过喷嘴时产生的作用将液体吸入。三.湿度和湿化器物理基础知识27湿化器：三.湿度和湿化器物理基础知识28第三节 液体的运动一.连续性方程：稳定流动的不可压缩液体，在同样时间内渡过两截面的流体体积相等。1221SSvv由连续性方程可知:同一管内各横截面的流量相等；流速和管的横截面积成反比。物理基础知识29理想流体：不可压缩

12、、无沾滞性的流体。理想流体作稳定流动时，流管内的任一截面处，单位体积流体的动能、重力势能和该点的压强之和都相等。常量ghvP221二.伯努利方程初始压强重力造成的压强差流速造成的压强差静压强动压强物理基础知识30空吸作用：二.伯努利方程根据连续性方程，截面积小的地方流速大。高度相等，不存在重力造成的压强差流速(v)大的地方压强(P)小。常量221vP物理基础知识31皮托管：是一种常用的流速计，可用来测量液体和气体的流速。二.伯努利方程物理基础知识32层流：有粘滞性的流体，在管内流动时同一截面上各点流速不同，管中央轴线处流速最大，越靠近管壁流速越小，与管壁连接处为零。RPlPrQ84泊肃叶定律：

13、三.层流48rlR流阻压强差流量物理基础知识33湍流：当流体在管道里的流速超过一定数值时，流体不再保持分层流动，流体各部分互相混杂，形成漩涡，流线变得不规则。在管道内造成湍流出现的因素Re称为雷诺(Renault )数Re 1000时，流体作层流Re 1500时，流体作湍流1000 Re 1500时，流动不稳定eRvr四.湍流物理基础知识34射流：喷射成一束流动的流体。卷吸作用：具有一定压强的流体从细小的喷嘴中喷出时，流束两侧的静止气体被高速流动的射流所带动，一部分气体随射流流动。附壁效应：附壁效应附壁效应油脂分离器五.射流的附壁效应物理基础知识35 附壁效应也叫柯恩达效应。 流体 （水流或气

14、流）有离开本来的流动方向，改为随着凸出的物体流动的倾向。 当流体与它流过的物体表面之间存在摩擦时，流体的流速会减慢。只要物体表的曲率不是太大，依据流体力学中的伯努利原理，流速的减缓会导致流体被吸附在物体表面上流动。 这种作用是以罗马尼亚发明家亨利康达为名。亨利康达发明的一架飞机（康达-1910）曾经因这种效应堕毁，之后他便致力于这方面的研究。五.射流的附壁效应物理基础知识36第四节 光的吸收光的吸收：当光通过物质时，由于光波和物质的相互作用，一部分能量被散射，另一部分能量被吸收转换成其他形式能量，导致光波在进行方向上的强度降低。选择性吸收：物质对光波的吸收具有选择性，即同一种物质对不同波长的光

15、波吸收程度不同。例如，通过绿色玻璃，只有绿色光能够透过，其余颜色的光大部分被吸收。无色玻璃可以通过各种颜色的可见光，但强烈吸收紫外线。物理基础知识37麻醉气体对红外线具有选择性吸收性质，临床上用红外线气体分析仪监测麻醉气体的浓度。利用黑色素对685nm的光波吸收最强，而皮肤其他组织吸收较弱，这一原理用以激光美容。一.选择性吸收选择性吸收物理基础知识38二二. .朗伯朗伯比尔定律比尔定律朗伯(Lambert)定律阐述为：光被透明介质吸收的比例与入射光的强度无关；在光程上每等厚层介质吸收相同比例值的光。比尔(Beer)定律阐述为：光被吸收的量正比于光程中产生光吸收的分子数目。朗伯比尔定律：KCLIIAinout lgA吸光度Iout/Iin透射比Iout透射光强度Iin入射光强度吸收系数吸光物质的浓度 为吸收层厚度 物理基础知识39在公式AKCL中，如果K和L固定不变，则A与L成正比。检测透射光的强度，就可以计算出吸光溶液的浓度。二二. .朗伯朗伯比尔定律比尔定律inoutLC朗伯比尔定律在医学检验中应用十分广泛。从分光光度计到生化分析仪，绝大部分关于浓度的检测都是基于这一原理。物理基础知识40光的选择性吸收和朗伯比尔定律在临床麻醉监测仪器中有着重要的应用：1.用红外线气体分析仪监测麻醉气体浓度2.利用脑红外光谱监测脑氧饱和度3.脉搏血氧计监测脉搏血氧饱和度红外线气体分析仪血