物理基礎(chǔ)知識—麻醉設(shè)備學(xué)

1、麻麻 醉醉 設(shè)設(shè) 備備 學(xué)學(xué)主講：安醫(yī)附院醫(yī)學(xué)工程部何文勝主講：安醫(yī)附院醫(yī)學(xué)工程部何文勝物理基礎(chǔ)知識2Contents本章學(xué)習(xí)在本章學(xué)習(xí)在呼吸治療及吸呼吸治療及吸入麻醉工作中，入麻醉工作中，經(jīng)常遇到的一經(jīng)常遇到的一些相關(guān)物理學(xué)些相關(guān)物理學(xué)問題。問題。Contents第一節(jié)第一節(jié) 氣氣 體體 定定 律律第二節(jié)第二節(jié) 物態(tài)的變化物態(tài)的變化第三節(jié)第三節(jié) 流體的運動流體的運動第四節(jié)第四節(jié) 光光 的的 吸吸 收收物理基礎(chǔ)知識3第一節(jié) 氣體定律一一. 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程RTMPV氣體的量（摩爾數(shù)）壓強體積 = 質(zhì)量摩爾質(zhì)量摩爾氣體常數(shù)溫度物理基礎(chǔ)知識4一.理想氣體狀態(tài)方程理想氣體理想氣體:只

2、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。誤誤 差差: 計算結(jié)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)方程的缺陷理想氣體狀態(tài)方程的缺陷:氣體分子本身占有一定體積；分子間存在相互作用力。物理基礎(chǔ)知識51873年，年， 36歲的荷蘭阿姆斯特歲的荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)范德瓦爾斯以博士論文丹大學(xué)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)性論物質(zhì)液態(tài)和氣態(tài)的連續(xù)性” 獲得荷蘭萊頓大學(xué)博士學(xué)位，論獲得荷蘭萊頓大學(xué)博士學(xué)位，論文中考慮了實際氣體分子間作用文中考慮了實際氣體分子間作用力和分子體積兩個因素，將理想力和分子體積兩個因素，將理想氣體物態(tài)方

3、程加以修正，得出了氣體物態(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)方近似描述實際氣體性質(zhì)的物態(tài)方程即程即范德瓦爾斯方程范德瓦爾斯方程。 1910年，范德瓦爾斯年，范德瓦爾斯73歲，榮歲，榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。獲諾貝爾物理學(xué)獎。二.范德瓦爾斯方程物理基礎(chǔ)知識6對理想氣體的修正量對理想氣體的修正量:分子本身所占體積b比例系數(shù)a（內(nèi)壓強與分子數(shù)密度之比）RTMbMVVMP222二.范德瓦爾斯方程物理基礎(chǔ)知識7修正量修正量:分子本身所占體積b比例系數(shù)a（內(nèi)壓強與分子數(shù)密度之比）例：例： 二氧化碳：a=0.366 Jm3/mol2b=0.042810-3 m3/mol；水蒸氣：a=0.55 Jm3/

4、mol2b=0.030510-3 m3/mol；二.范德瓦爾斯方程物理基礎(chǔ)知識8范德瓦爾斯方程比理想范德瓦爾斯方程比理想氣體狀態(tài)方程更接近于實氣體狀態(tài)方程更接近于實際情況，但也不是絕對準(zhǔn)際情況，但也不是絕對準(zhǔn)確，它是關(guān)于確，它是關(guān)于V的三次代的三次代數(shù)方程。數(shù)方程。AA：汽汽（壓縮）（壓縮）過飽和蒸過飽和蒸汽汽B B：液態(tài)液態(tài)（減壓膨脹）（減壓膨脹） 過熱液體過熱液體AB：實驗中不能實現(xiàn)實驗中不能實現(xiàn)二.范德瓦爾斯方程物理基礎(chǔ)知識9安德魯斯在安德魯斯在不同溫度下對不同溫度下對二氧化碳作了二氧化碳作了系統(tǒng)的等溫壓系統(tǒng)的等溫壓縮實驗，結(jié)果縮實驗，結(jié)果如圖。如圖。臨界點臨界點C臨界溫度臨界溫度Tc臨

5、界壓強臨界壓強Pc臨界比容臨界比容Vc三.安德魯斯實驗10202731.13550ABCVcPcTc物理基礎(chǔ)知識10把各等溫線上氣體開始液把各等溫線上氣體開始液化和完全液化的各點連接起化和完全液化的各點連接起來得到曲線來得到曲線ABC，曲線，曲線ABC和臨界溫度（和臨界溫度（31.1）等溫）等溫線把線把P-V圖分成四個區(qū)域。圖分成四個區(qū)域。在臨界溫度以上，單純靠在臨界溫度以上，單純靠壓縮是不能使它液化的，稱壓縮是不能使它液化的，稱為為“氣氣”。臨界溫度以下的。臨界溫度以下的氣體，稱為氣體，稱為“汽汽”，壓縮后，壓縮后會依次變成液汽共存狀態(tài)，會依次變成液汽共存狀態(tài)，和液態(tài)。和液態(tài)。三.安德魯斯實

6、驗物理基礎(chǔ)知識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(xué)反應(yīng)，則每一種氣體都均勻地分布在整個容器內(nèi)，它所產(chǎn)生的壓強和它單獨占有整個容器時所產(chǎn)生的壓強相同。 四.混合氣體的壓強物理基礎(chǔ)知識12威廉亨利（Wiiiiam Henry，17741836，英國化學(xué)家） “每一種氣體對于另一種氣體來說，等于是一種真空?！碑?dāng)時這句話引起許多科學(xué)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，17661844 ）的實驗得出下列結(jié)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.

7、混合氣體的壓強物理基礎(chǔ)知識13彌散：彌散：當(dāng)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。PO2=13.83kPaPO2=5.32kPa五.氣體的彌散物理基礎(chǔ)知識14毛細(xì)血管內(nèi)血液毛細(xì)血管內(nèi)血液與組織細(xì)胞之間的物質(zhì)交換與組織細(xì)胞之間的物質(zhì)交換PO2=12.64kPaPO2=5.32kPa五.氣體的彌散物理基礎(chǔ)知識15溶解度：溶解度：在一定溫度與壓力條件下，當(dāng)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。常用100ml液體中能溶解氣體體積的ml數(shù)表示，寫成vol%。如37，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，100ml血中所能溶解的氧化亞氮濃度為0.468ml，故氧

8、化亞氮的溶解度為0.468vol%。大多數(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物理基礎(chǔ)知識16分配系數(shù)：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)。物質(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)物理基礎(chǔ)知識17揮發(fā)性麻醉藥經(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(dāng)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)。例如恩氟烷在37 時的血/氣分配系數(shù)是1.9，即表示

9、溶解在血中的濃度是肺泡中濃度的1.9倍。七.分配系數(shù)物理基礎(chǔ)知識18第二節(jié) 物態(tài)的變化相變：相變：物質(zhì)在固、液、氣三種狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)變。氣液固氣化液化凝固溶化凝華升華物理基礎(chǔ)知識19一.氣化蒸發(fā)：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(xué)中，把蒸發(fā)和蒸騰合稱蒸散。物理基礎(chǔ)知識20一.氣化影響蒸發(fā)的因素 與麻醉蒸發(fā)器設(shè)計中，加速蒸發(fā)的方法影響蒸發(fā)的三個因素加速蒸發(fā)的方法物理基礎(chǔ)知識21一.氣化沸騰沸騰：一定溫度下，在液體表

10、面和內(nèi)部同時進行的汽化。沸點：沸點：一定壓力下，液體沸騰時的溫度。液體沸騰時，它的飽和蒸氣壓等于外部壓強，所以沸點與液面上氣體的壓強有關(guān)，壓強越大，沸點越高。物理基礎(chǔ)知識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。當(dāng)溫度一定時，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。此時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)，它的大小取決于物質(zhì)的本性和溫度。 飽和

11、蒸汽壓越大，表示該物質(zhì)越容易揮發(fā)。物理基礎(chǔ)知識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物理基礎(chǔ)知識24液化液化:物質(zhì)從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過程。也稱凝結(jié)。二.液化液化的臨界溫度液化的臨界溫度固態(tài)溶點沸點臨界溫度不降溫，加壓，可液化不降溫，加壓，不可液化液態(tài)氣態(tài)沸點是隨著壓力而變化的，臨界溫度相當(dāng)于沸點的最大極限物理基礎(chǔ)知識25濕度：濕度：大氣的干濕程度。用以表示大氣中水蒸氣的多少。絕對濕度：單位體積大氣中

12、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。相對濕度：絕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。相對濕度相對濕度 100%絕對濕度絕對濕度同溫下飽和水汽壓同溫下飽和水汽壓三.濕度和濕化器物理基礎(chǔ)知識26濕化器濕化器：1.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。2.凝聚型濕化器：如人工鼻，在氣管導(dǎo)管內(nèi)裝置10層以上金屬網(wǎng)，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。3.霧化器：利用高速氣流（氧或壓縮空氣）通過噴嘴時產(chǎn)生

13、的作用將液體吸入。三.濕度和濕化器物理基礎(chǔ)知識27濕化器濕化器：三.濕度和濕化器物理基礎(chǔ)知識28第三節(jié) 液體的運動一一.連續(xù)性方程：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。1221SSvv由連續(xù)性方程可知:同一管內(nèi)各橫截面的流量相等；流速和管的橫截面積成反比。物理基礎(chǔ)知識29理想流體：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。常量ghvP221二.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靜壓強動壓強物理基礎(chǔ)知識30空吸作用：空吸作用：二.伯努利方程根據(jù)連續(xù)性方程，

14、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。常量221vP物理基礎(chǔ)知識31皮托管：皮托管：是一種常用的流速計，可用來測量液體和氣體的流速。二.伯努利方程物理基礎(chǔ)知識32層流：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。RPlPrQ84泊肅葉定律：泊肅葉定律：三.層流48rlR流阻壓強差流量物理基礎(chǔ)知識33湍流：湍流：當(dāng)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)R

15、e 1000時，流體作層流Re 1500時，流體作湍流1000 Re 1500時，流動不穩(wěn)定eRvr四.湍流物理基礎(chǔ)知識34射流：射流：噴射成一束流動的流體。卷吸作用：卷吸作用：具有一定壓強的流體從細(xì)小的噴嘴中噴出時，流束兩側(cè)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(yīng)：附壁效應(yīng)：附壁效應(yīng)附壁效應(yīng)油脂分離器五.射流的附壁效應(yīng)物理基礎(chǔ)知識35 附壁效應(yīng)也叫柯恩達效應(yīng)。 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(dāng)流體與它流過的物體表面之間存在摩擦?xí)r，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(xué)中的伯努利原理，流速的減緩會導(dǎo)致流體被吸

16、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(yīng)墮毀，之后他便致力于這方面的研究。五.射流的附壁效應(yīng)物理基礎(chǔ)知識36第四節(jié) 光的吸收光的吸收：光的吸收：當(dāng)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(zhuǎn)換成其他形式能量，導(dǎo)致光波在進行方向上的強度降低。選擇性吸收：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。例如，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。物理基礎(chǔ)知識37麻醉氣體對紅外線具有選

17、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.選擇性吸收選擇性吸收物理基礎(chǔ)知識38二二. .朗伯朗伯比爾定律比爾定律朗伯朗伯(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(guān)；在光程上每等厚層介質(zhì)吸收相同比例值的光。比爾比爾(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。朗伯朗伯比爾定律：比爾定律：KCLIIAinout lgA吸光度Iout/Iin透射比Iout透射光強度Iin入射光強度吸收系數(shù)吸光物質(zhì)的濃度 為吸收層厚度 物理基礎(chǔ)知識39在公式AKCL中，如果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。二二. .朗伯朗伯比爾定律比爾定律inoutLC朗伯比爾定律在醫(yī)學(xué)檢驗中應(yīng)用十分廣泛。從分光光度計到生化分析儀，絕大部分關(guān)于濃度的檢測都是基于這一原理。物理基礎(chǔ)知識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(yīng)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