Bases Físicas de la Fisiología RespiratoriaBases Físicas de la Fisiología Respiratoria

República Bolivariana de VenezuelaUniversidad Centroccidental “Lisandro Alvarado”

Decanato de Ciencias de la SaludSección de Fisiología

Dra. Joanna V. Santeliz C.

DEFINICIÓN DE MATERIA

Materia es todo aquello que tiene masa y que ocupaun espacio. La materia es de lo que están hechostodos los objetos materiales.

COMPARACIÓN DE MASAS

La Materia tiene masamasa. La masamasa es unamagnitud relacionada con la cantidad demateria que tiene un objeto, es decir, es posiblemedirla.

Sólidos

LíquidosGases

Los tres estados de la materia son:

ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA

Las sustancias son rígidas Tienen forma definida El volumen no cambia con la presión o la temperatura

Estado Sólido

Estado Líquido

Las sustancias adoptan la forma del recipiente que los contieneLos líquidos son difíciles de comprimir

El estado gaseoso es un estado disperso de la materia, es decir, las moléculas de gas están separadas por distancias mucho mayores que el tamaño de sus moléculas

Las moléculas tienen poca fuerza de atracción

No tiene forma ni volumen

Estado Gaseoso

Propiedades de Gases

• La presión de un gas se expresa en mmHg o en Torr (1 mmHg = 1 Torr)

• La presión del aire a nivel del mar es de 760 mmHg

• La presión del vapor de agua corresponde al agua en fase gaseosa y depende de su temperatura

• El aire inspirado después de su paso por las vías aéreas superiores se encuentra saturado con vapor de agua

Propiedades de Gases

• La presión del gas seco inspirado en una persona a 37°C (temperatura corporal) se determinará de la siguiente forma:

• Presión Barométrica a nivel del mar es 760 mmHg• Presión gas seco inspirado:760 – 47 = 713 mmHg

Por ejemplo: Bogotá P.B. = 560 mmHg• Presión de gas seco inspirado: 560 – 47 = 513 mmHg

COMPOSICIÓN DEL AIRE

GAS % PP nivel del mar

PP aire seco

Nitrógeno 78.084 593.44 556.74Oxígeno 20.948 159.20 149.36

CO2 0.031 0.24 0.22Argón 0.934 7.10 6.66

Otros gases 0.003 0.02 0.02PH2O 0 47 0

PB 760PP gas seco 760 713

La altitud y la PB

LUGAR PBmmHg

PPO2

mmHgAltura

metros (m)

Everest 253 52 8,000Andes 380 80 5,000 Bogotá 560 117.6 2,800 Lima 760 160 nivel mar

GAS INHALADO EXHALADO

O2 20.71% 14.6%

CO2 0.004% 4.0%

H2O 1.25% 5.9%

Cómo cambia el aire que respiramos?

Estado Gaseoso

Los gases son compresibles

Los gases tienen bajas densidades

Los gases llenan un recipiente de manera uniforme

Los gases se mezclan completamente

Un gas ejerce una presión uniforme en todo el recipiente

Propiedades Físicas de los Gases

derretimiento

congelamiento

sólido líquido

ebullición

condensación

líquido gas

tiempo

Cambios de Estado Curva de Calentamiento

Variables que afectan el Comportamiento de los Gases

Presión de un gas:

“Es causada por el choque de las partículas contra las paredes de un recipiente”

Representa la fuerza por unidad de superficieLa magnitud de la presión depende:• de la frecuencia de los choques• y la fuerza con que se dan las colisiones

La temperatura absoluta de un gas:

“Es una medida del contenido energético cinético promedio de las partículas”

• Al aumentar la T, aumentamos de forma directamente proporcional la energía cinética y viceversa.

Variables que afectan el Comportamiento de los Gases

El volumen de las partículas de un gas:

Es el espacio que ocupa un gas Es un sistema cerrado, el gas ocupa todo el

volumen del sistema

Variables que afectan el Comportamiento de los Gases

Leyes de los Gases

LEY DE BOYLE-MARIOTTE

Ley de Boyle (1662) V = k2P k2= constante

La presión de una cierta cantidad de gas ideal a T

constante es inversamente proporcional al volumen

Por lo tanto al disminuir el volumen de un gas aumenta su

densidad numérica y por lo tanto la frecuencia de colisión, por ello la P de un gas aumenta.

Ley de Charles y Gay-Lussac

Charles (1787) V T P T

Ley de CharlesA presión constante, el volumen de un gas es directamente proporcional

a la temperatura

Gay-Lussac (1802)

Ley de Gay-LussacA volumen constante, la presión de un gas es directamente proporcional

a la temperatura

Por lo tanto al aumentar la temperatura de un gas incrementa su energía cinética provocando que las

moléculas choquen con mayor fuerza contra las paredes del recipiente;

entonces la P sube.

Ley de Avogadro

V nEn condiciones normales:

1 mol de gas = 22,4 L de gas

A una temperatura y presión constante:

El volumen de un gas ideal a P y T constantes es directamente proporcional al número de moles

Ley de Dalton de las Presiones Parciales

Si las moléculas de una mezcla de gases no se atraen ni se repelen entre sí, entonces la presión ejercida por un tipo de

gas no se afectará por la presencia de otro gas. En consecuencia la Presión total está dada por la suma de las

presiones individuales de los gases.

• La ley de Boyle-Mariotte, ley de Charles y ley de Avogadro pueden combinarse matemáticamente en la llamada Ley General de los Gases

P.V = n. R. T

• P = presión• V = volumen• n = número de moles• R (constante universal de los gases): 0.0821 L.atm/K.mol• Temperatura

Leyes de los Gases Ideales

De esta ley se deduce que un mol de gas ideal ocupa siempre un volumen igual a 22,4 litros a 0°C y 1 atmósfera

Sin embargo, preguntas como …

• ¿Por qué el aumento del volumen es inversamente proporcional a la presión?

• ¿Por qué la presión de un gas aumenta de forma directamente proporcional con la T (K)?

… carecen de un sustento teórico que permita su comprensión y la predicción de otros fenómenos …

TEORÍA CINÉTICO MOLECULAR

Es un modelo “que describe las propiedades de un gas ideal a nivel molecular”

TEORÍA CINÉTICO MOLECULARPostulados

1) Todo gas ideal está formado por pequeñas partículas puntuales (átomos o moléculas)

2) Las moléculas gaseosas se encuentran en continuo movimiento “caótico”

3) Un gas ideal ejerce una presión continua sobre las paredes del recipiente que lo contiene

TEORÍA CINÉTICO MOLECULARPostulados

3) Los choques moleculares son perfectamente elásticos. No hay pérdida de la energía cinética.

4) Las fuerzas de atracción y repulsión entre partículas son insignificantes.

5) La energía cinética promedio de las partículas es directamente proporcional la temperatura absoluta en escala Kelvin.

GASES IDEALES

o Son gases hipotéticoso Formado por partículas puntuales sin atracción o

repulsióno Choques entre moléculas perfectamente elásticos

con conservación de energía cinéticao Obedece la ley de los gases ideales

GASES IDEALES

GASES REALES

o Son gases que no se rigen por la ley de los gases ideales

o La ecuación de van der Waals corrige la naturaleza “no ideal” de los gases reales

o Esta ecuación toma en cuenta el tamaño de las moléculas de gas y las fuerza de interacción entre las mismas

GASES REALES

o El comportamiento de un gas suele acercarse a lo ideal cuando su fórmula química es más sencilla

Helio (gas noble, monoatómico)Hidrógeno (gas diatómico)CO2 (gas triatómico)H20

Más “ideal”

Desviación del Comportamiento ideal de los Gases Reales

• Gráfica para 1 mol de distintos gases en función de la presión.

• Los gases reales se desvían del comportamiento ideal a presiones altas.

• A presiones bajas la desviación del comportamiento ideal es pequeña.

• Gráfica de 1 mol de un mismo gas en función de la presión a diferentes temperaturas.

• Al aumentar la T, el comportamiento del gas se aproxima al ideal.

• Las desviaciones aumenten a medida que nos aproximamos a la temperatura de licuefacción del gas.

Desviación del Comportamiento ideal de los Gases Reales

¿Por qué se dan estas desviaciones?

• En el caso de los gases reales, el volumen que ocupan las partículas de gas es finito.

• En B al aumentar la presión, el volumen del recipiente es menor y por lo tanto el volumen de las partículas de gas se hace más significativo, y el espacio vacío del sistema es menor.

¿Por qué se dan estas desviaciones?

• A diferencia de los gases ideales, los gases reales tienen fuerzas de atracción que son importantes a distancias cortas, por lo tanto se hacen importantes cuando el volumen es pequeño.

• Esto genera que la fuerza de los impactos de las partículas con las paredes del recipiente sean menores.

• Esto genera que la presión del gas sea menor.

APLICACIÓN DE LAS LEYES DE LOS GASES EN LA FISIOLOGÍA RESPIRATORIA

Ley de Boyle-Mariotte - Inspiración y Espiración- Cálculo de la CRF por pletismografía

Ley de Charles → calentamiento de aire en VAS

Ley de Dalton → cálculo de la presión atmosférica

DifusiónProceso por cual sustancias (ej. moléculas gaseosas)pasan de medios más concentrados a medios menosconcentrados.

LEY DE DIFUSIÓN DE GRAHAM

A temperatura y presión constante las velocidades dedifusión de diversos gases varían en razón inversa delas raíces cuadradas de sus masas.

La solubilidad de un gas en un líquido esdirectamente proporcional a su presión parcialy a su coeficiente de solubilidad a temperaturaconstante.

Vd = P.k.Vt

LEY DE HENRY

Nos dice que la velocidad de difusión depende de varios factores:

D= (Pf-Pi)AST/dmdonde:

Pf-Pi = diferencia de presionesA= Área de los alveolosd= grosor de la membrana alveolo capilarS=coeficiente de solubilidadm= peso molecularT= temperatura

LEY DE FICK

PROPIEDADES DE DEFORMABILIDAD DE LA MATERIA

DISTENSIBILIDAD

Es la fuerza que debe aplicarse para sacar a un cuerpo elástico de reposo

Representa el cambio del volumen pulmonar por unidad de Δ Presión intrapulmonar

La distensibilidad o compliance es el inverso de la elasticidad

Distensibilidad pulmonar = 200-240 ml/cmH20

PROPIEDADES DE DEFORMABILIDAD DE LA MATERIA

ELASTICIDAD

Es la propiedad que tienen los cuerpos sólidos de retornar a su forma y dimensiones originales al suprimir la fuerza que los deformó.

La elasticidad se rige bajo la Ley de Hooke la cual dice que las deformaciones son proporcionales a los esfuerzos que la producen siempre y cuando no se sobrepase el límite de elasticidad del material.

Compliance y Elasticidad

Tensión Superficial

Figura 2

A

B C

f f 1

Se puede definir la Tensión Superficial como:

“La tendencia de un líquido a disminuir su superficie”

La tensión superficial se representa con el símbolo

Su valor es el mismo en cualquier punto y en todas las direcciones a lo largo de la superficie del líquido

En los sistemas biológicos existen una serie de fenómenos que tienen lugar en la superficie de las diferentes fases de contacto.

Un ejemplo de sistema con dos fases distintas aparece en el pulmón en donde el aire esta en estrecho contacto con una capa líquida que recubre la superficie alveolar.

En la superficie libre de los líquidos, las fuerzas decohesión dan lugar a la aparición de los fenómenos de tensión superficial.

ECUACIÓN DE LAPLACE

Esta ecuación permite calcular la presión superficial para superficies

planas y curvas

P = 2TS/r

Importancia de la Tensión Superficial a nivel pulmonar

Como la superficie de los alvéolos constituye una interfase

gas-líquido y como todos los alvéolos se hallan comunicados entre sí, se podría esperar que

los alvéolos de menor diámetro se colapsen a expensas de la

expansión de los mayores

La presencia de Surfactante hace que

la Tensión Superficial de la película

acuosa sobre la pared alveolar (que a

37°C y sin Surfactante sería del orden

de 70 mN/m), sea de alrededor de 30

mN/m cuando el alvéolo se halla

distendido al máximo y se reduce a

valores próximos a 1 mN/m al llegar a

Capacidad Residual Funcional

Importancia de la Tensión Superficial a nivel pulmonar