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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.
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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.
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COMPARACIÓN DE MASAS
La Materia tiene masamasa. La masamasa es unamagnitud relacionada con la cantidad demateria que tiene un objeto, es decir, es posiblemedirla.
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Sólidos
LíquidosGases
Los tres estados de la materia son:
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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GAS INHALADO EXHALADO
O2 20.71% 14.6%
CO2 0.004% 4.0%
H2O 1.25% 5.9%
Cómo cambia el aire que respiramos?
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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
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derretimiento
congelamiento
sólido líquido
ebullición
condensación
líquido gas
tiempo
Cambios de Estado Curva de Calentamiento
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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
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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
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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
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Leyes de los Gases
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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.
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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.
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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
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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.
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• 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
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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 …
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TEORÍA CINÉTICO MOLECULAR
Es un modelo “que describe las propiedades de un gas ideal a nivel molecular”
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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
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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.
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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
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GASES IDEALES
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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
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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”
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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.
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• 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
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¿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.
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¿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.
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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
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DifusiónProceso por cual sustancias (ej. moléculas gaseosas)pasan de medios más concentrados a medios menosconcentrados.
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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.
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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
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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
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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
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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.
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Compliance y Elasticidad
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Tensión Superficial
Figura 2
A
B C
f f 1
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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
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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.
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ECUACIÓN DE LAPLACE
Esta ecuación permite calcular la presión superficial para superficies
planas y curvas
P = 2TS/r
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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
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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