Физика жидких сред

Л. Кривский, FRCA

Southampton General Hospital

ПланФизика газов

Газовые законы

Критическая температура и давление

Плотность и вязкость газов

Ламинарный и турбулентные потоки

Жидкости, р-ры, коллигативные св-ва

Принцип Бернулли; эффект Вентури

Латентное тепло испарения

Давление насыщения пара

Влажность и увлажнение газов

Испарители

Текучие среды

Вещества, способные свободно течь

Жидкости

Пары

Газы

Принцип Паскаля

Давление, действующее на текучую среду

будет распространяться в ней

равномерно

Blaise Pascal, Physicist, 1654

Ламинарное течение I

P1 P2

l

r

(P1-P2). .r4

8.l.

Поток =

Hagen 1839, Poiseuille 1840

Вязкость

имеет

значение

Давление (АД, ДЗЛК, ЦВД ... итд)

– всего-лишь одна из переменных

формулы потока (перфузии)!!!

Если уменьшить диаметр трубки в

2 раза, скорость потока через неѐ

снизится в 16 раз!

Скорость потока во в/в канюлях

разного диаметра

• 14G – 250-360 мл/мин

• 16G – 130-220 мл/мин

• 17G – 100-140 мл/мин

• 18G – 75-120 мл/мин

• 20G – 40-80 мл/мин

• 22G – 20-40 мл/мин

При увеличении длины трубки,

скорость потока уменьшается в 2

раза

Оптимальный гематокрит – 0,30!

Ламинарный поток II

•Конус

•Пристеночный

эффект

Зависимость давление:поток для

ламинарного течения

НО: Давление (АД, ДЗЛК, ЦВД ...

итд) – всего-лишь одна из

переменных формулы потока

(перфузии)!!!

Турбулентный поток 1

v . d . R =

Константа Рейнольдса

R <1000 ламинарное

R >1500 турбулентное

d

v

Турбулентный поток 2

(P1-P2) . r2

P1 P2

r

Плотность

имеет

значениеПоток

Зависимость давление:поток при

турбулентном течении (чтобы

усилить поток, давление должно

быть увеличено в 4 раза)

Турбулентное течение характерно

для жидких сред большой

плотности, но малой вязкости,

текущих с большой скоростью

через трубы большого диаметра.

Разветвления, сужения, резкие

повороты трубок приводят к

усилению скорости потока -

турбулентность

Гелиокс – 79% Не + 21% О2

Плотность vs. вязкость

Вязкость при ламинарных

потоках, плотность – при

турбулентных

Турбулентность в дых. контурах

Эффект Bernoulli

½ρV1 + p1 = ½ρv2 + P2

Самолѐты и принцип Бернулли

Принцип Вентури

Закон Bernoulli, принцип Venturi

Жидкости

•Спрей

•Увлажнители

•Газы

•Маски

•Небулизаторы

•Отсосы

Venturi

Giovanni Venturi, Physicist, 1797

О2 терапия (HAFOE masks)

Цвет О2 (л/мин) О2 (%)

Синий 2 24

Белый 4 28

Жѐлтый 6 35

Красный 8 40

Зелѐный 12 60

Маски Вентури

Жидкости

Жидкости

Cohesion

Adhesion

Капля

Силы молекулярного притяжения

Ртуть

Cohesion > adhesion

Вода

Cohesion < adhesion

Смачивание

Ртуть Вода

Тройная точка

температура, при которой тв. в-во,

жидкость и пар находятся в

эквилибриуме друг с другом.

Для воды: 273.16 K (0.01ºC) @ 611.2 Pa

Thermodynamic reference temperature

Тройная точка

Растворы

Коллигативные св-ва

Осмотическое давление

Депрессия точки замерзания

Снижение давления пара

Увеличение точки кипения

Коллигативные свойства

Испарение

Р-мое в-во снижает

общую энергию р-рителя

Замерзание

Частицы р-мого в-

ва нарушают ст-ру

кристаллической

решѐтки р-теля

Растворы

• Моль

– Грам-молкулярный вес

– 6 x 1023 молекул

– NaCl 23 + 35.5 = 58.5g

• Осмоль

– Грам-молекулярный вес/кол-во активных

молекул

– NaCl (23 + 35.5)/2 = 29.25g

Растворы

• Осмолярность

– Осмоли в 1 л р-ра

– 1 osmol.l-1 снижает точку замерзания на

1.86ºC

• Осмоляльность

– Осмоли в 1кg р-ра

Осмоляльность плазмы

Осмотическое

давление

Осмоляльность 290 mOsmol.l-1

Точка замерзания -0.54ºC

Осмотическое давление 739.5kPa

(7.3 atm)

(3kPa за счѐт белков плазмы)

Расчѐт осмолярности:

2[Na+]+ [gluc]+[urea]

Газы

Газ – это вещество, находящееся

выше своей критической

температуры

• Нагревание – увеличение кинетической

энергии: тв. в-во – жидкость – пар/газ

• Критическая температура – температура, выше

которой газ не может быть превращѐн в

жидкость при дальнейшем повышении

давления (О2 – 118, N2O 36.5)

• Критическое давление – давление,

необходимое для превращения пара в

жидкость при критической температуре

Содержимое баллонов – жидкость,

пар или газ

• Давление газов внутри баллонов

• O2 13700 кРа

• Сжатый воздух 13700 кРа

• Entonox 13700 кРа

• Жидкости внутри баллонов

• N2O 4400 кРа

• CО2 5000 кРа

Соотношение заполнения

• «Вес жидкости внутри баллона,

поделенный на вес воды, необходимой

для его полного заполнения, выраженное

в виде пропорции»

• N2O в странах с умеренным климатом

(UK) – 0.75

• Австралия – 0.67

1 атм =

• 760 мм рт ст

• 1034 см Н20

• 1 бар

• 101 кРа

• 15 lb/in2

Объѐмы газов

STPD - 0ºC, 101.3 kPa, сухой

ATPS – комнатная темп, 101.3kPa, насыщенный

парами – в окр. среде

BTPS - 37ºC, 101.3 kPa, PH2O 6.3 kPa – в лѐгких

(NB: температура в K)

Закон Бойля-Мариотта

При постоянной температуре объѐм газа обратно пропорционален абсолютному давлению

Robert Boyle, Physicist, 1667

P1 v1 p2 V2

P1.v1 = p2.V2

Patm

Закон Бойля

Давление-объѐм (цилиндр О2 –

137000 kPa; магистраль – 400 кРа)

Изотермические vs.

адиабатические условия

• Изотермические условия – изменение

физ. состояния газа при постоянной

температуре (закон Бойля действует)

• Адиабатические условия – изменение

физ. состояния газа при перемене

температуры (закон Бойля неприменим)

Закон Чарльза

При постоянном давлении объѐм газа

пропорционален абсолютной

температуре

Jacques Charles, Physicist, 1787

Tabs

Закон Чарльза

Третий газовый закон

• При постоянном объѐме, изменение

абсолютной температуры газа приводит

к изменению давления

Р/Т = const.

P ~ T

Газовый закон

PV = nRT

R = Молярная (универсальная) гзовая константа = 8.1314 J.K-1.mol -1

Гипотеза Авогадро

Молярный объѐм идеального газа занимает 22.4 l @ STPD

N2O and CO2 22.2 l @STPD

Amadeo Avogadro, Physicist, 1811

Пары

• Вещества, находящиеся ниже своей

критической температуры

Испарение

Потеря тепловой энергии

Массовая энтальпия испарения(Латентная энергия испарения)

Энергия, необходимая для превращения

1 г жидкости в пар или газ при данной

температуре

Для воды при 37ºC = 2.4kJ.g-1

Давление насыщения паров

Максимальное возможное давление пара при данной

температуре

Точка кипения: температура, при которой SVP = атм. давлению

N2O

Цилиндр с закисью

• Давление не отражает объѐм

(критическое давление пара N2O – 51 bar)

• Для определения объѐма цилиндр

необходимо взвесить

• Соотношение заполнения – объѐм

жидкой закиси внутри цилиндра:объѐм

цилиндра (в UK – 0.65)

Пример расчѐта объѐма N2O

• 1 моль – 22.4 л

• MWN2O – 44

• Вес жидкого газа – 2500 г

• Объѐм = 2500/44 22.4 = 1272 л

Poynting effectO2

N2OEntonox

Tcrit 36.5ºC 136 000 kPa

Pseudo Tcrit -6ºC

Overpressure effect

Псевдокритическая температура

• Для энтонокса - 4,5 С

• При хранении в зимних условиях

разделение газов и доставка

гипоксической смеси

О2

N2O

Давление паров насыщения

Относительная влажность

(А) Воздух при комнатной температуре (отн. влажность 50%)

(В) Точка росы (11 С, 100% влажность)

(С) Нагревание до 37 С (отн. вл. – 23%)

(D) Комн. воздух полностью насыщенный парами воды при 22 С

(Е) То же, нагретый до 37 С (отн. вл.–42%)

(F) Воздух при BTPS в бронхах

Увлажнение

10g.m-3 @ 22ºC, 50% RH

BTPS

44g.m-3 @ 37ºC

«Нечувствительные» потери Н2О ±

346 ml per day

Увлажнение

0g.m-3 @ 20ºC

BTPS

44g.m-3 @ 37ºC

«Нечувствительные» потери Н2О

446 ml/ 24 часа

Определение SVP

• Давление паров насыщения

Максимально достижимое давления пара

при данной температуре

• В точке кипения: давление паров

насыщения = 1 атм

Испарители

Variable bypass vaporizer

Для получения концентрации в

1% при 20 С необходимо:

SVP @ 20 C

(mmHg)

Исп.камера/

общий поток

Halothane 243 (32 kPa) 3.1 %

Isoflurane 250 (33 kPa) 3.0 %

Enflurane 175 (23 kPa) 4.3 %

Volatile agent SVP(kPa)

at 20 C

BP ( C) at

100kPa

MAC

Halothane 31.9 51 0.76

Enflurane 23.1 56 1.68

Isoflurane 31.5 48 1.15

Sevoflurane 21.3 58 2

Desflurane 88.5 23 6

Свойства ингаляционных

анестетиков

Зависимость давления паров

насыщения от температуры

Охлаждение жидкости по мере

испарения молекул

Биметаллическая пластина для

температурной компенсации

Факторы, влияющие на работу

испарителя

• Соотношение потока через испарительную и

проточную камеры

• Пов-ть соприкосновения пар:жидкость

• Температура испарительной камеры

• Атм. Давление

• Поток несущего газа – чем больше поток – тем

меньше насыщение

• Состав несущего газа – плотность и вязкость

Атмосферное давление

• Испаритель изофлюрана установлен на подачу

1% газа:

- На уровне моря на выходе – 1%

- При давлении в 2 атм – ½%

- На высоте 5.5 км – 2%

• Меняется концентрация, но не давление

насыщения паров (31.3 кРа) при данной

температуре – таким образом, парциальное

давление остаѐтся неизменным.

Десфлурановый испаритель -

однокамерный

VIE

• Внешняя оболочка из чугуна

• Внутренняя оболочка из нержавеющей стали

• Вакуум посередине

• Температура камеры - 183 С

• Давление внутри камеры – 5-10 атм

• Испарение О2 поддерживает низкую Т

• На выходе – регулятор давления 400 кРа

Вакуумный резервуар-испаритель

О2

VIE

• При низкой потребности – верхний отвод

• При высокой – нижний, с подогревом

Батарея газовых баллонов