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气体交换的原理

机体内气体的交换是以最基本的物理原理按气体扩散的方式进行的。气体分子总是不停地进行着无定向的运动。但在分子分布不均匀的情况下,气体分子会从分压高处向分压低处发生净转移。这一过程称为气体扩散,气体扩散速率是以单位时间气体扩散的量(容积)来表示的,与诸影响因素的关系以公式表示如下:

D∝△p·T·A·S/d·√Mr

式中:

D:扩散速度 △P:分压差 T:绝对温度 A:扩散面积 S:溶解度 d: 扩散距离 Mr:气体分子量

该公式的各项意义:

一、呼吸气体分压

呼吸气各组分的分压(mmHg)
所处位置 PO2 PCO2 PN2 PH2O Total
干燥大气 159 0.3 601 0 760
大气(含水蒸气) 158 0.3 596 5.7 760
吸气(饱和) 149 0.3 564 47 760
呼气(饱和) 116 28 569 47 760
肺泡内(饱和) 100 40 573 47 760
动脉血液 95 40 573 47 755
静脉血液 40 46 573 47 706
组 织 30 50 573 47 700

气体交换的动力是△P(分压差),△P大,扩散快。所谓分压是指混合气体中,各组成气体所具有的压力。它可用混合气体的总压力乘以各组成气体所占有的容积百分比来求得。例如空气是一种混合气体,总压力在海平面是101.33kPa(760mmHg),其中O2的容积百分比约为21%,则O2分压为101.3321×21%=21.28kPa(760×21%=159mmHg),CO2的容积百分比约为0.04%,则CO2分压为101.33×0.04%=0.04kPa(760×0.04%=0.3mmHg)。呼吸气各组分的分压详见下表。

由表可见,肺泡气体,动脉血、静脉血和组织的PO2和PCO2各不相同,彼此间存在着△P,即存在着气体交换的动力,于是气体就可从分压高处向分压低处扩散

二、气体的分子量(Mr)和溶解度

质量轻的气体扩散较快。在相同条件下,各气体的扩散率与各气体的分子量的平方根成反比。

如果扩散发生在气相和液相之间,则扩散率还与气体在溶液中的溶解度(S)成正比。溶解度是单位分压下溶解于单位容积的溶液中的气体量。一般以一个大气压,38℃时, 100ml液体中溶解的气体的ml数来表示。

S√Mr为扩散系数,取决于气体分子本身的特性。CO2的扩散系数是O2的20倍, 因为CO2和O2的分子量分别是44和32,在血浆中的溶解度分别是51.4和2.14,则51.4√44:2.14√32≈20/1。

三、扩散的面积和距离

从公式中可见,气体的扩散率和扩散的面积成正比,与扩散的距离成反比, 扩散面积大,扩散距离短,那么扩散率就大。

四、温度

因为分子的运动随温度的升高而加速,所以温度与扩散率成正比关系。


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