Đang tải câu hỏi…
Quiz Hoàn Tất!
Để đánh giá bệnh động mạch vành và các vấn đề về tim, kỹ thuật hình ảnh nào sau đây cung cấp thông tin chi tiết về tắc nghẽn và lưu lượng máu?
Mục tiêu học tập:
- Vận dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng và thuyết động học phân tử để giải thích quá trình vận chuyển khí trong cơ thể.
- Áp dụng các định luật Fick và Henry để xác định và tính toán lượng khí trao đổi của cơ thể.
PHẦN I: CÁC ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM VỀ CHẤT KHÍ
Để hiểu về sự vận chuyển khí, trước hết chúng ta cần nắm vững các định luật cơ bản mô tả trạng thái của chất khí. Các định luật này là nền tảng cho phương trình trạng thái khí lý tưởng.
1. Các định luật về khí lý tưởng
- Định luật Boyle-Mariotte (Quá trình đẳng nhiệt): Trong điều kiện nhiệt độ không đổi, tích của áp suất (p) và thể tích (V) của một khối khí là một hằng số.pV = const
- Định luật Gay-Lussac (Quá trình đẳng áp): Khi áp suất không đổi, thể tích (V) của một khối khí tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối (T).V/T = const
- Định luật Charles (Quá trình đẳng tích): Khi thể tích không đổi, áp suất (p) của một khối khí tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối (T).p/T = const
2. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng (Phương trình Clapeyron-Mendeleev)
Kết hợp ba định luật trên, ta có phương trình trạng thái chung cho một khối khí:
pV/T = const
Phương trình này được phát triển thành phương trình Clapeyron-Mendeleev, mô tả mối quan hệ giữa áp suất, thể tích, nhiệt độ và lượng chất của khí lý tưởng:
pV = (m/μ)RT
Trong đó:
- p: Áp suất (N/m² hoặc Pa)
- V: Thể tích (m³)
- m: Khối lượng của khí (kg)
- μ: Khối lượng của một kilomol khí ( kg/kmol )
- T: Nhiệt độ tuyệt đối (K)
- R: Hằng số khí lý tưởng (R ≈ 8,31.10³ J/kmol.K)
3. Định luật Dalton về áp suất riêng phần
Định luật này rất quan trọng khi xem xét các hỗn hợp khí như không khí thở.
Nội dung: Áp suất toàn phần của một hỗn hợp khí (không có phản ứng hóa học) bằng tổng áp suất riêng phần của các khí thành phần.
Áp suất riêng phần là áp suất mà mỗi khí thành phần sẽ gây ra nếu nó chiếm toàn bộ thể tích của hỗn hợp ở cùng một nhiệt độ.
p = Σ pᵢ
Trong đó:
- p: Áp suất toàn phần của hỗn hợp khí.
- pᵢ: Áp suất riêng phần của khí thành phần thứ i.
PHẦN II: HIỆN TƯỢNG VẬN CHUYỂN KHÍ TRONG CƠ THỂ
Các phân tử khí trong cơ thể luôn chuyển động hỗn loạn không ngừng (chuyển động Brown). Chính sự chuyển động này tạo ra các hiện tượng vận chuyển quan trọng như khuếch tán.
1. Quãng đường tự do trung bình của phân tử
- Định nghĩa: Là quãng đường trung bình mà một phân tử đi được giữa hai lần va chạm liên tiếp.
- Công thức:λ = kₒT / (√2 * πd²p)
Trong đó:
- λ: Quãng đường tự do trung bình
- kₒ: Hằng số Boltzmann
- T: Nhiệt độ tuyệt đối
- d: Đường kính hiệu dụng của phân tử
- p: Áp suất của khối khí
Ý nghĩa: Quãng đường tự do trung bình càng lớn, sự di chuyển và khuếch tán của phân tử càng nhanh. Ở nhiệt độ không đổi, quãng đường này tỷ lệ nghịch với áp suất.
2. Hiện tượng khuếch tán chất khí và Định luật Fick
- Định nghĩa: Khuếch tán là hiện tượng các phân tử vật chất tự di chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp do chuyển động nhiệt hỗn loạn. Đây là cơ chế chính cho sự trao đổi O₂ và CO₂ trong cơ thể.
- Điều kiện: Cần có sự chênh lệch về nồng độ (hoặc khối lượng riêng, áp suất riêng phần).
- Định luật Fick (thứ nhất): Mô tả lượng khí khuếch tán qua một diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian.ΔM = -D * (dρ/dx) * ΔS * Δt
Trong đó:
- ΔM: Khối lượng khí khuếch tán.
- D: Hệ số khuếch tán, phụ thuộc vào bản chất khí, môi trường và nhiệt độ (m²/s).
- dρ/dx: Gradient khối lượng riêng, thể hiện sự thay đổi khối lượng riêng theo khoảng cách. Dấu (-) cho thấy sự khuếch tán diễn ra theo chiều làm giảm gradient.
- ΔS: Diện tích bề mặt khuếch tán.
- Δt: Khoảng thời gian khuếch tán.
3. Sự vận chuyển và trao đổi khí trong cơ thể
a. Giới thiệu chung
Oxy (O₂) là yếu tố không thể thiếu cho sự sống. Tế bào sử dụng O₂ trong quá trình hô hấp để tạo ra ATP – nguồn năng lượng chính cho mọi hoạt động. Quá trình này diễn ra chủ yếu trong ty thể.
Kết luận: Cơ thể sống không thể thiếu oxy và tiếp nhận oxy chủ yếu qua hệ hô hấp (phổi).
b. Nhu cầu oxy của cơ thể
- Để tạo ra 1 Cal năng lượng, cơ thể cần 0,207 lít O₂ (ở áp suất 760 torr).
- Một người lớn nặng 70 kg ở trạng thái nghỉ cần khoảng 70 Cal/giờ, tương đương 14,5 lít O₂/giờ.
c. Con đường trao đổi khí
- Đường dẫn khí: Không khí đi từ mũi/miệng qua họng, thanh quản, khí quản, phế quản và phân nhánh nhỏ dần thành các tiểu phế quản tận cùng tại các túi phế nang. Toàn bộ cấu trúc này được gọi là “cây phế quản”.
- Hệ tuần hoàn phổi:
- Động mạch phổi: Đưa máu nghèo O₂ từ tim (tâm thất phải) đến phổi.
- Tĩnh mạch phổi: Đưa máu giàu O₂ từ phổi trở về tim (tâm nhĩ trái).
- Trao đổi khí tại phế nang: Tại các phế nang, O₂ từ không khí hít vào sẽ khuếch tán qua màng phế nang-mao mạch để vào máu. Ngược lại, CO₂ từ máu sẽ khuếch tán vào phế nang để được thở ra. Sự chênh lệch áp suất riêng phần là động lực chính của quá trình này.
4. Định luật Henry
Định luật này giải thích cách khí hòa tan vào chất lỏng (như máu).
Nội dung: Lượng khí khuếch tán (hòa tan) vào một chất lỏng tỷ lệ thuận với áp suất riêng phần của khí đó trên bề mặt chất lỏng.
V = D * (pₙ/p)
Trong đó:
- V: Thể tích khí khuếch tán.
- D: Hệ số khuếch tán (hay hệ số hòa tan), phụ thuộc vào bản chất của khí và chất lỏng.
- pₙ: Áp suất riêng phần của khí.
- p: Áp suất khí quyển.
Bảng 4-1: Hệ số khuếch tán (D) của một số chất khí
| Dung dịch | N₂ | O₂ | CO₂ |
| Nước nguyên chất | 0,013 | 0,023 | 0,545 |
| Huyết thanh | 0,012 | 0,021 | 0,510 |
| Máu | 0,013 | 0,023 | 0,470 |
| Hồng cầu | 0,015 | 0,026 | 0,440 |
Nhận xét: Hệ số khuếch tán của CO₂ cao hơn O₂ khoảng 20 lần, cho thấy CO₂ hòa tan trong các dung dịch của cơ thể tốt hơn nhiều so với O₂.
5. Máu và sự vận chuyển khí
a. Vận chuyển Oxy (O₂) trong máu
- Ở động mạch (Pₒ₂ ≈ 100 torr): Nồng độ O₂ trong máu khoảng 19-20%.
- Dạng hòa tan (khuếch tán): Chỉ chiếm 0,3 – 0,4%.
- Dạng kết hợp với Hemoglobin (Hb): Chiếm đến 16 – 18%. Hb trong hồng cầu là chất vận chuyển O₂ chính, giúp tăng khả năng chuyên chở O₂ của máu lên gấp nhiều lần.
b. Vận chuyển Carbon Dioxide (CO₂) trong máu
- Ở tĩnh mạch (P꜀ₒ₂ ≈ 46 torr): Nồng độ CO₂ trong máu khoảng 52%.
- Dạng hòa tan: Khoảng 2,4%.
- Dạng kết hợp với Hb (Carbaminohemoglobin): Khoảng 2 – 10%.
- Dạng Ion Bicarbonate (HCO₃⁻): Đây là dạng vận chuyển chính, chiếm phần lớn còn lại. CO₂ kết hợp với nước tạo thành axit carbonic (H₂CO₃), sau đó phân ly thành H⁺ và HCO₃⁻.CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃ ↔ H⁺ + HCO₃⁻
PHẦN III: CÁC HIỆN TƯỢNG VẬN CHUYỂN CHẤT KHÁC
Ngoài khí, các chất tan khác cũng được vận chuyển trong cơ thể qua các cơ chế tương tự.
1. Hiện tượng khuếch tán chất tan
- Khuếch tán không qua màng: Các phân tử chất tan trong dung dịch di chuyển từ vùng nồng độ cao đến vùng nồng độ thấp cho đến khi nồng độ được san bằng.
- Khuếch tán qua màng (Công thức Collander-Barland): Lượng chất khuếch tán qua màng được tính bằng công thức:Δn = -P(C₂ – C₁)ΔSΔt
Trong đó:
- Δn: Số phân tử khuếch tán.
- P: Hệ số thấm của màng đối với chất đó.
- (C₂ – C₁): Chênh lệch nồng độ hai bên màng.
2. Hiện tượng thẩm thấu và áp suất thẩm thấu
- Thẩm thấu: Là sự vận chuyển dung môi (thường là nước) qua một màng bán thấm, từ nơi có nồng độ chất tan thấp (dung môi nhiều) đến nơi có nồng độ chất tan cao (dung môi ít).
- Áp suất thẩm thấu (p): Là áp suất cần thiết để ngăn cản dòng chảy của dung môi qua màng bán thấm. Đây là một đại lượng đặc trưng cho nồng độ các phân tử, ion hòa tan trong dung dịch.
- Công thức Van’t Hoff:
- Với dung dịch không điện ly: p = CRT
- Với dung dịch điện ly: p = iCRT
Trong đó:
- C: Nồng độ mol của dung dịch.
- R: Hằng số khí lý tưởng.
- T: Nhiệt độ tuyệt đối.
- i: Hệ số Van’t Hoff, là số ion mà một phân tử chất tan phân ly thành.
3. Áp suất thẩm thấu và tế bào động vật
Màng tế bào là một màng bán thấm, do đó hiện tượng thẩm thấu đóng vai trò cực kỳ quan trọng đối với sự sống của tế bào.
- Dung dịch đẳng trương (Isotonic): Có áp suất thẩm thấu bằng với áp suất thẩm thấu bên trong tế bào. Nước ra vào cân bằng, tế bào giữ nguyên hình dạng.
- Ví dụ: Nước muối sinh lý (NaCl 0.9%), huyết thanh.
- Dung dịch ưu trương (Hypertonic): Có áp suất thẩm thấu lớn hơn bên trong tế bào. Nước từ trong tế bào sẽ di chuyển ra ngoài, gây ra hiện tượng tế bào bị mất nước và teo lại.
- Ví dụ: Hồng cầu đặt trong dung dịch muối đậm đặc.
- Dung dịch nhược trương (Hypotonic): Có áp suất thẩm thấu nhỏ hơn bên trong tế bào. Nước từ môi trường sẽ di chuyển ồ ạt vào trong tế bào, làm tế bào phồng lên và có thể bị vỡ (tan máu).
- Ví dụ: Hồng cầu đặt trong nước cất.
Tài liệu tham khảo:
- Nguyễn Thành Vấn, Giáo trình Vật lý – Lý Sinh, Bộ môn Vật lý, ĐHYD TPHCM.
- David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker, Fundamentals of Physics, 10th edition (2013), Wiley.
- Paul Davidovits, Physics in Medicine and Biology, 3rd edition (2008), Academic Press, chapter 9 and 10.
- David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker, Cơ sở vật lý-tập 2 Nhiệt học (2002), Nxb Giáo dục.
- Jean-Marie Brebec, et al., Nhiệt học (2002), Nxb Giáo dục.
Comment ×