Sinh lý học Hô hấp ứng dụng của Nunn & Lumb, ấn bản thứ 9. PHỤ LỤC B. CÁC ĐỊNH LUẬT CHẤT KHÍ

Sinh lý học Hô hấp ứng dụng của Nunn & Lumb, ấn bản thứ 9. Nunn and Lumb’s Applied Respiratory Physiology 9th Edition.
Chủ biên: Andrew Lumb, Caroline Thomas. Nhà xuất bản ELSEVIER. Biên dịch: Ts.Bs. Lê Nhật Huy, Ths.Bs. Lê Đình Sáng. ISBN-13: 978-0702079085. 
Ấn bản tiếng Việt của cuốn sách này được dịch & chia sẻ vì mục đích lan toả tri thức, hoàn toàn phi lợi nhuận, duy nhất trên các website sachyhoc.com & yhoclamsang.net của THƯ VIỆN MEDIPHARM. NGHIÊM CẤM THƯƠNG MẠI HOÁ bản dịch tiếng Việt của cuốn sách này dưới bất cứ hình thức nào.

PHỤ LỤC B. CÁC ĐỊNH LUẬT CHẤT KHÍ

The gas laws
Andrew Lumb, MB BS FRCA; Caroline Thomas, BSc MBChB MRCS(Ed) FRCA
Nunn and Lumb’s Applied Respiratory Physiology, Appendix B, 415-416

Một số thuộc tính vật lý của chất khí thường được trình bày dưới tiêu đề chung là các định luật chất khí (gas laws). Những định luật này có tầm quan trọng cơ bản trong sinh lý học hô hấp (respiratory physiology).

Định luật Boyle (Boyle’s law) mô tả mối quan hệ tỷ lệ nghịch giữa thể tích và áp suất tuyệt đối của một khí lý tưởng (perfect gas) ở nhiệt độ không đổi:

P x V = K (Phương trình A.1)

trong đó P đại diện cho áp suất và V đại diện cho thể tích. Ở những mức nhiệt độ gần với điểm sôi của chúng, các chất khí sẽ sai lệch khỏi định luật Boyle. Ở nhiệt độ phòng, sự sai lệch này là không đáng kể đối với khí oxy và khí nitơ, đồng thời ít có ý nghĩa thực tiễn đối với khí carbon dioxide hoặc khí nitrous oxide.

Định luật Charles (Charles’ law) mô tả mối quan hệ tỷ lệ thuận giữa thể tích và nhiệt độ tuyệt đối của một khí lý tưởng ở áp suất không đổi:

V = K x T (Phương trình A.2)

trong đó T đại diện cho nhiệt độ tuyệt đối. Sự sai lệch khỏi định luật này diễn ra rõ rệt ở các mức nhiệt độ ngay trên điểm sôi của các chất khí. Chúng ta có thể kết hợp Phương trình A.1 và A.2 thành:

P x V = R x T (Phương trình A.3)

trong đó R là hằng số khí lý tưởng (universal gas constant), hằng số này giống nhau cho tất cả các khí lý tưởng và có giá trị là 8,1314 joules/(độ Kelvin x mol). Từ điều này, chúng ta có thể suy ra rằng thể tích mol của tất cả các khí lý tưởng là 22,4 Lít ở điều kiện nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, trạng thái khô (standard temperature and pressure, dry – STPD). Khí carbon dioxide và khí nitrous oxide có sự sai lệch so với tính chất của các khí lý tưởng, với mức độ sai lệch dẫn đến thể tích mol của chúng rơi vào khoảng 22,2 Lít tại STPD.

Định luật Henry (Henry’s law) mô tả sự hòa tan của các chất khí trong chất lỏng mà chúng không xảy ra phản ứng. Nguyên lý chung của định luật Henry khá đơn giản. Số lượng phân tử khí hòa tan trong dung môi tỷ lệ thuận với áp suất riêng phần (partial pressure) của khí đó tại bề mặt chất lỏng, và hằng số tỷ lệ là một biểu thức thể hiện độ hòa tan của khí trong chất lỏng. Hằng số này là cố định đối với một loại khí cụ thể và một chất lỏng cụ thể ở một mức nhiệt độ cụ thể, nhưng thường giảm xuống khi nhiệt độ tăng lên.

Các nhà vật lý học thường có xu hướng biểu thị độ hòa tan thông qua hệ số Bunsen (Bunsen coefficient). Theo cách biểu thị này, lượng khí trong dung dịch được tính bằng thể tích khí (ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, trạng thái khô [STPD]) trên mỗi đơn vị thể tích dung môi (nghĩa là một phần trăm của lượng đó, được biểu thị bằng thể tích %), và áp suất được biểu thị bằng atmosphere (atm).

Mặt khác, các nhà sinh học lại ưa chuộng sử dụng hệ số Ostwald (Ostwald coefficient) hơn. Hệ số này thể hiện thể tích khí được hòa tan, được biểu thị bằng thể tích của chính nó dưới các điều kiện nhiệt độ và áp suất tại thời điểm diễn ra sự hòa tan. Nhiều người có thể nghĩ rằng hệ số này sẽ thay đổi theo áp suất trong pha khí (gas phase), nhưng thực tế không phải vậy. Nếu áp suất tăng gấp đôi, theo định luật Henry, số lượng phân tử khí hòa tan cũng sẽ tăng gấp đôi. Tuy nhiên, theo định luật Boyle, chúng sẽ chỉ chiếm một nửa thể tích khi ở điều kiện áp suất tăng gấp đôi. Do đó, nếu tuân thủ đúng định luật Henry và định luật Boyle, hệ số Ostwald sẽ hoàn toàn độc lập với những thay đổi về áp suất tại thời điểm xảy ra sự hòa tan. Hệ số này sẽ chỉ khác biệt so với hệ số Bunsen ở chỗ thể tích khí được biểu thị bằng thể tích mà nó sẽ chiếm ở nhiệt độ của thí nghiệm, thay vì ở 0°C. Sự chuyển đổi này, do vậy, phù hợp với định luật Charles, và hai hệ số này sẽ hoàn toàn giống hệt nhau ở mức nhiệt độ 0°C. Chúng ta không nên nhầm lẫn điều này với thực tế là hệ số Ostwald, tương tự như hệ số Bunsen, sẽ giảm dần khi nhiệt độ tăng lên.

Hệ số phân tán (partition coefficient) là tỷ lệ giữa số lượng phân tử khí ở một pha so với số lượng phân tử khí ở một pha khác khi hai pha này đã đạt được trạng thái cân bằng. Nếu một pha là chất khí và pha còn lại là chất lỏng, hệ số phân tán chất lỏng/chất khí sẽ hoàn toàn giống với hệ số Ostwald. Các nhà nghiên cứu cũng sử dụng các hệ số phân tán để mô tả sự phân chia giữa hai môi trường (ví dụ: dầu/nước, não/máu, v.v.).

Định luật khuếch tán Graham (Graham’s law of diffusion) chi phối ảnh hưởng của trọng lượng phân tử (molecular weight) lên sự khuếch tán của một chất khí qua một hỗn hợp khí. Tốc độ khuếch tán qua các lỗ hở hoặc qua các tấm xốp tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của trọng lượng phân tử. Yếu tố này chỉ có tầm quan trọng trong phần dạng khí của con đường dẫn truyền giữa không khí môi trường xung quanh và các mô, và nhìn chung, chỉ đóng vai trò quan trọng khi trọng lượng phân tử lớn hơn trọng lượng phân tử của khí oxy hoặc khí carbon dioxide. Định luật Graham không liên quan đến quá trình ‘khuếch tán’ qua màng phế nang – mao mạch (alveolar-capillary membrane).

Định luật Dalton về áp suất riêng phần (Dalton’s law of partial pressure) phát biểu rằng, trong một hỗn hợp các chất khí, mỗi chất khí tạo ra một mức áp suất bằng đúng với mức áp suất mà nó sẽ tạo ra nếu nó chiếm toàn bộ thể tích đó một mình (xem Hình 35.8). Mọi người gọi áp suất này là áp suất riêng phần (partial pressure), và tổng của các áp suất riêng phần bằng với tổng áp suất của hỗn hợp đó. Do vậy, trong một hỗn hợp gồm 5% khí carbon dioxide trong khí oxy ở mức tổng áp suất là 101 kPa (760 mmHg), khí carbon dioxide sẽ tạo ra một áp suất riêng phần là 5/100 x 101 = 5,05 kPa (38 mmHg). Hiểu theo các thuật ngữ chung:

PCO2 = FCO2 x PB

Trong khí phế nang (alveolar gas) ở ngang mực nước biển, có khoảng 6,2% là hơi nước, tạo ra một áp suất riêng phần là 6,3 kPa (47 mmHg). Do đó, áp suất sẵn có cho các chất khí khác là (PB – 6,3) kPa hoặc (PB – 47) mmHg. Các nhà nghiên cứu thường đo lường nồng độ của các chất khí trong pha khí khô (dry gas phase), và do vậy, chúng ta cần phải áp dụng sự hiệu chỉnh này đối với lượng hơi nước ở trong phổi.