Il Sistema Respiratorio. Fisica Medica

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1 Il Sistema Respiratorio

2 La respirazione Trachea Bronchi Muscoli del diaframma I muscoli che controllano la respirazione fanno variare volume e pressione interna ai polmoni Fase Inspirazione Espirazione Riposo Volume interno Aumento di Volume Diminuzione di Volume Volume Costante Pressione interna Diminuzione di Pressione P INT < P ATM Aumento di Pressione P INT > P ATM Pressione Costante P INT = P ATM

3 Valori tipici di pressione e volume nella respirazione Differenza Pressione (mm Hg) Volume (litri) Inspirazion e Espirazione Tempo (s) Il periodo di un atto respiratorio è di circa 4 secondi Le variazioni di pressione tra interno ed esterno sono dell ordine di 1 mm Hg (circa 100 Pa) Il volume d aria inspirato è di circa 0.6 litri, in condizioni di riposo La variazione di volume tra minimo e massimo (= volume inspirato) è detto Volume Corrente La frequenza respiratoria e il volume inspirato variano notevolmente in condizioni di affaticamento Tempo (s)

4 Volume interno dei Polmoni Volume interno (litri) Capacità polmonare totale Capacità vitale Volume residuo Atto resp. profondo Con una inspirazione profonda e successiva espirazione forzata si raggiunge il volume massimo e minimo dei polmoni La differenza tra questi valori è detta Capacità vitale Tempo (s) Il volume minimo è detto Volume residuo La somma tra Volume residuo e Capacità vitale corrisponde alla Capacità Polmonare totale

5 Lo Spirometro Filtro per CO 2 Contrappeso Penna Rotolo di carta Il paziente utilizza l aria contenuta dentro una camera di espansione Il volume interno della camera varia con la respirazione Per evitare l affaticamento un contrappeso bilancia il coperchio superiore a tenuta d aria L aria viene depurata tramite un filtro che cattura la CO 2 Un registratore a carta (o equivalente) registra gli spostamenti del coperchio corrispondenti alle variazioni di volume Il volume diminuisce a causa del consumo di O 2 e della cattura della CO 2

6 Misura del volume di O 2 consumato Volume Tempo La variazione di Volume tra inizio e fine registrazione corrisponde al volume di O 2 consumato durante il tempo di misura Il volume di O 2 consente di valutare l energia consumata dall organismo In condizioni di riposo e dopo 18 ore di digiuno si misura il Metabolismo Basale (energia minima consumata per le funzioni vitali) Il Metabolismo Basale, per un individuo sano di peso medio, è di circa 1700 Kcal/giorno

7 Bilancio energetico dell organismo Q E L C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O kcal L energia E disponibile a seguito delle reazioni di ossidazione dei cibi è trasformata in piccola parte in Lavoro L e in gran parte in Calore Q L Energia prodotto dal metabolismo può essere dedotta dal consumo di Ossigeno 6 Moli di O 2 bruciato producono 666 kcal, quindi 111 kcal / Mole In termini di Volume (1 Mole : litri) circa 5 kcal/litro Il valore è valido per la reazione di ossidazione del glucosio, il metabolismo di grassi e proteine produce analoghi valori di energia per unità di volume di ossigeno consumato

8 Energia metabolica nei cibi C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O kcal/mole Peso Molecolare del Glucosio : 6 x 12 = 72 (C 6 ) 12 x 1 = 12 (H 12 ) 6 x 16 = 96 (O 6 ) = Mole di Glucosio: 180 grammi Dalla ossidazione di una Mole di glucosio (C 6 H 12 O 6 ) si ottengono 666 kcal (kilocalorie) Si ottengono 666 kcal con 180 g Cioè 666/180 kcal/g = 3.7 kcal/g Ovvero 3700 kcal/kg Zuccheri e carboidrati producono simili quantità di energia metabolica Zucchero : 3500 kcal/kg Pane (anidro) : 3500 kcal/kg il pane fresco contiene una notevole quantità di acqua

9 Ossigeno per il metabolismo C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O kcal/mole Energia per Mole di Ossigeno : 666 kcal/6moli 111kcal/Mole 1Mole di Ossigeno: litri Energia per litro di Ossigeno : 111 kcal/22.4litri 5kcal/litro Per ossidare una Mole di glucosio occorrono 6 Moli di ossigeno Si ottengono 666 kcal con 6 Moli Cioè 666/6 kcal/mole = 111 kcal/mole 1 Mole di gas occupa un volume di litri (in condizioni standard ) 111 kcal/mole=111 kcal/ litri= 5 kcal/litro Quanti litri di ossigeno vengono assimilati giornalmente? Quanti litri di ossigeno vengono respirati giornalmente?

10 Ossigeno assimilato giornalmente Energia per litro di Ossigeno : 5kcal/litro Metabolismo basale : 1700 kcal/giorno Quanti litri di Ossigeno per il Metabolismo basale : (1700 kcal/giorno) / (5 kcal/litro) Ogni litro di Ossigeno assimilato produce 5 kcal Ogni giorno, in condizioni di riposo, occorrono circa 1700 kcal (Metabolismo Basale) Per produrre 1700 kcal occorrono 340 litri di Ossigeno (1700/5=340) Quindi ogni giorno vengono assimilati 340 litri di Ossigeno. Ma quanti litri di ossigeno vengono respirati giornalmente? = 340litri/giorno

11 Volume di aria respirata giornalmente Volume corrente : 0.7 litri Frequenza respiratoria : 15respiri/minuto Volume d aria inalato in 1 minuto 0.7 x 15 = 10.5 litri Minuti in 1 giorno 60 x 24 = 1440 Volume d aria inalato in 1 giorno 10.5 x 1440 = litri La variazione del volume interno dei polmoni è di circa 0.7 litri per ogni atto respiratorio (è detto Volume Corrente) In condizioni di riposo, il numero atti respiratori compiuti in 1 minuto è pari a circa 15 Facendo un semplice calcolo si ricava che ogni giorno vengono inalati circa litri di aria, cioè 15 metri cubi

12 Volume di Ossigeno respirato giornalmente Volume d aria inalato in 1 giorno : litri Percentuale di Ossigeno nell aria : 21 % = 0.21 Volume di Ossigeno inalato in 1giorno : x 0.21 litri = 3175litri Volume di Ossigeno assimilato in 1giorno : 340litri Frazione assimilata : 340/3175 = 0.11 = 11% L aria è una miscela di vari gas, i più importanti sono : Azoto 79% - Ossigeno 21% litri d aria contengono 3175 litri di Ossigeno Giornalmente viene respirato un volume di Ossigeno pari a 3175 litri Non tutti i 3175 litri di Ossigeno vengono assimilati Solo 340 litri sono assimilati Corrispondenti ad una frazione pari a 11%

13 Consumo energetico giornaliero dei vari organi Organo Cuore Polmoni Reni Fegato, Milza Cervello Muscoli Rimanente Totale Energia metabolica kcal/giorno Gran parte della Energia Metabolica viene convertita in Calore, che consente all organismo di mantenere la temperatura corporea costante Il Calore prodotto compensa il Calore perduto dall organismo per irraggiamento termico o nella evaporazione del sudore o nella emissione di vapore e aria calda con la respirazione Anche l Energia impegnata per lavoro idraulico (Cuore) o lavoro elettrico (Cervello) o lavoro chimico (Fegato) viene convertita in Calore Tutta l energia metabolica viene irraggiata sotto forma di Calore, quindi in una giornata (86400 s) viene emessa Energia termica per 1735 kcal (1735 x 4186 J) Ciò corrisponde ad una potenza termica di oltre 80 W!

14 Potenza termica del corpo umano Metabolismo basale : 1700 kcal/giorno Equivalente meccanico della caloria : 1cal = 4.186J 1kcal = 4186J 1700 kcal/giorno= 1700x4186J/giorno= J/giorno Secondi al giorno: 24x60x60 = 86400s Potenza termica : /86400J/s = 82 W Tutta l energia metabolica viene convertita in calore Tutto il calore prodotto viene eliminato tramite la respirazione, la sudorazione e l irraggiamento Se ciò non succedesse, la temperatura del corpo aumenterebbe di continuo Facendo i calcoli si ottiene che la potenza termica del corpo umano è di circa 80 Watt 12 persone scaldano una stanza come una stufa da 1000 Watt!

15 Quanta energia dai combustibili Carbone : C + O 2 CO kcal/mole Energia per Mole di Ossigeno : 111kcal/Mole Metano CH O 2 CO 2 +2 H 2 O kcal/mole di CH 4 Si consumano : 1 Mole di CH 4 e 2 Moli di O 2 Si produce : 1 Mole di CO 2 Con una Mole di Carbone (12 g) si ottiene 1 Mole di CO kcal Una mole di CO 2 = 44 g Si producono 44 g di CO 2 per ottenere 111 kcal : 44/111 g/kcal =0.4 g/kcal Con una Mole di Metano (16 g) si ottiene 1 Mole di CO kcal Si producono 44 g di CO 2 per ottenere 222 kcal : 44/222 g/kcal=0.2 g/kcal A parità di energia prodotta (1 kcal), il Metano inquina la metà rispetto al Carbone (0.2 g di CO 2 anziché 0.4 g)