ST-dag i medicinsk fysik 180406

Anestesiologisk Fysik

AnestesiologiAn: UtanAisthēsis: Känsel/-la; smärtaLogi: Läran om

Physis eller physikos: Natur(-ligt)

Fysik

U = RI

PV = nRT

6.022 x 1023 PV = kV = kTP = kT

Q = p * Δ P * r4 / (8 * h * l)

HenryCharlesBoyleDaltonFourierPascalOhmPoiseuilleBernoulliReynold

1 Atm = 101.33 kPa = 760 mmHg ≈ 1 Bar = 14.5 PSI ≈ 10 m H2O

1 N = 1 kg * m / s2

9.81 m/s2

T = 2 * P * RTryckVolymTemperaturSpänningFlödeResistensEnergiViktViskositetDensitetLjudLjus, röntgenN2O & Entonox & CO2

SVPH2O = 6.3 kPa

GastryckDiffusionOsmos(Topp-)flödeNoggrannhetPrecisionMätning

P = P1 + P2 + ... + Pn

E = mc2

SI-enheterSystème International d’unités

Enhet Symbol Storhet Variabel

meter m Längd l

kilogram kg Massa m

sekund s Tid t

ampere A (Elektrisk) ström I

kelvin K Temperatur T

candela cd Ljusstyrka Iv

mol mol Antal n

Observera• kilogram• A = C/s• Symbolen m är inte samma sak som variablen m!

1/299792458 s

The duration of 9,192,631,770 periods of the radiation corresponding to the transition between the two hyperfine levels of the ground state of the cesium 133 atom.

1 C = 6.2415 x 1018 e-

1 cd = 1/683 W/sr vid 540 x 1012 Hz

Härledda EnheterALLA andra!

Volt = ?

= Spänningen mellan punkterna A och B = ?

= Den energi (alltså joule) som krävs för att flytta en laddning (alltså C) från punkten A till B = ?

= J / C = ?= Nm / C = ?

= kgm / s2 * m / As

Hastighet = l/t = km/h = m/s

Volym? Liter?

= kgm2 / As3

1 N = Den kraft som krävs för att ge massan 1 kg en acceleration av 1 m/s2

PrefixPrefix Symbol Faktor

yocto- y 10-24

zepto- z 10-21

atto- a 10-18

femto- f 10-15

pico- p 10-12

nano- n 10-9

micro- 10-6

milli- m 10-3

centi- c 10-2

deci- d 10-1

deca- da 101

hecto- h 102

kilo- k 103

mega- M 106

giga- G 109

tera- T 1012

peta- P 1015

exa- E 1018

zetta- Z 1021

yotta- Y 1024

MekanikJämvikt, rörelse och krafter

Tryck = N/m2 = Pa

Normalt lufttryck = 101.33 kPa = 1 atm = 1013 mbar = 760 mmHg = 1033 cmH2O

Arbete = Nm = J

Energi = J

Effekt = J/s = W

1 Wh = 3600 Ws = 3600 J/s*s = 3600 J

1 kWh = 3600 kJ = 3.6 MJ

1 J = 0.239005736 cal

1 kWh = 0.64

Kraft = N = kgm/s2

1 kcal = 4.2 kJ

MekanikTyngd = kraften som orsakas av jordaccelerationen (g = 9.81 m/s2)

Fnet = ma

Fgrav = mg

Fnet = Fgrav

ma = mg

a = g

(N = kgm/s2)

MekanikEnergi (E)= J = Nm = kgm2/s2

Energi (till skillnad från glass) är konstant och oförstörbar.

Termodynamikens första lag

F=mg

Ep = mgy

Ek = ½mv2

TryckEnhet: Kraft per ytenhet = F/A = N/m2 = Pascal = Pa

Andra enheter: 1 atm = 101.33 kPa = 760 mmHg = 1.013 bar = 10.33 m H20 = 14.7 PSI

Gaslagar• Allmänna gaslagen: PV = nRT• Ptotalt = P1 + P2 + ... +Pn

(Hg) = 13.6 g/cm3

Boyles lag: PV=kCharles lag: V=kTDaltons lag: Ptotalt=P1+P2+...+Pn

P18V18=k =P0V0

V0=P18V18/P0

V0=2.8*0.2/1=0.56 ml

Gaslagar• P x V = n x R x T P = tryck (pascal)

V = volym (liter)n = antal molR = allmäna gaskonstanten 8.314472 (J/mol x K)T = temperatur (Kelvin)

• Avogadros hypotes: Detta gäller oberoende av vilken gas (ideal)• En mol upptar 22.4 liter vid STP• STP = 0°C (273.15 K)

1 atm (760 mmHg = 101.33 kPa)• Avogadros tal = 6.022 x 1023 = antal partiklar i en mol

P1 P2 P=?

=+

Adiabatiska förändringar• Adiabatisk förändring = förändring utan värmeutbyte med omgivningen

• Adiabatisk kompression av gas – temperaturen ökar!– Cykelpump– Tryckkammaren

• Adiabatisk expansion – temperaturen minskar– Snabb tömning av gasflaska– Kryoprob

• Ovanstående är INTE en följd av gaslagarna

Tryck

1 m2

Hur många cmH2O är 1 atmosfär?

1 atm ≈ 100 kPa = 100 000 Pa = 100 000 N/m2 ≈ 10 000 kg/m2 = 10 000 l H20/m2 = 10 m3 H20/m2

1 atm = 10 meter vattenpelare

Det är inte pumpen som suger – det är lufttrycket som trycker upp vattnet

Ingen pump kan suga högre än 10 meter (vid tryck 1 atm)

Om brunn > 10 meter: pumpen måste ner i brunnen!

Tryck, Gaser & VätskorHenrys lag: P=KHc

Tryck, Gaser & Vätskor• 1 bar ≈ 1 atm (1013 mbar = 1 atm)

• Sjukhuspipeline: 4 bar• Instrumentluft: 12 bar

• Flaskor: > 100 bar (137 bar i O2)

• Kräver regulator• Kan innehålla vätska - kritisk temperatur…

• 5.3 kPa = 40 mmHg (pCO2)• 13 kPa = 100 mmHg (pO2)• 10 mmHg = 13.6 cm H2O (CVP)

Kritisk TemperaturDen högsta temperatur vid vilken en gas över huvud taget kan förekommai vätskeform

Vid ännu högre temperatur aldrig vätska, oavsett hur högt tryck!

• O2 - 183 °C• N2 - 195 °C• N2O + 36.5 °C• CO2 + 31 °C• Entonox - 7 °C

(=50/50 O2/N2O)

O2Gas

137 bar

CO2Vätska

ca 50 bar

EntonoxGas

137 bar

N2OVätska

ca 50 bar

LuftGas

137 bar

Kritisk Temperatur

19

Gastubologi 1Fast i hissen:

Hur länge räcker en halvfull 10-liters syrgastub vid 12 liter/minut?

137 / 2 = halva trycket = ca 70 bar

P x V = n x R x TLångsam tömning - Antag konstant temperatur

P minskar 70 ggr, då måste V öka 70 ggr10 liters tub, alltså 700 liter syrgas

700/12 = 58 minuter

20

Gastubologi 2Hur länge räcker en halvfull tub med lustgas vid 12 liter/minut?

Hmm… vätska…

Manometern visar…. ?50 BarCylindern full ! ?

Lustgastuber måste vägas !Gäller även CO2 förstås

Entonox• Kritisk temperatur: -7 °C

• Under -7 °C separation:

• Tömning av kall tub:Först kommer ren O2Sedan kommer ren N2O…Farligt!

• Vid kall väderlek:Måste lagras inomhus (>5°C) minst 24 timmar före användning

O2 gas

N2O vätska

< -7°C

Väggspänning (tension)• Enhet: N/m

• Cylinder: T = P x R

• Sfär: T = 1/2 x P x R

• Större radie – lägre tryck (vid samma väggspänning)Större radie – högre spänning (vid samma tryck)

• Blåsa upp en ballong• Hjärtförstoring – sämre prestanda• Ytspänning i alveoler – svårt öppna, lättare hålla öppet!

En yta

F

F

Avdunstning• Kräver energi• Ångbildningsvärme (latent heat of vaporization; ångbildningsentalpi):

den mängd energi/värme som måste tillföras en vätska för att den ska övergå till gas.

• Jämför kritisk temperatur

Vatten: Ca 2.1 MJ per kg vid 37 grader, dvs 1000 kcal per 2 kg vatten som avdunstar

Bensin förbränning ger 34.2 MJ per liter (= 8000 kcal)

Temperaturen då SVP är samma som omgivningstrycket: vätskans kokpunkt!

Ångtryck, mättnadstryckÅngtryck = Vapor pressure = partialtrycket för gasformenav en vätska.

Mättnadstrycket stiger med ökande temperatur

Koka ägg på Mount Everest?

Koka ägg i tryckkammaren?

Tryckkokare?

Söva i Denver?

Mättnadstryck (saturated vapor pressure, SVP) ärångtrycket vid jämvikt.