高气压对机体的影响.ppt

高气压对机体的影响 第一节 气体的基本物理定律 一、波义耳-马略特定律 二、查理定律 三、盖-吕萨克定律 四、道尔顿定律 五、亨利定律与溶解系数 六、气体的密度 七、气体的扩散 八、气体的比热容和热传导 第二节 高气压对机体的影响 一、压力本身对机体的机械作用 二、高气压对机体各系统的影响 当人体直接暴露于高气压环境（潜水、加压舱 内进行加压锻炼、接受加压治疗或高压氧治疗等） 时，必须呼吸与外界压强相等的压缩空气或氧气（ 如高压氧治疗或潜水吸氧减压时）或人工配制的混 合气体。由于吸入气体的气压升高以及该气体的各 组成成分的分压也相应升高。这样，除压力本身对 机体将产生机械作用，同时各组成气体由于分压的 升高也将产生一系列的生理变化。 为此，在学习潜水生理学和潜水医学专业之前 ，有必要了解和掌握气体的基本物理知识和高气压 对机体的影响。 第一节 气体的基本物理定律 物质有三种聚集状态：固态、液态和气 态。 与固体、液体相比，气体分子间距离最 大，密度最小，引力也最小，因而气体分子 的运动也最自由。气体的这些特性决定了它 具有明显的扩散性和可压缩性，没有固定的 体积和形状。 物质以哪一种物理状态存在，主要取决 于温度，部分取决于压力。 在一定的条件下，物质存在的物理状态 可以相互转化。 气态 液态 固态 O2：常温下为气态； 在-183时为淡蓝色的液态； 在-218时为淡蓝色的雪花状固体。 N2: 常温下为气态； 在-195.8时为无色的液态（医学研究中有时将活体标本保存在液氮中）； 在-209.86时为雪花状固体。 CO2：常压下为气态； 在常温下，当压强增大到60kgf/cm2时， CO2变成无色液 体，可以储存在钢瓶内； 当把液态的CO2从钢瓶内倒出时，其中一部分迅速蒸发并 吸收大量的热，使其余部分的液态的CO2温度急剧下 降，最后凝固成雪花状的固体。经过压缩后的CO2称作 “干冰”。这是一种良好的制冷剂，利用它可以产生 - 78的低温。 给一定质量的气体加大压力时，它的体积 会缩小且温度升高；而减少压力时它的体积 会膨大且温度降低。 因此，要表明一定质量气体的物理状态 ，必须要用压强、体积和温度这三个物理量 来描述，这三个物理量相互联系，相互影响 。 描述这三个物理量之间相互变化关系有 三个基本的气体物理定律。 一、波义耳-马略特定律 波义耳-马略特定律（Boyle-Mariottes law） 描述的是气体压强和体积之间的关系，即当温度不 变时，一定质量气体的体积和它的绝对压强成反比 。它的物理意义是：当温度不变时，一定质量气体 的绝对压强和它的体积的乘积是一个恒量。 如用数学式表示可写成： PV=K 或 P1V1=P2V2 一定质量的气体体积同它的绝对压强成反比（温度不变时 ） 压强（kPa）（abs）体积（L） 1008 2004 4002 8001 波义耳-马略特定律可用“分子运动论” 来解释。气体对容器内壁的压强，是由于气 体分子在运动中碰撞器壁而产生的，当一定 质量的气体体积缩小到原来体积的1/n时，则 每单位体积内的气体分子数目就增大到原来 的n倍。因此，在容器内壁单位面积上每单位 时间里所受到气体分子的碰撞次数也就增加 到原来次数的n倍。这样气体压强也就增加到 原来压强的n倍。气体体积增大时，则压强发 生与上述相反的变化。 计算举例： （1）有一只空气储气瓶，它的容积是0.41m3，瓶内气体 压强（在高气压医学专业中，压强一般均以表压表示 ）为15MPa（150kgf/cm2），假定在温度不变的情况下 将瓶内气体压力降至常压，那么所排出气体的体积是 多少？ P1=15.1MPa（abs） V1=0.41m3 P2=0.1MPa V2=P1V1/P2=(15.10.41)/0.1=61.91m3 由于储气瓶内最后仍会留有0.41m3常压气体，所以 排出气体的体积只有61.91m3-0.41m3=61.5m3。 高气压医学中，实际计算气瓶内在常压下可输出 气体的体积时，常简化成将储气瓶容积乘以表压的倍 率，即V=V储P表压/P常压。所得出的值亦称为该储气瓶 的储气总量，即： 0.41m315/0.1=61.5m3。 （2）当上述储气瓶内气体的压强由15MPa下 降到3MPa时，试问储气瓶向外排出了多少体 积的常压空气？ 0.41m3(15-3)/0.1=49.2m3。 （3）某加压舱主舱容积为20m3，假定温度保持不变，当 治疗DCS预计需加压至0.7MPa（7atm）时，所用压缩空气相 当于多少体积的常压空气？ 20m30.7/0.1=140m3 假设该单位有10个容积为400L的高压储气瓶，问储气瓶 中需达到多少压力？ 140m3（0.410）=35（atm） 当储气瓶内压力为0.7MPa(7atm)时，已无法将储气瓶 内的压缩空气注入加压舱，故必须将此压力计算在内， 35+7=42(atm） 另外，要使加压速率达到治疗要求（5min内达7atm， 至少应达1atm/min），故必须保持一定的空气余压加上治疗 过程中的通风量，因而“空气潜水医学保障规程”规定，加 压治疗时储气瓶内的储气量应能满足两次治疗的用气量，所 以储气瓶内的压力不得小于84atm，甚至更高些。 （4）在常压下，人中耳腔内含有空气量为2cm3， 在温度不变和咽鼓管阻塞的情况下，加压至0.15MPa 时，中耳腔内空气体积是多少？ P1=0.1MPa（abs） V1=2cm3 P2=0.25MPa(abs） V2=P1V1/P2=0.12/0.25=0.8cm3。 可以看出，病人在咽鼓管阻塞的情况下接受高压 氧治疗，由于环境压力增大，中耳腔内气体被压缩 ，可以导致鼓膜内陷甚至破裂。这应该引起高气压 医务工作者的足够重视。 在常压下，人中耳腔内含有空气量为 2cm3，在温度不变和咽鼓管阻塞的情况下， 加压至3m（有人甚至是2m）时就明显疼痛， 请计算这时的中耳腔内空气体积是多少？（ 精确到小数点后3位） 解：P1=0.1MPa（abs） V1=2cm3 P2=0.13MPa(abs） V2=P1V1/P2=0.12/0.13=1.538cm3。 (1.538/2=76.9%) 因此，在治疗前必须要教会病员咽鼓管吹张法 ；感冒患者要滴1%麻黄素或呋麻滴鼻液；加 压过程中一旦耳痛，应立即停止加压 例5：某单位加压舱主舱容积为18m3，如果在温度不变的情况下， 使舱内压力提高到7atm（表压），以治疗DCS，需要多少体积的常压 空气？如果该单位有容积为400L的高压气瓶10个，请问高压气瓶内压 力至少多少时才能满足治疗要求？ 根据题意：P1=1atm V1=？m3 P2=7atm V2=18 m3 代入公式：P1V1=P2V2 V1=P2V2/P1 =718/1 =126（m3） 126m3（0.4m310）=31.5（atm） 因为当气瓶中压力低于7atm时无法加压，所以应加上此压力，即 ： 31.5+7=38.5（atm） 为保证加压速度和通风量，根据规定，气瓶中储气量至少应满足2 次治疗用气量，因此其瓶中压力至少需： 38.52=77（atm） 二、查理定律 查理定律（Charles law）描述的是气 体压强与温度的关系，即：当气体体积不变 时，一定质量的气体，温度升高1，其压强 就增加0时压强的1/273。用公式表示即为 ： Pt=P0(1+t/273) 式中：Pt表示温度升至t时气体的压强， P0表示在0时气体的压强。 此公式在具体计算时比较复杂，如果采用“绝 对温标”来表示温度，则可以使查理定律的公式简 化，计算起来比较方便。 绝对温标，即热力学温标，或称开氏（Kelvin ）温标，显示的温度叫做“绝对温度”。通常用 “T”表示，其单位为“K”。绝对零度的温度定义 为0K。 水在标准大气压下结冰的温度，即摄氏温度0 ，或华氏温度32 ，相当于热力学温度273K。 绝对温度（T）和摄氏温度(t)的关系是： T=273+t 如果要将摄氏温度换算为绝对温度，可将摄氏温 度加上273。 如t=20 时，则：T=273+20=293K； 又如： t=-20 时，则： T=273+（-20）=253K； 采用绝对温度来表示温度后，查理定律的公式可以 简化为： P1/P2=T1/T2 公式推导： 将（2）与（3）相除，得： 即 ： . （1） （2） .（3） 因此，查理定律也可表述为：当体积不 变时，一定质量的气体，其压强与绝对温度 成正比。 采用“分子运动论”来解释，可以理解为： 温度愈高，气体分子的平均速度愈大，当一 定质量的气体在某一容器内（气体体积不变 ）受热而温度升高，气体分子对每单位面积 容器壁碰撞的次数就增加，同时，每次撞击 的力也增强，气体压强也就愈高。 计算举例1： 7时氧气瓶内压强为15MPa，如果将氧气瓶放在 热源旁，温度升高至44，瓶内氧气的压强将是多少 ？ P1=15+0.1=15.1MPa T1=273+7=280K T2=273+44=317K P2=P1T2/T1 =15.1317/280 17.1MPa（abs）。 计算举例2： 环境气温20时氧气瓶内压强为140kgf/2，如果将氧气瓶放 在夏天正午烈日下的水泥地上，水泥地面的温度高达65 ，问 这时氧气瓶内的压强是多少？ 根据题意：P1=14.1MPa T1=273+20=293K T2=273+65=338K 代入公式：P1/P2=T1/T2 P2=P1T2/T1 =14.1338/293 =16.3MPa(abs） =162f/2 由此可见，把高压气瓶存放在烈日下或热源旁，瓶内 气压将明显升高,这是很危险的。 计算举例3： 制氧厂灌装氧气时，充至瓶内压为15MPa（表压）时， 温度为48，存放24h后，气瓶温度下降至17 ，问此时瓶 内氧气的压强是多少？ P1=15.1MPa（abs） T1=273+48=321K T2=273+17=290K P2= P1T2 = 15.1290 =13.6MPa（abs） T1 321 即表压为13.5MPa（135atm） 三、盖-吕萨克定律 盖-吕萨克定律（Gay-Lussacs law）描述的 是气体体积与温度的关系，即：在压强保持不变时 ，一定质量的气体，温度每升高1，其体积就增加 0时体积的1/273。用公式表示即为： Vt=V0(1+t/273) 式中：Vt表示温度升至t时气体的体积，V0表示在0时气体的体积。 此公式也像查理定律那样，采用绝对温度来度量 温度，则公式可以简化为： V1/V2=T1/T2 公式推导： （2）式除（3）式，得： 即： .（1） .（2） （3） 盖-吕萨克定律也可表述为：当压强不变时，一 定质量的气体，其体积与绝对温度成正比。 采用“分子运动论”来解释，可以理解为：当 一定质量的气体受热而温度升高时，如果要使它的 压强保持不变，那只须让它的体积增大，这时，一 方面因温度升高，分子运动速度加快，气体分子对 单位面积容器壁的碰撞次数增多，每次碰撞的作用 也增强，有使压强增大的趋势；另一方面因体积增 大，气体分子对单位面积容器壁的碰撞次数减少， 有使压强减小的趋势。这两种相反的趋势相互完全 抵消时，可以使压强保持不变。 计算举例1： 一定质量的气体在2时，体积为10L， 如压强保持不变，气体在57时的体积为多 少？ V2=V1T2/T1 =10(273+57)/(273+2) =12L。 计算举例2： 一定质量的气体在5时体积为40L，假 定压强保持不变，试问气体在35 时体积将 为多少？ V2=V1T2/TI =40（273+35）/（273+5） =44.3（L） 附：气体的体积、压强、温度之间的关 系气态方程 以上所讨论的三个定律，只有在压强、 体积、温度三个量中有一个量不变的情况下 ，才能推算出其它两个量的关系，但在自然 界所发生的现象里，决定气体状态的三个物 理量压强、体积和温度往往同时在发生 变化，因此，确定一定质量的气体的压强、 体积和温度在变化中的相互关系是非常重要 的。 设气体在初始状态时，压强、体积和温度分别为P1、V1 和T1,经过一系列变化后，这三个物理量分别变化成了P2、 V2和T2, 则理想气态方程的公式为： P1V1/T1= P2V2/T2 式中： P1初始压强； V1初始体积； T1初始温度（绝对温度） ； P2变化后的压强； V2变化后的体积； T2变化后的温度（绝对温度） ； 这就是气态方程。从气态方程可以知道，一定质量的气 体其压强、体积和温度三个参数都为变量时，气体的压强与 体积的乘积除以绝对温度所得的商，在状态变化中总是保持 不变的。 计算举例1： 在常压下（即1 atm abs），环境温度20 ，空气体积为19m3，把它压入5m3的加压舱， 舱内压强上升到4 atm abs，温度将是多少？ 按公式：P1V1/T1= P2V2/T2 已知： P1= 1 atm abs，V1= 19m3，T1=273+20=293 k P2= 4 atm abs，V2= 5m3， T2=？ 代入公式得： T2=P2V2T1/P1V1=308.4k=35.4 因此，温度将是35.4 计算举例2： 常压下（1atm abs）环境温度28，把140m3的空气压 入20m3的加压舱，此时舱内压上升到7atm，问此时舱 内温度将是多少？ 按公式：P1V1/T1=P2V2/T2 已知：P1=1atm abs V1=140m3 T1=273+28=301K P2=8atm abs V2=20m3 T2=？ 代入公式：T2=P2V2T1/P1V1 =820301/1140 =344K =71 所以，夏季使用加压舱： 1.要有空调设备，最好先预冷。 2.气源不能直接暴露在阳光下。 计算举例3： 某加压舱主舱容积为18m3，要将126m3的常压空气压 入加压舱使舱压升至0.7MPa（表压），环境温度26，在 无空调设备的情况下，请问舱温在加压完毕时达多少？ 根据题意： P1=0.1MPa V1=126m3 T1=273+26=299K P2=0.8MPa V2=18m3 T2=？ 代入公式：P1V1/T1=P2V2/T2 T2=P2V2T1/P1V1 =0.818299/0.1126 =341.7K =68.7 在这里必须明确，上述气体定律固然是 根据一定的实验结果总结出来的，但从更精 确的研究知道，一切实际气体都只是近似的 符合这些气体定律，尤其在低温和高压下存 在一定的偏差。尽管如此，我们采用上述气 体定律进行计算就简单多了。 四、道尔顿定律 混合气体是将互相不起化学反应的几种气体混 在一起，由于各种气体的分子运动而均匀混合的气 体。混合气体所产生的压强叫做总压，各组成气体 单独占有容器所产生的压强叫做分压。道尔顿定律 （Daltons law）描述的是混合气体总压与各组成 气体分压的关系，即：当温度不变时，混合气体总 压是各组成气体的分压之和。以公式表示即为： P=P1+P2+P3+Pn 式中：P表示混合气体总压，P1、P2、P3、Pn表示各组成气体的分压。 知道了各组成气体的分压就可以求出混合 气体的总压;已知组成气体在混合气中所占的 百分比，就可以推算出某一组成气体的分压 值，其公式为： Px=PC% 式中：Px表示某一气体的分压， P为混合气体的总压， C%表示混合气体中该气体的百分比。 例如： 空气为N2、O2、CO2等气体组成的混合气体，已 知空气中O2的体积百分比是20.93%、 N2为79.04%、 CO2为0.03%。而大气压强（常压空气的总压）以近似 值100kPa（1atm abs）计，则其中每一气体的分压可 按公式分别算出。 pO2 =100X20.93%=20.93kPa pN2 =100X79.04%=79.04kPa pCO2 =100X0.03%=0.03kPa 如果以mmHg作单位，则O2、N2、CO2的分压分别为： pO2=76020.93%=159.068160（mmHg） pN2=76079.04%=600.704600（mmHg） pCO2=7600.03%=0.228 =0.3（mmHg） 计算举例： 治疗DCS时，已知加压舱内压力位0.7MPa（表压） ，舱内O2和N2的体积百分比分别为21%和79%，计算舱内 的pO2和pN2各为多少？ pO2=PC%=0.8MPa21%=0.168MPa(abs) pN2=PC%= 0.8MPa79%=0.632MPa(abs) 在高气压医学中，应强调指出的是，混合气体中某 一组成气体对机体生理功能的影响，直接决定于它的具 体分压值（习惯上分压值或某一单纯气体的气压值均用 绝对压表示），而不决定于它在混合气体中的体积百分 比。在压缩空气中，各组成气体的百分比并没有改变， 但是它们的各自分压却随着总压的提高而增加。 例如：在常压下若吸入气中含1.5%的CO2，其分压 值为1.5kPa，此时人完全可以耐受；当在400kPa(4 atm abs)的压力下吸入含1.5%CO2的空气，则CO2分压将为 400X1.5%=6kPa(45.6mmHg)，经过一定时间将会出现明 显的CO2中毒症状。 五、亨利定律与溶解系数 气体与液体接触（直接接触或隔着气体可透膜 ）时，气体可借分子运动而扩散入液体内，这就是 气体溶解于液体。气体溶解于液体是气体分子分布 于液体分子间隙内，而不是游离状态。 在一定温度下，1个绝对压的一种气体，溶解于 1ml某液体中的ml数，称为该气体在那种液体内的溶 解系数。通常溶解系数大就表示在液体中的溶解量 多。气体在液体中的溶解量随气体及液体的性质而 不同，同时也随温度及液体表面上气体的分压值而 有所改变。 在潜水生理学和潜水医学中 把溶解于液体中的某种气体分压，称为该种气体的“张力” （一）气体的溶解同温度的关系 在不同的温度条件下，同一气体的溶解系 数也不同。一般，温度愈高，溶解系数愈小 。 例如：在0时氧在水中的溶解系数为 0.049，而在37时为0.024；在40时为 0.023。 （二）气体的溶解与气体分压的关系 气体在溶液中的溶解量同它本身的分压值有关 。分压愈高，溶解量愈大；分压愈低，则溶解量愈 小。混合气体溶解于液体时，每一组成气体的溶解 量与各自的分压成正比，而与混合气体的总压无直 接关系，此即亨利（Henry）定律。 例如：37时氮在水中的溶解系数为0.013， 空气中N2的分压为76079%600mmHg，因此1ml水 在常压空气（1 atm abs）中所溶解的氮量为 0.013600/7600.01026ml；而在5 atm abs的空 气中， N2分压也增至5倍，这时1ml水中所溶解的氮 量为0.010265=0.0513ml。 如果液体先暴露于高压混合气体下，经 过一定时间后气压降低（即减压），则在高 压下溶解于液体内的各组成气体便逸出，直 到各组成气体在液体内的张力（溶解于液体 内的气体的分压通常称为“张力”）同液体外各 自的分压平衡为止。张力与分压的差值（“压 差梯度”）愈大，则逸出愈快（即单位时间内 逸出的量多）；反之，则愈慢。 （三）气体的溶解同气体性质的关系 在相同温度下，不同气体在同一种液体内的溶解系数 不同， 37时气体的溶解系数和脂水溶比 气体名称在水中在油中脂水溶比 氢气0.0170.0362.1 氦气*0.00870.0151.7 氮气0.0130.0675.2 氧气0.0240.1205.0 氩气0.02640.1405.3 二氧化碳0.560.8761.6 氪气0.04470.4309.6 氙气0.0851.70020.0 氡气0.1519.000126.6 *He的溶解系数在温度超过30 时将会增加 （四）气体的溶解与液体性质的关系 相同温度与压强下，一种气体在不同液体内的溶 解系数不同。 一种物质在不同溶剂中的溶解系数之比，简称为 “溶比”（分配定律）。一种气体在脂类和水中的溶 解系数之比，称为该气体的“脂水溶比”。 各种气体的脂水溶比不同，见表。由于氦的溶解 系数及脂水溶比均小于氮（氮为5.2，氦为1.7），因 此在相同压强和温度下，氦在机体组织中溶解量要比 氮少，从血液转移到组织的量也比氮少。 六、气体的密度 单位体积中物质的质量叫物质的密度。以公式表 示，即为：D=M/V 式中：D表示密度；M表示质量；V表示体积。 与液体和固体相比，气体的密度最小。 在不同的压强和温度下，固体和液体的体积变化 是很小的，因此，他们的密度变化也很小。但是气体 在不同的压强和温度下，体积会发生明显的变化，因 此，它的密度也会随之发生相应的变化。一般来说， 在压强保持不变时，一定质量气体的密度与温度成反 比；而在温度保持不变时，密度与压强成正比。 例如：在0和1 atm abs（标准状况下）空气的 密度为1.3g/L,在5 atm abs下，因空气的体积缩小到 常压时的1/5，他的密度也随之增加5倍，为6.5g/L。 在0和1个绝对压（标准状况）下，1L 干燥气体的质量称为气体的标准密度 名称密度名称密度 空气1.30氩气1.79 氢气0.09二氧化碳1.97 氦气0.18氪气3.73 氖气0.90氙气5.88 氮气1.26氡气9.78 氧气1.43 标准状况下的气体密度（g/L） 在实际应用中，通常以空气密度为1，把其它气体的密 度与空气密度相比（温度和压强相同的情况下）而得出的 比值，称为相对密度 名称密度名称密度 氢气0.069 5 氩气1.37 9 氦气0.138 0 二氧化碳 1.52 9 氖气0.695 0 氪气2.86 8 氮气0.963 0 氙气4.52 5 氧气1.100 0 氡气7.52 6 各种气体的相对密度（空气密度为1） 了解各种气体的不同密度及在不同压强 下气体密度的改变，对于学习高气压医学是 很重要的。例如：气体密度与呼吸阻力有关 ，当气体被压缩时，密度增加，呼吸阻力增 大，对呼吸肌的负荷及肺的换气功能有一定 的影响。又如，氦气密度小于氮气，在相同 压强下，氦气的呼吸阻力就比氮气小，这也 是潜水作业中用氦代替氮的原因之一。 七、气体的扩散 由于微粒（分子、原子等）的热运动而产生的 物质迁移现象，称为扩散。 固体、液体和气体都有扩散现象。气体分子间 作用力很小，分子运动自由，运动速度也快，因此 ，扩散作用最明显。 一种气体与另一种气体接触时，两种气体可借 扩散作用而均匀混合；气体与液体接触时，气体分 子也可借扩散作用而溶解于液体中直至平衡；气体 张力不等的两部分液体相接触或隔着半透膜时，气 体分子将从张力高的一侧向张力低的一侧扩散直至 平衡。 气体的扩散速度主要受气体的分压（张力）、 相对分子量或密度、溶解系数等因素影响。 气体总是从分压高处向分压低处扩散，压差梯 度愈大，扩散速度也愈快，两者成正比关系。 在相同的分压和温度下，气体的扩散速度与它 的相对分子量或密度的平方根成反比，此即格雷汉 （Graham）定律。例如，氦与氮的相对分子量分别 为4和28，它们的相对分子量平方根之比为2:5.3， 就这一点而言，氦的扩散速度为氮的2.56倍。 气体的扩散速度还与气体的溶解系数成正比。 例如：37时，氧与二氧化碳在水中的溶解系数分 别是0.024、0.56，就溶解系数而言，后者的扩散速 度约为前者的23倍。 必须指出，气体在机体内的扩散过程是很复杂 的，它除了受上述几种物理因素的综合性影响外， 同时还受到血流量、扩散面等因素的影响。 八、气体的比热容和热传导 （一）气体的比热容 质量为1g的物质，温度升高1时所吸收的热量 ，叫做该物质的比热容。比热容的单位为J/(g) 或kJ/(kg)。 气体受热时，它的体积和压强都会发生改变， 这对气体比热容的影响较大。因此，必须分别在气 体的压强不变而其体积可以改变，或气体的体积不 变而其压强可以改变这两种情况下研究气体的比热 容，前者称为等压比热容，后者称为等容比热容（ 表3-5）。 气体名称等压比热容等容比热容 二氧化碳0.840.63 氧气0.920.67 空气1.000.71 氮气1.050.75 一氧化碳1.050.75 水汽1.841.38 氦气5.233.14 氢气14.2310.09 各种气体的比热容 J/(g) 等压比热容要大于等容比热容，这是因 为在等压过程中，气体体积的膨大也完成了 一定的功，要消耗一部分热量，所以气体在 等压过程中比在等容过程中所吸收的热量要 多一些。由表3-5可见，氦的等压比热容是 5.23，而氮为1.05，因此氦的等压比热容比 氮大4倍，在潜水作业中，当用氦代替氮配成 混合气体供潜水员呼吸时，氦将比氮吸收更 多的热量。这对潜水员的体温调节有较大的 影响。 0时各种气体的导热系数 kJ/(mh) （二）气体的热传导 热传导是物体内各部温度 的均匀化过程，在此均匀化 过程中能量由温度高的地方 向温度低的地方传输，因此 ，可以说，热传导是能量的 运输过程。 物质的热传导性能通常 用导热系数来表示。导热系 数小则传导性能差。各种气 体的导热系数不同（表3-6） 。 由表3-6可见:氦的导热 系数约为空气的6.2倍，在采 用氦潜水时，人体将丧失更 多的热量，因此，必须采取 相应的保温措施。 气体 名称 导热 系数 与空气导热 系数之比 二氧化碳0.049340.61 氩气0.056870.71 空气0.080311.00 氮气0.082111.02 氧气0.083911.04 氖气0.159871.99 氦气0.496346.18 氢气0.568327.08 第二节 高气压对机体各系统的影响 在潜水医学中，气压高于常压即称为“高 气压”或“高压”。 高气压对机体的作用可分为两个方面， 即压力本身对机体的机械性（物理性）作用 和高压气体对机体各系统、各器官的生物生 理作用。 一、压力本身对机体的机械性（物理性）作用 压力本身作用于机体，依其作用方式不 同，分为均匀受压与不均匀受压两种情况。 机体均匀受压时无显著变化，仅在不均匀受 压时才受到显著影响，出现各种生理机能性 和病理损伤性变化。 （一）均匀受压 在常压下，每平方厘米面积上所受的大气压为1公斤力，即 1kgf/cm2，表示为0.1MPa。成年人的体表面积平均为1.5 1.6m2，因此，常压下成人体表面上所受的压力总和就达1516 吨。当人潜至90m水深时，体表面每平方厘米面积上将承受10公 斤力的压力（即1.0MPa），这样，整个体表所受压力值总和达 到150 160吨，但是，由于身体受压均匀，人们感觉不到身上 承受了压力。对于如此巨大的压力，曾引起过一些人的惊骇。 他们臆测，在这种压力下，人立刻会被压扁，即或不死，也引 起严重的机能障碍，如皮肤贫血、出血、呼吸困难等。然而， 科学研究和潜水实践表明，人们采用潜水装具、呼吸适宜的人 工配制的混合气体，在海中可潜到500m余的水深处或在加压舱 内承受相当于700m深度的静水压，并未因此发生病理损伤性变 化。迄今为止的资料表明，人们用适当的潜水装具，呼吸适当 的呼吸气进行水下作业时，只要操作正常，气量调节适当，则 主观上对这种巨大的压力并无感觉。 机体之所以能承受如此巨大压力，并不发生病理 损伤性变化的原因主要有两方面，一是水的不可压缩 性；二是因为压力的均匀作用。 人体组成成份中水占体重的70%，其余物质多溶于 水，而在一定的压强范围内水实际上是不可压缩的。 所以，潜水（加压）时只要增高的压力从各方面均匀 作用于机体，机体组织是能够承受的。同时，来自各 个方向的压力都相等，故不会引起组织的移位和变形 。对于一般不含气腔室的器官是如此，而对于象肺脏 、中耳鼓室、副鼻窦等含气腔室的器官，也由于潜水 员呼吸的是与水压相等的高压气体，这些气体进入呼 吸道和肺内，也经相应的通道进入中耳鼓室和副鼻窦 ，这样含气腔室内外压力相等，同机体各部之间无压 差存在，因而腔室壁也就不会被压缩、移位或变形。 当压力均匀地作用机体时，就目前潜水的最大深度来 说，高气压压力本身对机体未显示出机械损伤性作用 。 （二）不均匀受压 潜水时，不均匀受压有两种情况： 1、机体本身的固有含气腔室（以下简称“腔 室”），包括：肺、中耳鼓室、鼻窦、胃肠道，也 包括特殊情况形成的一些非固有的含气腔室，如与 外界不通畅的龋齿腔等）与外界压力不平衡； 2、通风式潜水装具与人体之间的含气空间、 轻潜水装具的呼吸面罩与潜水员面部之间形成的空 间、自携式潜水呼吸器的呼吸袋与潜水员呼吸道之 间形成的空间，当这些含气腔室和外界压力平衡不 适当时。 当外界压力变化时，机体实质性组织由于水的 不可压缩性，其体积不随压力的变化而改变；而机 体的含气腔室内如果压力不能或没有及时随外界压 力的升降相平衡，含气腔室内的气体将被明显压缩 或过度扩张，导致不均匀受压，引起组织移位、变 形、甚至出血、撕裂等损伤，称为“气压伤”（包括 肺气压伤、中耳气压伤、鼻窦气压伤）。潜水医学 中，习惯上把潜水装具（或潜水呼吸面罩）与人体 之间的“空间”内气压过低所引起的病理性损害叫做“ 挤压伤”（包括全身挤压伤、面部挤压伤）。 不均匀受压对机体造成的损伤与“压差”大小 直接相关。而“压差”主要表现在气体的体积上。 在不同的压力下（水深处），即使压力变化的幅度 相等，但气体体积增减的百分比却是明显不相等的 ，因此，“气压伤”或“挤压伤”多见于浅深度处 。 关于机体不均匀受压时，机体所发生的病理性 变化（即各类“气压伤”、“挤压伤” ）的发生原 因、临床表现、治疗和预防等将在以后的有关章节 中讨论。 二、高气压对机体的生理作用 人在高气压环境下，高压气体会引起机体一系列 复杂的生理功能改变。一般说来，无论是在常规潜水 中，还是在目前已达到的最大深度的饱和潜水中，高 气压的生理作用及其对机体产生的影响是一时性的、 可逆的，但若在高气压下暴露时间过久，或压力更大 ，是否会导致不可逆的病理改变，到目前为止，研究 的还不够。因此，了解高气压对机体各系统的影响， 掌握其变化规律，并在实践中不断发展这方面的认识 ，无疑对潜水医学的理论及对实际工作的指导与提高 都具有重要意义。 本节只涉及常规潜水中高气压对机体各系统的影 响，至于饱和潜水时高气压对机体各系统的影响将在“ 饱和潜水”章节中介绍。 （一）对血液系统的影响 1、红细胞和血红蛋白减少 大多数学者证明，在高气压作用下，体内的红细胞 和血红蛋白含量均减少，减少数值各种材料不等，大约 红细胞可减少50100万/mm3，血红蛋白下降10%以上。 这种变化决定于气压的高低和高压下暴露时间的长短。 气压愈高，高压下暴露时间愈长，外周血液的这种变化 就愈明显。有人观察了沉箱工人的血液变化及其恢复情 况，发现在气压不超过0.2MPa（2 atm abs），离开高 气压环境后23d红细胞数即可恢复正常，而血红蛋白 恢复则较慢。在高气压下短时停留后血像无明显改变， 但人反复30d在380mmHg（相当于常压下吸50%O2）高分 压氧下，可见红细胞和血红蛋白均逐渐减少。 关于高气压下红细胞减少的原因，多数学者认 为是脾脏储存红细胞及红细胞破坏增多所致。显然 ，机体处于高气压下，由于血液中氧含量增加，作 为体内“运载”氧的主要“工具”的红细胞需要量 减少，部分被储藏于脾脏内，这乃是机体对氧过多 的一种代偿性反应。然而，这种储藏会使红细胞的 脆性增加而易于破坏，血液中胆红素、尿胆素原的 明显增加，表明了红细胞破坏的增多。有人应用同 位素标记方法作不同高压氧下红细胞寿命的实验， 发现0.1MPa（1 atm abs）氧压下长时间作用后，可 使动物体内幼年红细胞寿命从平均69.2d，缩短到 65.2d，氧压愈高愈明显。 关于造血机能，正常情况下骨髓处于低氧状态 ，低氧是刺激造血的因素之一。实验证明，在高压 氧下长时间停留造血机能受到抑制，红细胞和血红 蛋白合成减少。但红细胞破坏后，又会引起机体一 些反应，如红细胞新生机能有所增加、网织红细胞 在外周血中增多以及骨髓像向大型红细胞增多方向 改变，这都标志着骨髓受到一定的刺激作用，可见 这些变化是多因素综合作用的结果。 鉴于在高气压环境下，机体红细胞遭破坏增多， 造血机能亢进，因此，潜水员的膳食中适当增加有 关营养，以利于血象恢复。 2、白细胞增多 我国和国外有关资料表明，在高气压作用下白 细胞数增加，其增长值与加压前相比可增加2040% ，尤以在大深度下呼吸混合气时为明显。白细胞分 类的变化多为中性粒细胞的百分比增加，而淋巴细 胞减少，但也有改变不大者。这一变化一般在离开 高压环境后2448h即可恢复。对于高气压下白细胞 增多的机理，总的来说尚不够明瞭，有人认为是高 气压下骨骼造血机能亢进的结果，也有人认为是机 体的一种应激反应的表现。 3、血小板减少 动物或人，在实际常规潜水或 模拟潜水后，循环血小板量均有减损，这种现象通 常在潜水后24 48h出现，一般在潜水后第3天降 至最低，然后再逐渐回升。损失的血小板量平均约 为20%30%，个别甚至超过50%，重复暴露可使血 小板进一步减少，恢复时间也推迟。 关于潜水后血小板减少的原因，大致有2个： 一是加压的影响。由于加压（在密闭环境中），心 理、生理应激可使儿茶酚胺的分泌增加，促进血小 板聚集，导致循环血小板量减少；二是减压过程中 ，血小板被吸附、聚集在隐性气泡周围，同时血小 板的粘着性增加，因而引起末梢血液中血小板减少 。 使用某些抗凝药物和活血化淤类药物，如肝素 、右旋糖酐等，可预防血小板减少。 4、其它 在高气压作用下，除上述变化外尚发现血液的 一些其它变化，如血液粘滞性在一般情况下降低（ 但有减压障碍时则增高），胶体渗透压下降，红细 胞压积增加，血糖增高，谷丙、谷草转氨酶及乳酸 脱氢酶增高，呈物理溶解状态的氧增多等。这些血 液流变、血液成分、血液皮质激素、凝血酶原时间 、凝血因子和生物化学方面的改变。因暴露时间、 压力和呼吸气体种类的不同而不尽相同，但大多数 未见明显的变化，少数有变化者，也属一过性，无 临床意义。 （二）对心血管系统的影响 1、心率减慢、脉压缩小 曾有人对532名潜水员在相当于60m水深的 空气潜水条件下进行了1982人次的检查，发现 心率明显减慢。心跳频率减慢的程度与压力值 大小有关，在7atm abs以内，压力值愈高，减 慢愈明显，但超过7atm abs时，心率减慢的程 度就与压力值无直接比例关系。关于减慢程度 ，有材料报道，可由加压前的7585次/min， 减慢为55次/min左右。 关于血压方面的变化，74.9%人次的收缩 压平均下降1.6kPa（12mmHg）,66%人次的舒 张压平均上升1.3kPa（10mmHg）,由于收缩压 下降，舒张压上升，因而脉压差缩小。 大多数潜水员的心率和血压方面的这些变 化，在出水后12h可恢复至原有水平。 上述变化的机制多数人认为是高分压氧使 血液化学感受器与心脏、血管运动中枢的兴 奋性降低有关。这是一种适应性反应。 2、心排出量的改变 人在7atm abs以内， 不但心率减慢，而且每搏输出量减少，所以 每分输出量也随之减少。心率减慢和每搏输 出量减少，将导致血液循环时间延长和血压 降低。 3、心电图的改变 有人对潜水深度5560m、水下停留3040min、水 温1015的条件下进行潜水作业的192名年龄1924 岁的潜水员的心电图做了观察，发现大多数人潜水后 心率变慢，有的出现窦性心率不齐，P-Q间期延长，S- T段升高。通常这些变化在出水后可恢复正常。一般说 来，高压下较易发现的心电图变化是窦性心律不齐和 窦性心动徐缓，出水后几小时内即可恢复，其变化的 机制尚不十分明瞭。 在高气压环境下，进行眼底检查，会发现视网膜 血管收缩现象，这可能是对高分压氧的反应。 4、外周阻力和血流量的变化 高气压下由于氧分压的增高和血液的重新分配，使得外 周阻力和血流量产生一定变化。高分压氧下引起内脏和外周 血管收缩，其收缩程度与氧压值有一定关系。如在0.1MPa（ 1 atm abs ）氧压下视网膜动脉和小静脉直径分别缩小8.5 11.6%和10.714.4%，0.3MPa（3 atm abs ）氧压下二者 分别缩小19%和28%。其机制除了通过血管活动中枢反射性影 响外，主要是氧对血管平滑肌的直接作用。但脑血管的作用 却不同，正常人在0.1MPa（1 atm abs ）氧压下并不引起脑 血管收缩，认为正常脑血管收缩是由于动脉二氧化碳减少所 引起，甚至在0.20.3MPa（23 atm abs ）氧压下，如果 二氧化碳运输和排出受到干扰，血中二氧化碳张力增高，结 果脑血管仍是扩张。当然，氧压过高时（大于0.3MPa），尤 其在二氧化碳量减少时，就会使脑血管收缩。 高气压下血管收缩的结果，引起血管外周阻力增加和血 流量减少，有人证实在0.3MPa（3 atm abs ）氧压下，动脉 总的外周阻力可增加20%。在0.3MPa氧压下脑血管收缩和血 管阻力增加，使脑血流量减少，有时可达25%。 （三）对呼吸系统的影响 1、呼吸频率减低 潜水员或气压工人暴露于高气压环境下， 通常呼吸频率减低，且呼吸频率与周围气压 升高之间几乎成线性关系。增加吸入气中的 氧分压，频率减少更明显。 呼吸频率减低的原因，一般认为是血液中 氧含量增高直接或通过外周化学感受器反射 性的抑制呼吸中枢的结果。但也有人认为主 要是由于高压气体密度增大，导致呼吸阻力 增强的结果。 2、呼吸运动的幅度和阻力加大 在高气压下，呼吸加深，呼吸阻力加大，且呼气 阻力比吸气阻力显著。 呼气阻力增加的原因，主要是高压环境下气体密 度相应增加，而密度增加的程度又决定于气体分子 量。分子量小的气体，呼吸阻力也较小。例如纯氦 气的密度仅是空气密度的1/7，虽然氦氧或氦氮氧混 合气中由于加入了氧气和氮气可以使其相对密度增 加，但仍比空气要小得多，因此呼吸氦氧混合气体 比呼吸空气阻力小。（见表3-7） 潜水员因吸气容易而主观上感觉外环境的气压 比实际气压值低。 不同压力下呼吸空气和氦氧混合气时呼吸阻力比较(mmHg) 压力（MPa）空气He-O2（80%-20%） 0.132.521.5 0.246.028.5 0.361.040.5 0.475.049.5 流速（量） （L/s） 压力（MPa） 0.10.20.3 吸气呼气吸气呼气吸气呼气 0.30.81.21.01.41.41.8 0.51.11.71.52.12.43.2 1.02.23.23.25.16.29.9 不同压力不同流量下吸气与呼气阻力的比较（mmHg） 至于高气压环境下呼气阻力大于吸气阻力的原因 ，简单的说，吸气过程是个主动运动，而呼气过程是 个被动运动。由于吸气后胸腹膈等肌肉及肺脏的弹性 回缩力需要克服高密度气体造成的阻力，以致呼气不 得不由常压下的被动式转为主动式。（见表3-8） 3、肺容量的变化 （1）潮气量增加 这是由于高气压环境下气体密 度增加，潜水员呼吸运动幅度加大，另一方面更重 要的原因是：高气压下，腹腔中胃肠道内气体体积 明显压缩，膈肌下降使胸腔上下径增大的结果。例 如在模拟潜水至304m时，潮气量可增加20%；而在 457m时，可增加50%。 （2）肺活量增加 在3 atm abs 下，肺活量增加 约7%；在7 atm abs 下，25名潜水员的肺活量平均 增加0.3 L。肺活量的增加主要靠吸气量增加，而补 呼气量无明显变化。这是因为在高气压环境下，胃 肠道内的气体被压缩，膈肌下降，胸廓的上下径扩 大，因而肺容量增大。 4、肺通气功能的变化 （1）每分钟通气量（换气率） 每分钟通气量 为潮气量和呼吸频率的乘积。在高气压环境下，潮 气量是增加的，因此若呼吸频率减低不明显，则每 分钟通气量增加；若呼吸频率减低较明显，则每分 钟通气量降低。 由于高气压环境下呼吸阻力增大，故最大通 气量在压力增加时降低，例如呼吸压缩空气，当加 压至4 atm abs ，最大通气量迅速下降到接近常压 下正常值的一半，如表所示。 压力（atm abs）最大通气量 1100.0 277.5 363.5 456.2 不同压力下呼吸空气最大通气量的变化 然而，超过4 atm abs ，下降的幅度就小了， 且在减压时可恢复到原先的水平。 在高气压下，当工作负荷一定时，最大通气量 的变化和呼吸的混合气体的成分有关。气体密度小 者，最大通气量减少不显著；气体密度大者，最大 通气量减少就显著。 （2）肺泡通气量 机体与环境间的气体交换是在肺泡中进行的，因此肺泡 通气量比每分通气量更具有生理意义。 肺泡通气率与肺通气率：假如健康成人潮气量为500ml ，生理的无效腔为140ml，则进入肺泡中的新鲜空气为360ml 。假定在平静呼气之末，肺中仍有功能性余气量2500ml，而 在吸气时只有360ml新鲜空气肺泡，因而只不过更新了肺泡 中原来气体容量的1/7。假如潮气量500ml而是300ml，则 进入肺泡中的新鲜空气不过仅为160ml，每次呼吸仅更换了 肺泡气的1/16。 肺泡通气率的变化不一定与肺通气率的变化相平行。决 定肺通气率有两个因素：潮气量和呼吸频率，如果潮气量减 半而呼吸频率加倍时，肺通气率不变，但肺泡通气率却大为 减少。因此，从气体交换的效率来看，浅而速的呼吸，其效 率要低于深而慢的呼吸。 在高气压环境下，由于气体密度增加造成呼吸阻力增加 ，可引起肺泡通气量不足，进而可导致肺泡CO2分压升高和 动脉血CO2张力升高。特别在大深度作重劳动时，影响比较 明显。这是限制潜水员水下工作的一个因素。 5、呼吸功增加 呼吸功是指呼吸肌所作的机械功，可分为两部分 ：一是为克服胸廓-肺脏系统弹性回缩力所作的功； 二是为克服气道中非弹性阻力所作的功。 在潜水中一方面由于气体密度增加加大了气道的 阻力，这样就增加了克服气道阻力所作的功；如要 使气流加快，阻力更大，所作的功更增加。另一方 面，当潜水员在水下增加肺容量时，为了克服弹性 阻力，就必须作额外的功。 因此，在潜水中，尤其在大深度作重体力劳动时 ，呼吸功是增加的，而过高的呼吸功又是造成肺通 气不足的原因之一。 6、血液运送O2和CO2功能的变化 在高气压下呈物理状态溶解的氧量增加， 因而氧合血红蛋白（HbO2）的还原减少。由此 ，也使得作为CO2运输媒介的还原血红蛋白（ HHb）量不足。 据测定，人在0.3MPa（3 atm abs）氧压 下血浆内呈物理溶解状态的氧可达 6.5ml/100ml血浆，大约与正常时红细胞中血 红蛋白所释放的氧量相近似。此时组织摄取血 液中溶解的氧量已足够维持静息状态下机体代 谢的需要，不需动用血红蛋白的结合氧，因此 动脉或静脉中血红蛋白可全部保持于氧合状态 。 压力 （atm abs