Universidad Católica de la Santísima ConcepciónFacultad de medicina Escuela de medicinaBiofísica

LEYES DE LOS GASES

LOS GASES: La caracterización de un gas está dado por la temperatura, presión y volumen, las cuales se relacionan en la ley general de los gases.

Para poder comprender a cabalidad la cinética de los gases es necesario entender la teoría cinética, la que plantea: Toda materia está hecha de partículas muy pequeñas. Estas partículas están en constante movimiento al azar, liberando energía interna, produciendo distintas interacciones como por ejemplo en los gases se dan interacciones entre partículas de gran movimiento.

Propiedades de los gases:

COMPRESIBILIDAD: reducción o disminución de los espacios vacíos entre sus moléculas; lo cual se logra aumentando la presión y/o disminuyendo la temperatura.

EXPANDIBILIDAD: el volumen de un gas es igual al volumen de su contenedor. Ejercen presión sobre el recipiente que los contienen: Al estar en continuo

movimiento, las partículas de un gas chocan contra las paredes del recipiente que los contiene, ejerciendo presión sobre ellas.

DIFUSIÓN: Cuando dos gases entran en contacto, se mezclan hasta quedar uniformemente repartidas las partículas de uno en otro, esto es posible por el gran espacio existente entre sus partículas y por el continuo movimiento de estas.

GAS IDEAL: Gas imaginario hecho de partículas que tienen masa, pero no volumen, y que no se atraen entre sí. Sólo tienen choques elásticos

Características:

El número de moléculas es despreciable comparado con el volumen total de un gas.

No hay fuerza de atracción entre las moléculas.

Las colisiones son perfectamente elásticas.

Evitando las temperaturas extremadamente bajas y las presiones muy elevadas, podemos considerar que los gases reales se comportan como gases ideales.

Teoría cinética de los gases ideales:•Los gases están formados por un gran número de moléculas que se mueven de modo continuo y aleatorio.• El volumen de estas partículas es despreciable frente al volumen del recipiente.• Las fuerzas de atracción y repulsión entre las moléculas del gas son insignificantes.• Las moléculas chocan entre sí y con las paredes del recipiente en forma elástica.

• La energía cinética media de las moléculas no cambia en el tiempo, en tanto la temperatura del gas permanezca constante. • La energía cinética media de las moléculas es proporcional a la temperatura absoluta. A cualquier temperatura dada, las moléculas de todos los gases tienen igual energía cinéticaLeyes de los gases:Ley de Boyle y Mariotte: Relación entre la presión y volumen de un gas. Si la temperatura permanece constante, el volumen de una muestra dada varía inversamente a la presión.

La ley de Boyle permite explicar la ventilación pulmonar, proceso por el que se intercambian gases entre la atmósfera y los alvéolos pulmonares. El aire entra en los pulmones porque la presión interna de estos es inferior a la atmosférica y por lo tanto existe un gradiente de presión. Inversamente, el aire es expulsado de los pulmones cuando estos ejercen sobre el aire contenido una presión superior a la atmosférica

A mayor presión aplicada al gas, menor es su volumen

A menor presión aplicada al gas, mayor es su volumen

Ley de Charles: A presión constante el volumen y la temperatura son directamente proporcionales.

Si la temperatura aumenta, el volumen del gas aumenta.

Si la temperatura del gas disminuye, el volumen disminuye.

¿Por qué ocurre esto?

Cuando aumentamos la temperatura del gas las moléculas se mueven con más rapidez y tardan menos tiempo en alcanzar las paredes del recipiente. Esto quiere decir que el número de choques por unidad de tiempo será mayor, aumentando el volumen.

Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V1 que se encuentra a una temperatura T1 al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta un nuevo valor V2, entonces la temperatura cambiará a T2, y se cumplirá:

Ley de Gay lussac: A volumen constante, la presión y la temperatura son directamente proporcionales.

•Si aumentamos la temperatura, aumentará la presión.•Si disminuimos la temperatura, disminuirá la presión.

¿Por qué ocurre esto?

Al aumentar la temperatura las moléculas del gas se mueven más rápidamente y por tanto aumenta el número de choques contra las paredes, es decir aumenta la presión ya que el recipiente es de paredes fijas y su volumen no puede cambiar.

Ley combinada de los gases: A partir de la ley combinada podemos calcular la forma como cambia el volumen o presión o temperatura si se conocen las condiciones iniciales (Pi,Vi,Ti) y se conocen dos de las condiciones finales (es decir, dos de las tres cantidades Pt, Vt, Tf)

Combina ley de charles, gay-lussac y boyle.

La presión es directamente proporcional a la temperatura e inversamente proporcional al volumen.

Ley de un gas ideal (ecuación de estado):

Ley de avogadro: “A LA MISMA PRESIÓN Y TEMPERATURA, VOLÚMENES IGUALES DE TODOS LOS GASES CONTIENEN EL MISMO NÚMERO DE MOLÉCULAS”

Cantidad de gas y su volumen son directamente proporcionales.

También el enunciado inverso es cierto: "Un determinado número de moléculas de dos gases diferentes ocupan el mismo volumen en idénticas condiciones de presión y temperatura". Esta ley suele enunciarse actualmente también como: "La masa atómica o

átomo-gramo de diferentes elementos contienen el mismo número de átomos". El valor de este número, llamado número de Avogadro es aproximadamente 6,02214179 × 1023 y es también el número de moléculas que contiene una molécula gramo o mol.

La ley de Avogadro nos dice que volúmenes iguales de hidrógeno, cloro y cloruro de hidrógeno contienen igual número de moléculas. Para explicar esta ley, Avogadro señaló que las moléculas de la mayoría de los gas es elementales más habituales eran diatómicas (hidrógeno, cloro, oxígeno, nitrógeno, etc), es decir, que mediante reacciones químicas se pueden separar en dos átomos.

Ley de Dalton

La ley de Dalton establece que en una mezcla de gases cada gas ejerce su presión como si los restantes gases no estuvieran presentes. La presión específica de un determinado gas en una mezcla se llama presión parcial, p. La presión total de la mezcla se calcula simplemente sumando las presiones parciales de todos los gases que la componen. Por ejemplo, la presión atmosférica es:

Presión atmosférica (760 mm de Hg) = pO2 (160 mm Hg) + pN2 (593 mm Hg) + pCO2 (0.3 mm Hg) + pH2O (alrededor de 8 mm de Hg)

Ley de Henry:

"La cantidad de gas disuelta en un liquido a una determinada temperatura es directamente proporcional a la presión parcial que ejerce ese gas sobre el liquido."

La cantidad de gas que puede albergar un líquido dependerá de la temperatura, de la presión a la que está sometido el sistema líquido-gas, de la naturaleza del gas para ser absorbido (solubilidad) y la capacidad del gas para absorber gases.

Cuanto mayor sea la presión parcial de un gas sobre un líquido mayor cantidad de gas absorberá el líquido. A menor temperatura la capacidad del gas para absorber gases aumenta, por el contrario con el aumento de temperatura el líquido disminuirá su capacidad para absorber gases. Esto es lo que pasa cuando hervimos agua y comprobamos que saben burbujas, que no es otra cosa que el gas que lleva disuelto y que el aumento de temperatura le obliga a liberarlo. También la naturaleza de los líquidos es un factor importante, ya que unos son capaces de absorber más gas que otros. Por ejemplo: el nitrógeno es cinco veces más soluble en la grasa que en el agua.

Así según en qué estado esté el proceso de absorción de gases se pueden establecer los siguientes estados en los líquidos (o tejidos):

Insaturado: Cuando el líquido es capaz de absorber más gas. La presión parcial que el gas ejerce sobre el líquido es mayor que la tensión (presión del gas disuelto en el líquido) de ese gas.

Saturado: Existe un equilibrio y la cantidad de gas que absorbe el líquido es la misma que elimina. La presión parcial del gas es igual a la tensión.

Sobresaturado: La cantidad de gas contenida en el líquido es superior a la que puede absorber y por lo tanto libera el exceso de gas. La presión parcial del gas es menor que la tensión del mismo.

Aplicaciones médicas:

Hiperbarismo: es un término que se refiere a todo aquello que se somete bajo presiones atmosféricas (o barométricas) que sobrepasan los niveles normales. El nivel normal atmosférico es una atmósfera (Atm) o 760 milímetros (mm) de mercurio (Hg.).

En el mar, por cada 10 metros de descenso se aumenta en una atmósfera.

Buceo con apnea: No posee equipo especial. Se realiza una profunda inspiración en superficie, a medida que el buzo baja aumenta la presión y los pulmones se comprimen, (se produce un colapso, de afuera hacia dentro), el volumen perdido por el aire contenido en los pulmones es equilibrado por la dilatación de los vasos sanguíneos en los alveolos y el desplazamiento hacia arriba de la masa abdominal (y el diafragma). Pero a medida que sube baja la presión y se vuelven a expandir los pulmones (ley de boyle).

Otro efecto de la presión ocurre en cavidades neumáticas de nuestro cuerpo, como son las celdas mastoideas, los senos paranasales y etmoidales, ocurriendo un aumento de presión en las cámaras y disminución del volumen de aire en cavidades (por compresión del aire), y se produce un vacío, si las variación de presión es lo suficientemente intensa puede ocurrir un estallido de estas cavidades.

Normalmente se puede equilibrar presiones mediante la trompa de Eustaquio, bajo el mar una de las maniobras utilizadas para igualar presiones consiste en un breve ejercicio de espiración forzada cerrando nariz y boca. Si esto no se logra para que un aumento brusco de presión se compense, debe penetrar aire en el oído medio a través de la trompa de Eustaquio, provocándose una posible rotura del tímpano, el sujeto siente entonces un dolor muy intenso a nivel del oído afectado que generalmente se acompaña de vértigo y otorragia.

Nota: La mayor sensibilidad es cuando se retorna a la condición original.

Buceo con tanque: El tanque posee una mezcla de nitrógeno y oxígeno que suplen la compresión de los pulmones (el oxígeno solo es tóxico). Se debe respirar continuamente,

en este tipo de buceo el descenso no es tan peligroso como el ascenso, es por esto que de vuelta se debe ir botando el aire y ascendiendo lentamente para acomodar la presión, si no se hace esto se pueden producir barotraumatismos pulmonares: por sobrepresión los pulmones llegan al límite de dilatación y los alveolos se rompen generando un neumotórax (el aire escapa a la cavidad torácica), un enfisema mediasteno (el aire escapa a la cavidad del corazón y puede llegar siguiendo la pared de la tráquea al cuello) o una embolia (cuando el aire escapa por las venas y arterias)

Estas mezclas respiratorias pueden también producir cambios patológicos tales como:1. La enfermedad por descompresión es un tipo de embolia gaseosa (burbujas de gas

obstruyen los lechos capilares produciendo lesiones isquémicas en los territorios afectados).

Durante la inmersión aumenta considerablemente la presión parcial de nitrógeno que es el componente del aire con mayor concentración tisular, su presión parcial en el alvéolo se eleva rápidamente y desde allí difunde con rapidez a la sangre y a los tejidos.Se acumula fundamentalmente en el sistema nervioso y en el tejido celular subcutáneo.Al ascender, si la descompresión es suficientemente lenta, el proceso se invierte y el nitrógeno se elimina sin producir daños.En el caso de una descompresión rápida se producen burbujas en los tejidos e incluso en la sangre, La presencia de burbujas en el tejido sanguíneo puede provoca trombos (trombosis), embolias e incluso la necrosis de los tejidos. Los efectos pueden ser inmediatos o progresivos.

2. La narcosis por nitrógeno: se origina cuando la tensión tisular de nitrógeno es superior a la normal se producen efectos similares a los debidos a la intoxicación por alcohol o a las sustancias narcóticas genera: euforia, despreocupación, alteración de la capacidad de raciocinio y de concentración, pérdida de memoria y desorientación.

3. Intoxicación por oxígeno: cuando la presión parcial de oxígeno es mayor de la normal, el oxígeno se disocia en radicales libres (peróxido de hidrógeno H2O2 y radicales hidróxilo ·OH) que inhiben la función celular a nivel de la membrana. Este efecto sobre la membrana celular afecta especialmente el sistema nervioso el que regula y controla la mayoría de las funciones vitales. La intoxicación por oxígeno produce convulsiones, pérdida de conocimiento y puede llevar al consiguiente ahogamiento del buzo.

Generalmente estas afecciones no se aplican al buceo en apnea ya que los tiempos de inmersión no son prolongados.

Hipobarismo:

La Presión atmosférica disminuida conduce a una hipoxia ambiental, pues se disminuye la presión parcial de oxígeno, lo que lleva a una hipoxia funcional.

La exposición del hombre a la altura provoca en ocasiones la «enfermedad de altura» que, se denomina mal de montaña agudo (MMA). Es un afección neurológica por la clara influencia del SNC sobre el sistema cardiopulmonar, el compromiso cerebral primario (aumento de la presión intracraneal [PIC]), que se manifiesta por la cefalea, náusea, irritabilidad y somnolencia, ocasiona un aumento de la función simpática que altera la relación ventilación/perfusión a la pared alveolar o ambas; en consecuencia, los pulmones no oxigenan adecuadamente. Esta oxigenación inadecuada se incrementa por el déficit de oxígeno secundario al hipobarismo y por el ejercicio, que, según se sabe, agrava el MMA e incluso desencadena EPA por la vía de aumentar la presión de la arteria pulmonar, desencadenando el EPA. La hipertensión pulmonar genera constricción de los vasos pulmonares, y ésta es no uniforme pero sí extensa.Los estudios realizados del fluido del EPA han revelado la presencia de una solución de continuidad que permitiría el paso de estas sustancias (proteínas, macrófagos entre otras) de elevado peso molecular y del líquido acompañante hacia el espacio alveolar. Además del tratamiento con cámara hiperbáricas, el realizado con medicamentos que disminuyen la presión de la arteria pulmonar: oxígeno, óxido nítrico, fentolamina y nifedipino, que se han demostrado muy beneficiosos, avalaría la teoría de que la hipertensión de la arteria pulmonar es la responsable final del EPA.

Por la misma presión atmosférica baja es muy frecuente el Sangrado de nariz.

Cámaras hiperbáricas:

Las cámaras hiperbáricas se desarrollan como consecuencia de la “enfermedad de la presión” o de los “caissons” que aparece en trabajadores que realizan sus labores en ambientes de trabajo hiperbáricos que tienen una característica común, respirar aire a una presión superior a la atmosférica.

Estas cámaras daban la posibilidad de simular presiones equivalentes o mayores a las presiones que causaron inicialmente la enfermedad, de modo de poder revertir los daños tisulares en forma precoz, con la incorporación del oxígeno como gas respiratorio los efectos en cuanto a la recuperación de los síntomas y signos fueron enormemente superiores.

Posteriormente las cámaras inicialmente construidas para tratar enfermedades del buceo o de los ambientes de trabajo presurizadas se utilizan en la oxígeno terapia hiperbárica (OHB), administrándose oxígeno con mascarilla o sonda nasal, así como la administración de anticoagulantes (heparina y corticoides) permitiendo un uso mucho mayor de las instalaciones, en beneficio de muchos pacientes que padecen dolencias que pueden tratarse con OHB, siendo un tratamiento médico complementario a otros que pueden

aplicarse en forma simultánea.

Enfermedades que pueden ser tratadas:

Aeroembolismo gaseoso arterial Intoxicación por CO

Gangrena gaseosa o mionecrosis por clostridio

Atriciones graves, aplastamientos (crush injury) y síndrome compartimental, desforramientos

Enfermedad por descompresión

Heridas refractarias, pié diabético

Anemia extrema

Fasceítis necrotizante

Osteomielitis refractaria

Radionecrosis ósea o tisular

Colgajos e injertos de piel, reimplantes de extremidades

Quemaduras térmicas

Absceso intracraneano