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气体的分压和浓度 精选

已有 28298 次阅读 2013-6-18 14:26 |个人分类:高压氧|系统分类:科研笔记

气体、液体和固体是物质存在的三种形式,早期人们认为这是唯一的三种形式,现在已经知道还有等离子体等存在形式。按照一般的学术描述,气体是物质的一个态。气体与液体一样是流体:它可以流动,可变形。与液体不同的是气体可以被压缩。假如没有限制(容器或力场)的话,气体可以扩散,其体积不受限制。气态物质的原子或分子相互之间可以自由运动。气态物质的原子或分子的动能比较高。气体形态可过通其体积、温度和其压强所影响。这几项要素构成了多项气体定律,而三者之间又可以互相影响。需要强调的是,boyle描述的一定质量的等温气体的压强和体积之间的关系是人类历史上第一个科学定律。

前几日谈到潜水的问题,发现有不少人对潜水很有兴趣,但也存在不少误解。其中一个是关于气体的浓度,另一个是关于气体的压强,特别是关于气体的生理学作用方面需要进一步了解。希望通过我的介绍,对那些有兴趣的老师有点帮助,当然更深入的了解最好可以阅读相关著作。

关于气体的浓度,最容易误解的是和溶液的浓度混淆。例如我们平时熟悉的生理盐水,是0.85%的氯化钠溶液,也就是在100克水中溶解0.85克氯化钠。当然这个表示方法是百分比浓度,也有摩尔浓度,则是用每升溶液的克分子数(摩尔数)来表示。气体和溶液的最大区别是可以被压缩,所以用体积浓度就不太合适,为减少体积变化造成的计算复杂性,人们根据习惯把气体比例表示为气体浓度(concentration)。例如,空气中氧气的比例为21%,氮气为78%,二氧化碳为0.04%。显然,这个比例并不能作为真实浓度来看,因为如果把空气压缩10倍,各种气体的相对比例不会变化,但是他们的真实浓度确实增加了10倍。所以,气体的浓度其实就是气体的相对比例。一定压强条件下,混合气体的分压和该气体的相对比例和气体分子数量成正比,但和气体的分子大小没有关系。

不过,气体的真实浓度有时候和气体的作用关系密切,例如在高原上,空气稀薄,氧气的浓度(比例)没有变化,但是氧气确实变稀薄了,有人就会发生缺氧,为了解决这个气体的真实浓度问题,人们采用气体的分压来描述。所谓分压,就是某种气体在某一体积下所产生的压强贡献,这个显然就是和这种气体在某一空间内的分子密度,气体的分压非常类似于溶液的摩尔浓度,其实气体的生理效应就是决定于分压,而不是浓度。例如海平面条件下,大气压强是100kpa,氧气的分压(强)是21kpa。而在高原上氧气的分压随着高度增加,大气压减少而降低。一般情况下,如果氧分压低于16 kpa,就有可能发生缺氧。而氧气的毒性也决定于分压,例如只要呼吸气体中氧气分压超过50kPa,就有可能发生氧中毒。显然,达到这个分压非常容易,你如果呼吸纯氧,氧分压就可以达到100kpa。如果呼吸压缩空气,例如在40米水下潜水呼吸5个大气压的压缩空气,则可以达到100kpa。这种情况下就有可能出现氧气的中毒。当然,呼吸时间也是非常重要的因素,短时间呼吸纯氧,不会立刻发生氧中毒。

所以平时我们讲的某一种气体的浓度,含义是气体在混合气中的比例,气体的分压是这种气体的真实浓度。

在人工环境中,例如在飞机的机舱、太空舱、潜艇内,一般都是和外界隔离的,内部的压力接近于常压,乘员没有受到明显环境压力变化的影响。但是潜水员在潜水的时候,则是要在非常高的压力环境下。这是潜水和其他类型的环境最大的区别。关于压力对机体的影响,许多人会觉得非常疑惑。例如人如果在100米水下,身体将会承受160吨的压力,这么大的压力怎么不会把人体压坏?其实,我们平时生活的一个大气压环境下,每个人都承受10吨以上的压力,这个压力就来自大气的压力,而且我们从来没有感觉到压力的存在。人在潜水的时候同样也不会感觉到压力的存在。当然,如果人体不同部位存在压差,则会产生影响甚至严重疾病,例如各类气压伤、爆炸伤、挤压伤等。如果周围压力发生剧烈改变,体内溶解的气体没有安全排出也可以出现减压病等危害。




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