Fisica de los gases

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Fisica de los gases

  1. 1. ENCICLOPEDIA MÉDICO-QUIRÚRGICA – 36-100-A-10 36-100-A-10 Física de los gases y los vapores aplicada a la anestesia inhalatoria J. C. Otteni La anestesia por vía pulmonar se realiza por medio de uno o varios anestésicos inhala- torios mezclados con un gas vector que es el aire, el oxígeno o ambos. Estos anestési- C. Boyer cos se administran en forma de gas o de vapor. J. R. Diebolt El término gas designa a una sustancia que, a temperatura y presión ambientes habi- tuales, sólo existe en estado gaseoso. Estos gases se conservan en forma comprimida B. E. Dumitresco (estado gaseoso y/o estado líquido) dentro de bombonas. Se administran tras una sim- ple expansión. El término vapor denomina al estado gaseoso de una sustancia que, a temperatura y presión ambientes habituales, se encuentra en estado líquido. Es el conjunto de las moléculas de una sustancia presentes por encima de la fase líquida de esta misma sus- tancia. Estos vapores anestésicos se obtienen mediante un proceso de vaporización. Los anestésicos inhalatorios (gases o vapores) se comportan en el organismo como gases y siguen en principio sus leyes. La fisiopatología de la anestesia inhalatoria depende en gran medida de sus características físicas y químicas. El cuadro I resume las principales características de los anestésicos inhalatorios. Estado gaseoso La energía interna de un gas abarca la suma de las energías cinéticas (agitación térmica), la de las energías de excita- La materia se presenta en cuatro estados (sólido, líquido, ción y la de las energías de interacción entre las partículas. gaseoso o plasma) según el tipo de átomos o de moléculas El nivel de energía interna, que es mayor en un gas que en y de su contenido de energía. Para una sustancia determi- un líquido o un sólido, generalmente se denomina energía nada y a una presión constante, el paso de uno de estos térmica o calor. El calor es la forma de energía caracterizada estados a otro se produce cuando su temperatura sobrepa- por un aumento de la temperatura o un cambio del estado sa ciertos valores característicos. físico. Un sólido conserva una forma y un volumen constantes. Un En el Sistema Internacional de unidades (S. I.), la tempera- líquido cambia de forma, pero conserva un volumen cons- tura se expresa en grados Kelvin (K), que constituyen la tante. Sus moléculas tienen un grado de movilidad mayor. escala de temperatura absoluta, o en grados Celsius (°C), Un gas está constituido por átomos o moléculas separados antes denominados grados centígrados. Estos dos tipos de por grandes espacios vacíos, de ahí la pequeña masa volúmi- unidades son de la misma magnitud y sólo difieren por su ca, la gran compresibilidad y la gran expansibilidad que lo carac- punto cero: terizan. La masa volúmica de un gas es aproximadamente 0 °C = 273 °K; 100 °C = 373 °K; 0 °K = -273 °C. mil veces menor que la de sus formas líquida y sólida (en las La temperatura absoluta, T, se obtiene añadiendo 273 a la que las moléculas están en contacto). La compresión o la temperatura t en la escala Celsius: T = t + 273. A cero grado dilatación de un gas están relacionadas con la disminución Kelvin, los movimientos moleculares están abolidos; por o el aumento del espacio vacío entre sus partículas. Estas tanto, un gas no puede existir a esta temperatura. El punto partículas están en movimiento perpetuo; colisionan unas cero de la escala Celsius corresponde al punto de congela- con otras y con las paredes del continente, y ejercen así una ción del agua, y el punto cien al de ebullición. presión determinada. Se denomina agitación térmica al movi- El calor es una forma de energía (energía calorífica) cuya miento desordenado de las moléculas, ya que la energía unidad es el julio en el S. I. (M. K. S. A.). Sin embargo, se cinética media de las moléculas es proporcional a la tempe- sigue utilizando la caloría, otra unidad que pertenece al sis- ratura. tema C. G. S. Se distinguen la kilocaloría y la caloría. La pri- mera («C» mayúscula), es la cantidad de calor que se debe © Elsevier, París proporcionar a 1 kilo de agua para aumentar su tempera- JC OTTENI, C BOYER, JR DIEBOLT, BE DUMITRESCO. Service d’Anesthésie et de Réanimation Chirurgicale Hôpital de Hautepierre - Avenue Molière, tura en 1 grado Celsius, en este caso, de 14,5 °C a 15,5 °C 67098 - Strasbourg Cédex. (= 4.184 julios). La segunda («c» minúscula), es la cantidad página 1
  2. 2. Cuadro I.– Características físicas y químicas de los anestésicos volátiles y gaseosos Las cifras siguientes están seguidas por sus referencias bibliográficas. En caso de divergencia entre los autores, se indican los valores extremos, así como la cifra intermedia propuesta más frecuentemente. Muchos página 2 agentes citados en la tabla no se utilizan más. A parte del innegable interés histórico, sus características explican a menudo las razones de su abandono. Naturaleza ANESTÉSICOS VOLÁTILES ANESTÉSICOS GASEOSOS Éter Éter Cloruro Tricloro- Protóxido Denominación Cloroformo Halotano Metoxiflurano Fluroxeno Enflurano Isoflurano Ciclopropano Etileno dietílico divinílico de etilo etileno de nitrógeno Fórmula Peso molecular Inflamabilidad sí sí sí no no no no sí no no no sí sí Presión crítica atm. Temperatura crítica °C Densidad líquida g/ml (°C) Calor específico cal/ml cal/g Calor latente de vaporización cal/ml ( °C) cal/g ( °C) Punto de ebullición °C 760 mmHg Presión de vapor saturante mm Hg 20 °C 25 °C 37 °C Conc. máx. de vapor Vol. % (20 °C) ml vapor/ml líquido a ( °C) Densidad vapor- gas en g/l ( °C) 0 °C 20 °C 760 mm Hg 25 °C 37 °C 713 mm Hg { 37 °C Coef. de partición 37 °C ± 0,5 °C agua/gas sangre/gas aceite/gas caucho/gas 23/25 °C
  3. 3. Anestesia FÍSICA DE LOS GASES Y LOS VAPORES APLICADA A LA ANESTESIA INHALATORIA 36-100-A-10 de calor que se debe proporcionar a 1 gramo de agua para ma de gas que puede existir en contacto con la fase líquida. incrementar su temperatura en 1 grado Celsius, de 14,5 °C Siendo la presión de vapor saturante de halotano de a 15,5 °C (= 4,184 julios). 241 mmHg a 20 °C y 760 mmHg, la concentración máxima Existen dos tipos de cantidad de calor. El primero, el calor de anestésico que se puede alcanzar por evaporación es de específico, es la cantidad de calor necesaria para aumentar la 241 ——— x 100 = 31,7 vol. % temperatura de un cuerpo sin modificar su estado físico y 760 químico. El segundo, el calor latente, es la cantidad de calor Esta presión máxima depende de la naturaleza del líquido liberada o absorbida al producirse un cambio de estado físi- (es tanto mayor cuanto más fácilmente se evapora el líqui- co o químico a temperatura constante. do) y de la temperatura (aumenta con ella). Por supuesto, El calor específico de un cuerpo es igual al cociente entre la presión de vapor seco es siempre inferior a la presión de el calor proporcionado a la unidad de masa de un cuerpo y vapor saturante. la elevación de temperatura que se produce como resulta- La vaporización de un agente anestésico está facilitada por un do. El calor específico varía con la temperatura t. La unidad punto de ebullición bajo, una gran presión de vapor saturante, un es la caloría/gramo/grado Celsius o el julio/kilogramo/ calor latente de vaporización pequeño, un importante arrastre del grado Kelvin. vapor por el gas vector, una gran superficie de evaporación y una El calor específico de los gases es muy pequeño en rela- temperatura elevada. ción con el de los líquidos o los sólidos. Como los gases se La ebullición se produce cuando la presión de vapor es igual dilatan al calentarse, se distinguen el calor específico de a la presión que soporta el líquido, normalmente la presión un gas a volumen constante (Cv) y el calor específico de atmosférica. La temperatura permanece constante durante un gas a presión constante (Cp). En el caso del aire, Cp = toda la ebullición (lo mismo ocurre durante la fusión o la 0,241 cal/g °C y Cv = 0,171 cal/g °C. En el caso del oxíge- solidificación: así, estos puntos sirven como temperatura de no, Cp = 0,22 y para el protóxido de nitrógeno Cp = 0,21. referencia). La temperatura de ebullición es característica Dado que el calor específico de un gas es muy pequeño, hace de un cuerpo puro y permite identificarlo. falta muy poco calor para modificar su temperatura. Ésta se El calor latente define un calor de cambio de estado físico equilibra rápidamente con la temperatura ambiente. El corto (fig. 1). Se denomina calor latente de vaporización a la canti- trayecto que efectúa en un tubo inspiratorio basta para que se dad de calor necesaria, por unidad de masa de un cuerpo consiga el equilibrio y explica la dificultad para garantizar una puro, para pasar del estado líquido al estado de vapor satu- buena humidificación de las mezclas gaseosas mediante un rante sin que varíe la temperatura. Este calor se libera de humidificador calentador. En efecto, la temperatura de la nuevo durante el proceso de licuefacción, es decir, del mezcla gaseosa recalentada y humidificada desciende rápida- retorno del estado gaseoso al estado líquido (calor latente mente, y el vapor de agua se condensa en las paredes del tubo. de condensación). El calor latente de vaporización repre- senta la energía de separación molecular, es decir, la ener- gía que se requiere para vencer las fuerzas de interacción molecular. Varía con la temperatura del líquido: es tanto Transformación líquido-gas menor cuanto mayor sea ésta última (hasta llegar a la tem- peratura crítica, a la que el líquido se transforma espontá- El paso del estado líquido al gaseoso (es decir, a vapor) se neamente en vapor; entonces el calor latente de vaporiza- llama vaporización, y el contrario se denomina licuefacción. ción es nulo). Si este calor no es suministrado por una fuen- La vaporización puede hacerse: te externa, la temperatura del líquido desciende y la pre- — en la superficie de separación líquido-medio ambiente, sión del vapor disminuye. En definitiva, el elemento funda- es la evaporación; mental de la evaporación es el calor y, por extensión, la — o bien en el seno de un líquido, como burbujas que se fuente de calor. dirigen a la superficie, es la ebullición. La vaporización se puede producir a cualquier temperatu- Durante la evaporación, las moléculas de líquido abando- ra. La cantidad de calor necesaria es la suma de c1 + c2: nan su superficie hasta que la presión parcial de vapor en la — cantidad de calor requerida para alcanzar el punto de atmósfera que está por encima del líquido alcanza un valor ebullición (c1) = masa x calor específico líquido x (tempe- máximo. Este valor máximo es específico del líquido consi- ratura de ebullición – temperatura actual); derado y se denomina presión de vapor saturante; depende de — calor latente de vaporización de esta masa en el punto de la temperatura, pero no de la presión atmosférica. Se puede ebullición (c2) = masa x calor latente de vaporización. alcanzar esta presión máxima de vapor en un vaporizador, De esta forma, la cantidad de calor necesaria para evaporar pues la atmósfera que está por encima del líquido tiene un 1 g de halotano a 20 °C es: volumen limitado. Es posible incluso alcanzar una satura- (c1) = 1 x 0,19 x (50,2 – 20) = 5,73 ción de esta atmósfera si la corriente gaseosa que atraviesa (c2) = 1 x 35,2 = 35,2 el vaporizador es suficientemente pequeña en comparación ———— con la volatilidad del líquido anestésico. Por el contrario, si 40,93 calorías la atmósfera es ilimitada (evaporación al aire libre) o si el El hecho de que el calor latente esté indicado para una tem- vaporizador es barrido por una corriente gaseosa impor- peratura dada simplifica el cálculo en la medida en que ya tante, la evaporación es total; continúa hasta que todo el se ha tenido en cuenta la cantidad de calor necesaria para líquido se ha transformado, ya que no se puede alcanzar alcanzar el punto de ebullición. ninguna presión de saturación. La licuefacción de un gas se puede obtener mediante refri- Se dice que un vapor es seco cuando en su continente no exis- geración, compresión o ambos. te su fase líquida correspondiente. Se dice que un vapor es Al enfriar un gas, la energía cinética de las moléculas dis- saturante (o húmedo) cuando en su continente está en equi- minuye, las fuerzas de interacción molecular aumentan, las librio con su fase líquida. La presión (o tensión) de vapor moléculas se aproximan y el volumen ocupado por el gas saturante es la presión (y por tanto, la concentración) máxi- disminuye. Su comportamiento se aleja progresivamente página 3
  4. 4. Gases y vapores: relaciones presión-volumen-temperatura r po vaporización va líquido + vapor Una masa gaseosa se define en particular por tres magnitu- des (volumen, presión y temperatura) estrechamente rela- o licuefacción uid fusión líq cionadas por leyes simples, válidas para los gases perfectos. sólido + Relación volumen-presión, a temperatura constante: líquido ley de Boyle-Mariotte o lid solidificación só Sucesivamente, Boyle (1662) y después Mariotte (1676) calor latente de fusión Calor latente de vaporización precisaron esta relación. A temperatura constante, el volumen de una determinada masa de gas es inversamente proporcional a la presión. 1 Calor latente Al calentar un líquido, se aumenta la energía cinética de sus molé- k V = —— culas y por tanto su temperatura. Cuando se alcanza el punto de P ebullición, el calor suministrado no aumenta más la temperatura, puesto que ya no sirve para aumentar más la energía cinética de las Así, cuando se ha utilizado la mitad del contenido de oxí- moléculas, sino para romper las fuerzas de interacción molecular. geno de una bombona, el gas restante ocupa un volumen Éste calor requerido para transformar un líquido en vapor durante dos veces superior a aquel del que disponía anteriormente. el período de temperatura constante constituye el calor latente de Debido a esto, la presión bajará la mitad en relación con la vaporización. A partir del momento en el que todo el líquido se ha presión inicial. En el caso del oxígeno, y contrariamente al transformado en vapor, el calor suministrado aumenta la energía cinética de las moléculas de vapor y, por tanto, su temperatura. N2O, al CO2 y al C3H6, la medida de la presión en una bom- Durante la transformación sólido-líquido se desarrollan fenómenos bona constituye también una medida del contenido. análogos. Hay que resaltar que para 1 g de agua hay que propor- La representación gráfica de la ley de Boyle-Mariotte es una cionar 80 calorías para transformar el hielo en agua, 100 calorías hipérbola equilátera denominada curva isoterma, específi- para pasar del punto de fusión al punto de ebullición y 540 calo- rías para su transformación en vapor. ca de una temperatura determinada. El conjunto de curvas constituye la red de isotermas de un gas (fig. 2). Relación presión-temperatura, a volumen constante del de un gas perfecto y cada vez sigue menos las leyes que Según las obras consultadas, esta relación constituye la ley lo rigen. Por último, las moléculas se aproximan lo sufi- de Charles (1798) o bien la ley de Gay-Lussac (1802). ciente para que el gas se transforme en líquido. A volumen constante, la presión de una determinada masa de gas Así, se puede licuar un gas comprimiéndolo con una pre- es proporcional a su temperatura absoluta. sión suficiente, siempre y cuando se disminuya su tempera- A volumen constante, una cantidad dada de gas aumenta en tura por debajo de un valor crítico, específico de cada gas: 1/273 la presión que ejerce a 0 °C por cada grado Celsius de ele- es la temperatura crítica. Por encima de esta temperatura, la vación de la temperatura. energía cinética de las moléculas es demasiado grande en 1 t relación con sus fuerzas de interacción para permitir una Pt = Po x ——— x T = Po (1 + ———) licuefacción por compresión. La temperatura crítica es la 273 273 temperatura a la que el calor latente de vaporización se Pt = presión a t °C hace nulo. La presión crítica es la presión necesaria para Po = presión a 0 °C licuar un gas a su temperatura crítica. 1 El oxígeno, cuya temperatura crítica es netamente inferior —— = coeficiente de aumento de presión del gas a volumen a la temperatura ambiente, está siempre en forma de gas (a 273 constante temperatura ordinaria), cualquiera que sea la presión de la T = temperatura absoluta bombona; por tanto, ésta última puede funcionar en cual- La representación gráfica (fig. 3) es una línea denominada quier posición. Al ser las temperaturas críticas del N2O, del curva isocora, específica de un volumen determinado. CO2 y del ciclopropano superiores a la temperatura ambiente, estas sustancias están en estado líquido dentro de Relación volumen-temperatura, a presión constante las bombonas, que deben funcionar, por tanto, exclusiva- Según las obras consultadas, esta relación constituye la ley mente en posición vertical. Las temperaturas críticas del de Gay-Lussac (1802) o la ley de Charles (1798). éter, del halotano, del enflurano y de los demás anestésicos A presión constante, el volumen de un gas es proporcional a su tem- volátiles sobrepasan lo suficiente la temperatura ambiente peratura absoluta. para que estos agentes se encuentren en estado líquido a A presión constante, una cantidad determinada de gas aumenta en presión ambiente. 1/273 el volumen que ocupa a 0 °C, para cada grado Celsius de Estas consideraciones permiten proponer una definición más preci- elevación de la temperatura. sa de un vapor: es una sustancia que por debajo de su temperatu- 1 t ra crítica se encuentra en estado gaseoso. Vt = Vo x ——— x T = Vo (1 + ———) La masa volúmica es la masa de la unidad de volumen de una 273 273 sustancia; depende de la temperatura. La masa volúmica de Vt = volumen ocupado a t °C un gas o de un vapor es el peso en gramos de un litro de Vo = volumen a 0 °C este gas o vapor. La densidad de un gas o de un vapor es la 1 relación entre su peso y el del mismo volumen de aire, en —— = coeficiente de dilatación del gas a presión constante condiciones idénticas de temperatura y de presión. Todos 273 los anestésicos inhalatorios actuales, excluyendo el etileno, T = temperatura absoluta son más pesados que el aire, y se propagan por esto en La representación gráfica (fig. 4) es una línea denominada dirección al suelo. curva isobara, específica para una determinada presión. página 4
  5. 5. Anestesia FÍSICA DE LOS GASES Y LOS VAPORES APLICADA A LA ANESTESIA INHALATORIA 36-100-A-10 1 ml de anestésico líquido se transforma en 22,414 x densidad del líquido ————————————————— x 1 000 ml de vapor STPD peso molecular Así, 197,4 g de halotano líquido se transforman en 22,414 litros de vapor STPD. A 20 °C, este volumen pasa a: 20 22,414 (1 + ———) = 24,056 litros 273 37 y a 37 °C a 22,414 (1 + ———) = 25,452 litros 273 Sin embargo, mientras que a 0 °C 1 ml de vapor contiene 8,81 mg de halotano, sólo contiene 8,21 mg a 20ºC y a 37 °C no contiene más que 7,76 mg. A 0 °C, 1 g de halotano se transforma en 113,5 ml de vapor, a 20 °C en 121,9 ml y a 37 °C en 128,9 ml de vapor. A 0 °C, 1 ml de halotano se transforma en 211,1 ml de 2 Ley de Boyle-Mariotte vapor, a 20 °C en 226,6 ml y a 37 °C en 239,7 ml de vapor. Isotermas de un gas perfecto. Recurrir a la relación densidad del líquido/densidad de vapor permite también calcular que 1 ml de halotano líqui- do produce a 20 °C 1,860 x 1 000 ————————— = 226,6 ml de vapor 8,21 Una mezcla de halotano a 1 vol. %, 0 °C y 760 mmHg con- tiene 1 ml de vapor para 100 ml de mezcla gaseosa, es decir, 8,81 mg de halotano. A 20 °C, 100 ml de mezcla contienen sólo 8,21 mg y a 37 °C, 7,76 mg, aunque esté siempre a 1 vol. %. Además, si esta mezcla está saturada de vapor de agua, la cantidad de halotano presente en 100 ml de mez- cla a 1 vol. % se reducirá aun a 760 – 47 7,76 x (——————) = 7,28 mg 760 3 Relación presión-temperatura a volumen constante. Ecuación de los gases perfectos Se denomina gas perfecto a un gas ideal que obedecería rigu- rosamente a las leyes matemáticas simples establecidas por Boyle, Mariotte, Charles y Gay-Lussac a partir de los datos experimentales relativamente imprecisos de la época. Un gas tiende hacia el estado de gas ideal cuando su densidad y la energía de la unión (interacción molecular) tienden hacia cero. En realidad, cuando por ejemplo la presión aumenta (y por consiguiente, la densidad), las moléculas se acercan entre sí y las uniones intermoleculares intervienen. Se aleja así cada vez más del estado perfecto. El gas real tiene un comportamiento propio. Ningún gas real sigue rigurosamente las leyes enunciadas previamente; ninguno tiene un coeficiente de dilatación estrictamente igual a 1/273. Las energías de interacción, aunque débiles, 4 Relación volumen-temperatura a presión constante. producen efectos mensurables. Un gas real se aleja tanto más del estado de gas perfecto cuanto que su peso molecu- lar aumenta, su presión se eleva y su temperatura disminu- Ley de Avogadro (1811) ye, y por tanto se acerca a las condiciones de licuefacción, y En las mismas condiciones de temperatura y de presión, volúmenes viceversa. No obstante, por las necesidades de la práctica aneste- iguales de cualquier gas encierran el mismo número de moléculas. siológica, se considera que los gases reales y los vapores se compor- En las condiciones estándar de temperatura (= 0 °C = 273 °K) y de tan como gases perfectos. presión (= 760 mmHg = 101 kPa), un mol de cualquier gas ocupa La combinación de las leyes de los gases conduce a la ecua- un volumen igual a 22,414 litros. ción de estado de los gases perfectos: A 0 °C y 760 mmHg, una molécula-gramo de un anestésico PV —— = constante volátil se transforma en 22,414 litros de vapor STPD. T 1 g de anestésico líquido se transforma en En el caso de un mol de gas a 0 °C y 760 mmHg, esta cons- 22,414 tante se representa por: ————————— 1 000 ml de vapor STPD peso molecular PV = RT página 5
  6. 6. en el sistema MKSA, R = 8,31 julios/mol/grado Kelvin. V es el volumen ocupado por un mol de gas, a la presión P y a la temperatura absoluta T. En presencia de n moles, la ley se Presión escribe así: PV = nRT Esta ley se representa gráficamente en forma de hipérbolas equiláteras (una para cada valor de temperatura), cuyo con- junto constituye la red de isotermas de un gas perfecto (fig. 2). Las isotermas permiten precisar la relación presión- volumen-temperatura de un gas o de un vapor*. Para los gases reales, la ecuación de estado se complica. La red de isotermas de un gas real (fig. 5) no tiene el trazado Gas simple de la de un gas perfecto. Q Las isotermas permiten precisar la relación presión-conte- nido de las bombonas de gas cuando éstas se vacían de forma isotérmica a temperatura ambiente. Las condiciones Líquido Va po isotérmicas se consiguen cuando el flujo de la botella no es r Líquido y vapor demasiado alto. Si, al contrario, la expansión o la compre- sión de un gas se hacen sin intercambio de energía con el ambiente, el proceso se denomina adiabático. Volumen Los agentes como el protóxido de nitrógeno y el ciclopro- pano, cuyas temperaturas críticas son superiores a la tem- 5 Isotermas de un gas real peratura ambiente, se encuentran en las bombonas en A temperaturas que sobrepasan netamente la isoterma de tem- forma de líquido, sobre el que está el vapor correspondien- peratura crítica (línea azul señalada con las siglas i. t. c.), las iso- termas (t1 > t2 > t3…) son hipérbolas equiláteras, y el comporta- te. La presión en el cilindro no es proporcional a la canti- miento es el de un gas perfecto. En isotermas inferiores a la tem- dad de anestésico que contiene. Para conocer de forma pre- peratura crítica el agente puede existir, en función de su volumen cisa el contenido de una bombona que contiene un agente y de la presión, en forma de vapor, de líquido o como una mezcla líquido, hay que pesarla y restarle el peso de la botella vacía. de ambos. Cuando el vapor se condensa en líquido, las isotermas Para agentes como el oxígeno, cuya temperatura crítica está se hacen horizontales, ya que en este caso una disminución de volumen no aumenta la presión. Sólo a partir del momento en que netamente por debajo de la temperatura ambiente, la bom- el volumen ha disminuido lo suficiente para transformar todo el bona sólo contiene gas. Su contenido es proporcional a la vapor en líquido, la presión aumenta. presión que hay en el interior (contenido = volumen de la En la zona que engloba las porciones horizontales de las isoter- bombona x presión interior). mas (delimitada por una línea punteada) coexisten el líquido y su vapor, estando en equilibrio el uno con el otro. A su izquierda, y bajo la isoterma de temperatura crítica, el agente existe única- Curva de presión de vapor mente en forma líquida. Las isotermas correspondientes suben verticalmente, porque la compresión de un líquido (que es, por Cuando el vapor está en equilibrio con el líquido corres- definición, incompresible) genera grandes presiones. A la derecha pondiente, se lo denomina vapor saturante. Su presión se de la zona donde el líquido y el vapor coexisten y bajo la isoter- conoce como presión o tensión de vapor saturante para una ma de temperatura crítica, el agente está presente en forma de temperatura determinada. Corresponde a la porción hori- vapor. La ley de los gases perfectos se puede utilizar para apre- zontal de la isoterma. La relación gráfica entre la presión y ciar el comportamiento de este vapor. la temperatura para esta porción horizontal constituye la Como ejemplo se puede citar el caso de la bombona de protóxi- do de nitrógeno. Al comenzar a utilizarla, está casi llena de N2O curva de presión de vapor (fig. 6). La curva de presión de líquido (punto Q). A medida que el agente sale de la bombona, vapor determina la concentración máxima de vapor que aumenta el volumen de que dispone el vapor. Mientras existe una puede producir un vaporizador a una determinada tempe- fracción líquida, la presión del vapor correspondiente permanece constante: es la porción horizontal de la isoterma. Después, cuando toda la fracción líquida se ha transformado en vapor y el cilindro sólo contiene vapor, la presión disminuye proporcional- * El volumen de un gas puede expresarse en litros o en moles de tres formas mente a la cantidad de vapor que contiene. diferentes. La ecuación de los gases perfectos permite efectuar la transfor- mación de una forma a otra. En física, el volumen se define en la forma STPD (standard, temperature, pres- sure, dry). Son las condiciones denominadas normales o estándar: la presión es la presión atmosférica, la temperatura el 0 absoluto y el gas es seco. En estas condiciones, un mol de gas ocupa 22,414 litros. ratura. Es un concepto fundamental para concebir y evaluar En fisiología, se utilizan también las condiciones ATPS y BTPS. Las condi- un vaporizador. ciones ATPS (ambient, temperature, pressure, saturated) conciernen a la tem- peratura, la presión y la saturación en humedad del ambiente. Se utilizan, A una temperatura y una presión determinadas, el líquido por ejemplo, en la espirometría. Por el contrario, en los pulmones el aire y su vapor están en equilibrio. Si la temperatura aumenta, se calienta y se satura completamente de agua. En estos casos se utilizan las el equilibrio se rompe; una porción suplementaria de líqui- condiciones BTPS (body, temperature, pressure, saturated). La siguiente formu- lación de la ecuación de estado de los gases permite efectuar las conver- do se evapora hasta que la presión de vapor aumenta y siones: alcanza un nuevo punto de equilibrio. Si la temperatura PxV P1 x V1 baja, el vapor se condensa hasta que la presión de vapor des- ———— = —————— T T1 cienda y alcance una nueva presión de equilibrio. (PB – PH2O) x volumen (ATPS) 273 Cuando se abre el recipiente en el que el líquido y el vapor Volumen (STPD) = ————————————————————— x ————— están en equilibrio (ya se trate de una bombona o de un 273 + t 760 vaporizador), el vapor escapa al exterior y su presión dismi- (PB – PH2O) x volumen (ATPS) 273 + 37 nuye por debajo de su presión de vapor saturante. Para res- Volumen (BTPS) = ————————————————————— x ————— 273 + t PB – 47 tablecer el equilibrio roto, se evapora líquido hasta que la PB = presión barométrica (mmHg) presión parcial alcanza la presión de vapor saturante. El t = temperatura ambiente (°C) calor necesario para esta evaporación proviene del líquido, PH2O = presión de vapor de agua del gas (mmHg) cuya temperatura, por tanto, va a bajar. página 6
  7. 7. Anestesia FÍSICA DE LOS GASES Y LOS VAPORES APLICADA A LA ANESTESIA INHALATORIA 36-100-A-10 presiones que hay en las bombonas de CO2 y de N2O. Concentración de saturación (Vol. %) En una bombona que contiene N2O a 50 kg/cm2 de pre- sión, la adición de O2 de manera que se eleve la presión a Punto de ebullición 100 kg/cm2 no produce una mezcla O2/N20 del 50%. Dada la compresión del N2O por el O2 añadido, la concentración Presión de vapor (mm Hg) o ílic fraccionaria de N2O será ligeramente inferior al 50%. Las vin di concentraciones realmente administradas dependen de los er Ét volúmenes introducidos en la bombona. o ílic et di er Ét Solubilidad de los gases y de los vapores – Ley de Henry (1803) o an lot Ha ran o La solubilidad de los gases y vapores en la sangre y los teji- flu En dos tiene un papel fundamental en la farmacocinética de los anestésicos inhalatorios. El efecto de agentes muy solu- bles se produce más lentamente que el de los agentes menos solubles, ya que se debe administrar una cantidad lurano mayor de dicha sustancia para que se alcance la concentra- Metoxif ción cerebral necesaria. La ley de Henry describe la disolución de un gas en un Temperatura (°C) líquido con el que no reacciona, siempre y cuando la pre- sión no sea demasiado elevada ni la temperatura demasiado 6 Curvas de presión de vapor. baja. No se aplica a los vapores, que, en estado líquido, son extremadamente miscibles con el solvente (por ejemplo: éter en aceite de oliva). En el caso del halotano, si el aporte de calor es suficiente La cantidad de gas (C) que se disuelve en un líquido es directa- para subir su temperatura a 50 °C, el líquido va a hervir, ya mente proporcional a la presión parcial del gas en la superficie del que su presión de vapor saturante se aproxima entonces a líquido (P). La constante de proporcionalidad (k), se relaciona con la presión atmosférica. El punto de ebullición es la tempe- la solubilidad del gas en el líquido. ratura a la que la presión de vapor de una sustancia es igual La administración de una mezcla N2O/O2 en una propor- a la de la presión exterior, que habitualmente es la presión ción 4/1 para inducir una anestesia produce una presión atmosférica. La mayoría de las veces, los vapores con pro- parcial de N2O (pN2O) que tiende a los 600 mmHg. En la piedades anestésicas provienen de líquidos cuyo punto de sangre, la presión parcial del nitrógeno (pN2) tiene idénti- ebullición es inferior a 60 °C. co valor. Como la pN2O en sangre es igual a cero, el N2O se disuelve rápidamente en la sangre, mientras que una parte equivalente de nitrógeno se expulsa en el aire espirado. La Mezcla de gases – Presiones parciales – anestesia se establece más rápidamente si se impide, Ley de Dalton (1801) mediante un circuito anestésico adecuado, la reinhalación del aire espirado que contiene nitrógeno. La constante de proporcionalidad, todavía denominada En una mezcla gaseosa, cada gas ejerce la presión (= presión par- coeficiente de solubilidad, es específica de un gas, de un cial) que ejercería si ocupara solo el volumen total. líquido y de una temperatura determinados. Habitual- La presión ejercida por una mezcla de diversos gases depen- mente, disminuye cuando la temperatura aumenta. En rea- de del número total de moléculas, y no de que éstas perte- lidad, el aumento de la temperatura incrementa la energía nezcan a un gas determinado (es decir, de su naturaleza). cinética de las moléculas, que permanecen más fácilmente Cada gas ejerce una presión parcial en relación con el núme- en estado gaseoso y tienen menos tendencia a entrar en ro de sus moléculas. La suma de presiones parciales de cada solución. El fenómeno inverso se observa en los sólidos, gas representa la presión de la mezcla de gases. cuya disolución está facilitada por el aumento de tempera- La presión parcial de un gas (P) es igual a su concentración tura. fraccionaria (F) multiplicada por la presión ambiente, es El coeficiente de solubilidad se expresa en un gran número decir, la presión barométrica (PB). De esta forma: de unidades, lo que produce cierta confusión. PO2 = FO2 x PB El coeficiente de Bunsen (α) es el volumen de gas STPD (0 °C, La concentración fraccionaria F (o fracción molar) se 760 mmHg) disuelto por unidad de volumen de solvente a expresa como una fracción y no como un porcentaje: la temperatura del ensayo y a una presión parcial de una % concentración = F x 100 atmósfera. Una concentración del 100% se expresa como 1 y una con- El coeficiente de Ostwald (λ) es el volumen de gas disuelto, a centración del 50% se expresa como 0,5. la temperatura y a la presión a las que se produce la disolu- Si la concentración de oxígeno en el aire inspirado es de ción, por unidad de volumen de solvente. 20,93%, su presión parcial es: El coeficiente de partición o de distribución es la relación entre PI02 = 0,2093 x 760 = 159 mmHg el número de moléculas de un gas en una fase y el número = 0,2093 x 101 = 21,14 kPa de moléculas de gas en otra fase, cuando se alcanza el equi- La ley de Dalton, que tiene una precisión suficiente para librio entre ambas fases. Si una fase es un gas y la otra un presiones cercanas a la atmosférica, no se verifica a las altas líquido, el coeficiente de partición líquido/gas es idéntico página 7
  8. 8. 36-100-A-10 FÍSICA DE LOS GASES Y LOS VAPORES APLICADA A LA ANESTESIA INHALATORIA Anestesia al coeficiente de Ostwald. También se utiliza para describir • El gas anestésico ideal es fácil de licuar, para que permanezca la distribución entre medios como aceite/agua, cerebro/san- líquido a presiones poco elevadas y se pueda conservar en una gre y otros. El coeficiente de partición es también específi- bombona liviana y poco costosa. Además, tiene una presión de co para una temperatura determinada. vapor suficientemente grande para que la refrigeración producida por la evaporación no disminuya demasiado la presión en la bom- Cuando en un recipiente que encierra mitad sangre y mitad bona. aire se introduce un agente anestésico y, una vez equilibra- • El anestésico volátil ideal tiene un punto de ebullición superior dos, el 40% del gas se encuentra en la fase sanguínea y el a la temperatura ambiente, para que no sea demasiado volátil. No 60% en la fase gaseosa, el coeficiente de partición san- obstante, este punto de ebullición no debe sobrepasar los 60 °C, gre/gas de este agente es 4/6 ó 0,66. Cuanto mayor es el pues si no la presión de vapor sería demasiado baja a temperatu- coeficiente de partición sangre/gas, más soluble es el agen- ra ambiente. En tal caso, no se podrían alcanzar concentraciones te anestésico en sangre y la inducción es más lenta. En efec- suficientes para obtener una anestesia correcta, a menos que se to, la velocidad de inducción está condicionada por la velo- tratara de un anestésico especialmente potente. cidad de aumento de la presión parcial alveolar del anesté- • Por último, los coeficientes de solubilidad sangre/gas y acei- sico. Una gran solubilidad en sangre favorece la penetra- te/agua deben ser poco elevados. ción del anestésico en la circulación pulmonar y se opone a su acumulación en los alvéolos. El coeficiente de partición aceite/agua debe ser bajo, para impedir el almacenamien- to lipídico y reducir así el tiempo requerido para la elimi- nación del anestésico. * ** Cualquier referencia a este artículo debe incluir la mención: OTTENI JC, Teniendo en cuenta los elementos antes expuestos, se puede BOYER C, DIEBOLT JR et DUMITRESCO BE. – Physique des gaz et intentar definir las propiedades físicas ideales de los agentes vapeurs appliquée à l’anesthésie par inhalation. – Encycl. Méd. Chir. (Elsevier, Paris-France), Anesthésie, 36-100-A-10 et B-10, 8 p. anestésicos inhalatorios. Bibliografía página 8

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