Tema 003 Física de los gases y vapores aplicada a la anestesia inhalatoria.

8/12/2019 Tema 003 Fsica de los gases y vapores aplicada a la anestesia inhalatoria.

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Estado gaseoso

La materia se presenta en cuatro estados (slido, lquido,gaseoso o plasma) segn el tipo de tomos o de molculas

y de su contenido de energa. Para una sustancia determi-nada y a una presin constante, el paso de uno de estosestados a otro se produce cuando su temperatura sobrepa-sa ciertos valores caractersticos.Un slido conserva una forma y un volumen constantes. Unlquido cambia de forma, pero conserva un volumen cons-tante. Sus molculas tienen un grado de movilidad mayor.Un gas est constituido por tomos o molculas separadospor grandes espacios vacos, de ah la pequea masa volmi-ca, la gran compresibilidad y la gran expansibilidad que lo carac-terizan. La masa volmica de un gas es aproximadamentemil veces menor que la de sus formas lquida y slida (en lasque las molculas estn en contacto). La compresin o ladilatacin de un gas estn relacionadas con la disminucino el aumento del espacio vaco entre sus partculas. Estaspartculas estn en movimiento perpetuo; colisionan unascon otras y con las paredes del continente, y ejercen as una

presindeterminada. Se denomina agitacin trmicaal movi-miento desordenado de las molculas, ya que la energacintica media de las molculas es proporcional a la tempe-ratura.

La energa internade un gas abarca la suma de las energascinticas (agitacin trmica), la de las energas de excita-cin y la de las energas de interaccin entre las partculas.El nivel de energa interna, que es mayor en un gas que enun lquido o un slido, generalmente se denomina energatrmica o calor. El calor es la forma de energa caracterizadapor un aumento de la temperatura o un cambio del estadofsico.En el Sistema Internacional de unidades (S. I.), la tempera-tura se expresa en grados Kelvin (K), que constituyen laescala de temperatura absoluta, o en grados Celsius (C),antes denominados grados centgrados. Estos dos tipos de

unidades son de la misma magnitud y slo difieren por supunto cero:0 C = 273 K; 100 C = 373 K; 0 K = -273 C.La temperatura absoluta, T, se obtiene aadiendo 273 a latemperatura t en la escala Celsius: T = t + 273. A cero gradoKelvin, los movimientos moleculares estn abolidos; portanto, un gas no puede existir a esta temperatura. El puntocero de la escala Celsius corresponde al punto de congela-cin del agua, y el punto cien al de ebullicin.El calor es una forma de energa (energa calorfica) cuyaunidad es el julio en el S. I. (M. K. S. A.). Sin embargo, sesigue utilizando la calora, otra unidad que pertenece al sis-tema C. G. S. Se distinguen la kilocalora y la calora. La pri-mera (C mayscula), es la cantidad de calor que se debeproporcionar a 1 kilo de agua para aumentar su tempera-tura en 1 grado Celsius, en este caso, de 14,5 C a 15,5 C(= 4.184 julios). La segunda (c minscula), es la cantidad

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Elsevier,Par

s

ENCICLOPEDIAM

DICO-QUIRRGICA

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Fsica de los gases y los vaporesaplicada a la anestesia inhalatoria

La anestesia por va pulmonar se realiza por medio de uno o varios anestsicos inhala-

torios mezclados con un gas vector que es el aire, el oxgeno o ambos. Estos anestsi-

cos se administran en forma de gas o de vapor.

El trmino gas designa a una sustancia que, a temperatura y presin ambientes habi-

tuales, slo existe en estado gaseoso. Estos gases se conservan en forma comprimida

(estado gaseoso y/o estado lquido) dentro de bombonas. Se administran tras una sim-

ple expansin.

El trmino vapor denomina al estado gaseoso de una sustancia que, a temperatura ypresin ambientes habituales, se encuentra en estado lquido. Es el conjunto de las

molculas de una sustancia presentes por encima de la fase lquida de esta misma sus-

tancia. Estos vapores anestsicos se obtienen mediante un proceso de vaporizacin.

Los anestsicos inhalatorios (gases o vapores) se comportan en el organismo como

gases y siguen en principio sus leyes. La fisiopatologa de la anestesia inhalatoria

depende en gran medida de sus caractersticas fsicas y qumicas. El cuadro I resume

las principales caractersticas de los anestsicos inhalatorios.

J. C. Otteni

C. Boyer

J. R. Diebolt

B. E. Dumitresco

JC OTTENI, C BOYER, JR DIEBOLT, BE DUMITRESCO. Service dAnesthsie et

de Ranimation Chirurgicale Hpital de Hautepierre - Avenue Molire,

67098 - Strasbourg Cdex.


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CuadroI.

Caractersticasfsicasyqumicasdelosanestsicosvoltilesygaseosos

Lascifras

siguientesestnseguidasporsusreferenciasbibliogrficas.Encasodedivergenciaentrelosautores,seindicanlosvaloresextrem

os,ascomolacifraintermediapropuesta

msfrecuentemente.

Muchos

agentescitadosenlatablanoseutilizanms.Apart

edelinnegableintershistrico,suscaractersticasexplicanamenudolasrazonesdesuabandono.

Na

turaleza

Den

ominacin

Frm

ula

Peso

molecular

Inflamabilidad

Pres

incrtica

atm.

Temperaturacrtica

C Puntodeebullicin

C

760mmHg

Conc

.mx.

devapor

Vol.%

(20C)

mlvapor/mllquido

a(C)

Dens

idadvapor-

gase

ng/l(C)

Coef.departicin

37C

0,5

C

760

mm

Hg

71

3

mm

Hg

0C

20C

25C

37C

37C

agua/gas

sangre/gas

aceite/gas

caucho/gas

23/25C

{

Pres

inde

vapo

rsaturante

mm

Hg

20C

25C

37C

Densidadlquida

g/ml(C)

Calo

respecfico

cal/ml

cal/g

Calo

rlatente

devaporizacin

cal/ml(C)

cal/g(C)

s

s

s

no

no

no

no

s

no

no

no

s

s

ter

dietlico

ter

divinlico

Cloruro

deetilo

Cloroformo

Tricloro-

etileno

Halotano

Metoxiflurano

Fluroxeno

Enflurano

Isoflurano

Protxido

denitrgeno

Ciclopropano

Etileno

ANESTSICOSVO

LTILES

ANEST

SICOSGASEOSOS


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Anestesia FSICA DE LOS GASES Y LOS VAPORES APLICADA A LA ANESTESIA INHALATORIA

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de calor que se debe proporcionar a 1 gramo de agua paraincrementar su temperatura en 1 grado Celsius, de 14,5 Ca 15,5 C (= 4,184 julios).Existen dos tipos de cantidad de calor. El primero, el calorespecfico, es la cantidad de calor necesaria para aumentar latemperatura de un cuerpo sin modificar su estado fsico yqumico. El segundo, el calor latente, es la cantidad de calorliberada o absorbida al producirse un cambio de estado fsi-co o qumico a temperatura constante.El calor especfico de un cuerpo es igual al cociente entreel calor proporcionado a la unidad de masa de un cuerpo yla elevacin de temperatura que se produce como resulta-do. El calor especfico vara con la temperatura t. La unidades la calora/gramo/grado Celsius o el julio/kilogramo/grado Kelvin.El calor especfico de los gases es muy pequeo en rela-cin con el de los lquidos o los slidos. Como los gases sedilatan al calentarse, se distinguen el calor especfico deun gas a volumen constante (Cv) y el calor especfico deun gas a presin constante (Cp). En el caso del aire, Cp =

0,241 cal/g C y Cv = 0,171 cal/g C. En el caso del oxge-no, Cp = 0,22 y para el protxido de nitrgeno Cp = 0,21.Dado que el calor especfico de un gas es muy pequeo, hacefalta muy poco calor para modificar su temperatura. sta seequilibra rpidamente con la temperatura ambiente. El cortotrayecto que efecta en un tubo inspiratorio basta para que seconsiga el equilibrio y explica la dificultad para garantizar unabuena humidificacin de las mezclas gaseosas mediante unhumidificador calentador. En efecto, la temperatura de lamezcla gaseosa recalentada y humidificada desciende rpida-mente, y el vapor de agua se condensa en las paredes del tubo.

Transformacin lquido-gasEl paso del estado lquido al gaseoso (es decir, a vapor) sellama vaporizacin, y el contrario se denomina licuefaccin.La vaporizacin puede hacerse: en la superficie de separacin lquido-medio ambiente,es la evaporacin; o bien en el seno de un lquido, como burbujas que sedirigen a la superficie, es la ebullicin.Durante la evaporacin, las molculas de lquido abando-nan su superficie hasta que la presin parcial de vapor en laatmsfera que est por encima del lquido alcanza un valormximo. Este valor mximo es especfico del lquido consi-derado y se denominapresin de vapor saturante; depende dela temperatura, pero no de la presin atmosfrica. Se puedealcanzar esta presin mxima de vapor en un vaporizador,pues la atmsfera que est por encima del lquido tiene un

volumen limitado. Es posible incluso alcanzar una satura-cin de esta atmsfera si la corriente gaseosa que atraviesael vaporizador es suficientemente pequea en comparacincon la volatilidad del lquido anestsico. Por el contrario, sila atmsfera es ilimitada (evaporacin al aire libre) o si el

vaporizador es barrido por una corriente gaseosa impor-tante, la evaporacin es total; contina hasta que todo ellquido se ha transformado, ya que no se puede alcanzarninguna presin de saturacin.Se dice que un vapor es secocuando en su continente no exis-te su fase lquida correspondiente. Se dice que un vapor essaturante(o hmedo) cuando en su continente est en equi-librio con su fase lquida. La presin (o tensin) de vaporsaturante es la presin (y por tanto, la concentracin) mxi-

ma de gas que puede existir en contacto con la fase lquida.Siendo la presin de vapor saturante de halotano de241 mmHg a 20 C y 760 mmHg, la concentracin mximade anestsico que se puede alcanzar por evaporacin es de

241 x 100 = 31,7 vol. %760

Esta presin mxima depende de la naturaleza del lquido(es tanto mayor cuanto ms fcilmente se evapora el lqui-do) y de la temperatura (aumenta con ella). Por supuesto,la presin de vapor seco es siempre inferior a la presin de

vapor saturante.La vaporizacin de un agente anestsico est facilitada por un

punto de ebullicin bajo, una gran presin de vapor saturante, uncalor latente de vaporizacin pequeo, un importante arrastre delvapor por el gas vector, una gran superficie de evaporacin y unatemperatura elevada.

La ebullicin se produce cuando la presin de vapor es iguala la presin que soporta el lquido, normalmente la presinatmosfrica. La temperatura permanece constante durantetoda la ebullicin (lo mismo ocurre durante la fusin o la

solidificacin: as, estos puntos sirven como temperatura dereferencia). La temperatura de ebullicin es caractersticade un cuerpo puro y permite identificarlo.El calor latente define un calor de cambio de estado fsico(fig. 1). Se denomina calor latente de vaporizacina la canti-dad de calor necesaria, por unidad de masa de un cuerpopuro, para pasar del estado lquido al estado de vapor satu-rante sin que vare la temperatura. Este calor se libera denuevo durante el proceso de licuefaccin, es decir, delretorno del estado gaseoso al estado lquido (calor latentede condensacin). El calor latente de vaporizacin repre-senta la energa de separacin molecular, es decir, la ener-ga que se requiere para vencer las fuerzas de interaccinmolecular. Vara con la temperatura del lquido: es tanto

menor cuanto mayor sea sta ltima (hasta llegar a la tem-peratura crtica, a la que el lquido se transforma espont-neamente en vapor; entonces el calor latente de vaporiza-cin es nulo). Si este calor no es suministrado por una fuen-te externa, la temperatura del lquido desciende y la pre-sin del vapor disminuye. En definitiva, el elemento funda-mental de la evaporacin es el calor y, por extensin, lafuente de calor.La vaporizacin se puede producir a cualquier temperatu-ra. La cantidad de calor necesaria es la suma de c1 + c2: cantidad de calor requerida para alcanzar el punto deebullicin (c1) = masa x calor especfico lquido x (tempe-ratura de ebullicin temperatura actual); calor latente de vaporizacin de esta masa en el punto de

ebullicin (c2) = masa x calor latente de vaporizacin.De esta forma, la cantidad de calor necesaria para evaporar1 g de halotano a 20 C es:(c1) = 1 x 0,19 x (50,2 20) = 5,73(c2) = 1 x 35,2 = 35,2

40,93 caloras

El hecho de que el calor latente est indicado para una tem-peratura dada simplifica el clculo en la medida en que yase ha tenido en cuenta la cantidad de calor necesaria paraalcanzar el punto de ebullicin.La licuefaccinde un gas se puede obtener mediante refri-geracin, compresin o ambos.

Al enfriar un gas, la energa cintica de las molculas dis-minuye, las fuerzas de interaccin molecular aumentan, lasmolculas se aproximan y el volumen ocupado por el gasdisminuye. Su comportamiento se aleja progresivamente

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del de un gas perfecto y cada vez sigue menos las leyes quelo rigen. Por ltimo, las molculas se aproximan lo sufi-ciente para que el gas se transforme en lquido.

As, se puede licuar un gas comprimindolo con una pre-sin suficiente, siempre y cuando se disminuya su tempera-tura por debajo de un valor crtico, especfico de cada gas:es la temperatura crtica. Por encima de esta temperatura, la

energa cintica de las molculas es demasiado grande enrelacin con sus fuerzas de interaccin para permitir unalicuefaccin por compresin. La temperatura crtica es latemperatura a la que el calor latente de vaporizacin sehace nulo. La presin crtica es la presin necesaria paralicuar un gas a su temperatura crtica.El oxgeno, cuya temperatura crtica es netamente inferiora la temperatura ambiente, est siempre en forma de gas (atemperatura ordinaria), cualquiera que sea la presin de labombona; por tanto, sta ltima puede funcionar en cual-quier posicin. Al ser las temperaturas crticas del N2O, delCO2 y del ciclopropano superiores a la temperaturaambiente, estas sustancias estn en estado lquido dentro delas bombonas, que deben funcionar, por tanto, exclusiva-

mente en posicin vertical. Las temperaturas crticas delter, del halotano, del enflurano y de los dems anestsicos

voltiles sobrepasan lo suficiente la temperatura ambientepara que estos agentes se encuentren en estado lquido apresin ambiente.

Estas consideraciones permiten proponer una definicin ms preci-sa de un vapor: es una sustancia que por debajo de su temperatu-ra crtica se encuentra en estado gaseoso.

La masa volmicaes la masa de la unidad de volumen de unasustancia; depende de la temperatura. La masa volmica deun gas o de un vapor es el peso en gramos de un litro deeste gas o vapor. La densidad de un gas o de un vapor es larelacin entre su peso y el del mismo volumen de aire, encondiciones idnticas de temperatura y de presin. Todoslos anestsicos inhalatorios actuales, excluyendo el etileno,son ms pesados que el aire, y se propagan por esto endireccin al suelo.

Gases y vapores:

relaciones presin-volumen-temperatura

Una masa gaseosa se define en particular por tres magnitu-des (volumen, presin y temperatura) estrechamente rela-cionadas por leyes simples, vlidas para los gases perfectos.

Relacin volumen-presin, a temperatura constante:ley de Boyle-Mariotte

Sucesivamente, Boyle (1662) y despus Mariotte (1676)precisaron esta relacin.A temperatura constante, el volumen de una determinada masa degas es inversamente proporcional a la presin.

kV =

PAs, cuando se ha utilizado la mitad del contenido de ox-geno de una bombona, el gas restante ocupa un volumendos veces superior a aquel del que dispona anteriormente.Debido a esto, la presin bajar la mitad en relacin con lapresin inicial. En el caso del oxgeno, y contrariamente alN2O, al CO2y al C3H6, la medida de la presin en una bom-bona constituye tambin una medida del contenido.La representacin grfica de la ley de Boyle-Mariotte es unahiprbola equiltera denominada curva isoterma, especfi-ca de una temperatura determinada. El conjunto de curvasconstituye la red de isotermas de un gas (fig. 2).

Relacin presin-temperatura, a volumen constante

Segn las obras consultadas, esta relacin constituye la leyde Charles (1798) o bien la ley de Gay-Lussac (1802).A volumen constante, la presin de una determinada masa de gases proporcional a su temperatura absoluta.

A volumen constante, una cantidad dada de gas aumenta en1/273 la presin que ejerce a 0 C por cada grado Celsius de ele-vacin de la temperatura.

1 tPt = Po x x T = Po (1 + )273 273

Pt = presin a t CPo = presin a 0 C

1 = coeficiente de aumento de presin del gas a volumen273 constanteT = temperatura absolutaLa representacin grfica (fig. 3) es una lnea denominadacurva isocora, especfica de un volumen determinado.

Relacin volumen-temperatura, a presin constante

Segn las obras consultadas, esta relacin constituye la leyde Gay-Lussac (1802) o la ley de Charles (1798).A presin constante, el volumen de un gas es proporcional a su tem-

peratura absoluta.

A presin constante, una cantidad determinada de gas aumenta en1/273 el volumen que ocupa a 0 C, para cada grado Celsius deelevacin de la temperatura.

1 tVt = Vo x x T = Vo (1 + )

273 273Vt = volumen ocupado a t CVo = volumen a 0 C

1 = coeficiente de dilatacin del gas a presin constante273

T = temperatura absolutaLa representacin grfica (fig. 4) es una lnea denominadacurva isobara, especfica para una determinada presin.

1 Calor latenteAl calentar un lquido, se aumenta la energa cintica de sus mol-culas y por tanto su temperatura. Cuando se alcanza el punto deebullicin, el calor suministrado no aumenta ms la temperatura,puesto que ya no sirve para aumentar ms la energa cintica de lasmolculas, sino para romper las fuerzas de interaccin molecular.ste calor requerido para transformar un lquido en vapor duranteel perodo de temperatura constante constituye el calor latente devaporizacin. A partir del momento en el que todo el lquido se hatransformado en vapor, el calor suministrado aumenta la energacintica de las molculas de vapor y, por tanto, su temperatura.Durante la transformacin slido-lquido se desarrollan fenmenos

anlogos. Hay que resaltar que para 1 g de agua hay que propor-cionar 80 caloras para transformar el hielo en agua, 100 caloraspara pasar del punto de fusin al punto de ebullicin y 540 calo-ras para su transformacin en vapor.

Calor latente de vaporizacin

vaporizacin

licuefaccin

solidificacin

fusin

lquido +va

por

lquid

o

slid

o

vapor

calor latente

de fusin

slido +

lquido


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Ley de Avogadro (1811)

En las mismas condiciones de temperatura y de presin, volmenesiguales de cualquier gas encierran el mismo nmero de molculas.

En las condiciones estndar de temperatura (= 0 C = 273 K) y depresin (= 760 mmHg = 101 kPa), un mol de cualquier gas ocupaun volumen igual a 22,414 litros.

A 0 C y 760 mmHg, una molcula-gramo de un anestsicovoltil se transforma en 22,414 litros de vapor STPD.

1 g de anestsico lquido se transforma en22,414

1 000 ml de vapor STPDpeso molecular

1 ml de anestsico lquido se transforma en22,414 x densidad del lquido

x 1 000 ml de vapor STPDpeso molecular

As, 197,4 g de halotano lquido se transforman en 22,414litros de vapor STPD.

A 20 C, este volumen pasa a:

2022,414 (1 + ) = 24,056 litros273

37y a 37 C a 22,414 (1 + ) = 25,452 litros

273Sin embargo, mientras que a 0 C 1 ml de vapor contiene8,81 mg de halotano, slo contiene 8,21 mg a 20C y a 37 Cno contiene ms 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 devapor, a 20 C en 226,6 ml y a 37 C en 239,7 ml de vapor.Recurrir a la relacin densidad del lquido/densidad de

vapor permite tambin calcular que 1 ml de halotano lqui-do produce a 20 C1,860 x 1 000

= 226,6 ml de vapor8,21

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 contienenslo 8,21 mg y a 37 C, 7,76 mg, aunque est siempre a 1

vol. %. Adems, si esta mezcla est saturada de vapor deagua, la cantidad de halotano presente en 100 ml de mez-cla a 1 vol. % se reducir aun a

760 477,76 x () = 7,28 mg

760

Ecuacin de los gases perfectos

Se denomina gas perfectoa un gas ideal que obedecera rigu-rosamente a las leyes matemticas simples establecidas porBoyle, Mariotte, Charles y Gay-Lussac a partir de los datosexperimentales relativamente imprecisos de la poca. Ungas tiende hacia el estado de gas ideal cuando su densidad

y la energa de la unin (interaccin molecular) tiendenhacia cero. En realidad, cuando por ejemplo la presinaumenta (y por consiguiente, la densidad), las molculas seacercan entre s y las uniones intermoleculares intervienen.Se aleja as cada vez ms del estado perfecto.

El gas real tiene un comportamiento propio. Ningn gasreal sigue rigurosamente las leyes enunciadas previamente;ninguno tiene un coeficiente de dilatacin estrictamenteigual a 1/273. Las energas de interaccin, aunque dbiles,producen efectos mensurables. Un gas real se aleja tantoms del estado de gas perfecto cuanto que su peso molecu-lar aumenta, su presin se eleva y su temperatura disminu-

ye, y por tanto se acerca a las condiciones de licuefaccin, yviceversa. No obstante, por las necesidades de la prctica aneste-siolgica, se considera que los gases reales y los vapores se compor-tan como gases perfectos.

La combinacin de las leyes de los gases conduce a la ecua-cin de estado de los gases perfectos:

PV = constanteT

En el caso de un mol de gas a 0 C y 760 mmHg, esta cons-tante se representa por:

PV = RT

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2 Ley de Boyle-MariotteIsotermas de un gas perfecto.

3 Relacin presin-temperatura a volumen constante.

4 Relacin volumen-temperatura a presin constante.


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en el sistema MKSA, R = 8,31 julios/mol/grado Kelvin. V esel volumen ocupado por un mol de gas, a la presin P y a latemperatura absoluta T. En presencia de n moles, la ley seescribe as:

PV = nRTEsta ley se representa grficamente en forma de hiprbolasequilteras (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 relacin presin-

volumen-temperatura de un gas o de un vapor*.Para los gases reales, la ecuacin de estado se complica. Lared de isotermas de un gas real (fig. 5) no tiene el trazadosimple de la de un gas perfecto.Las isotermas permiten precisar la relacin presin-conte-nido de las bombonas de gas cuando stas se vacan deforma isotrmica a temperatura ambiente. Las condicionesisotrmicas se consiguen cuando el flujo de la botella no esdemasiado alto. Si, al contrario, la expansin o la compre-sin de un gas se hacen sin intercambio de energa con elambiente, el proceso se denomina adiabtico.Los agentes como el protxido de nitrgeno y el ciclopro-pano, cuyas temperaturas crticas son superiores a la tem-peratura ambiente, se encuentran en las bombonas en

forma de lquido, sobre el que est el vapor correspondien-te. La presin en el cilindro no es proporcional a la canti-dad de anestsico que contiene. Para conocer de forma pre-cisa el contenido de una bombona que contiene un agentelquido, hay que pesarla y restarle el peso de la botella vaca.Para agentes como el oxgeno, cuya temperatura crtica estnetamente por debajo de la temperatura ambiente, la bom-bona slo contiene gas. Su contenido es proporcional a lapresin que hay en el interior (contenido = volumen de labombona x presin interior).

Curva de presin de vapor

Cuando el vapor est en equilibrio con el lquido corres-pondiente, se lo denomina vapor saturante. Su presin seconoce como presin o tensin de vapor saturante para unatemperatura determinada. Corresponde a la porcin hori-zontal de la isoterma. La relacin grfica entre la presin yla temperatura para esta porcin horizontal constituye lacurva de presin de vapor (fig. 6). La curva de presin de

vapor determina la concentracin mxima de vapor quepuede producir un vaporizador a una determinada tempe-

ratura. Es un concepto fundamental para concebir y evaluarun vaporizador.

A una temperatura y una presin determinadas, el lquidoy su vapor estn en equilibrio. Si la temperatura aumenta,el equilibrio se rompe; una porcin suplementaria de lqui-do se evapora hasta que la presin de vapor aumenta yalcanza un nuevo punto de equilibrio. Si la temperaturabaja, el vapor se condensa hasta que la presin de vapor des-cienda y alcance una nueva presin de equilibrio.Cuando se abre el recipiente en el que el lquido y el vaporestn en equilibrio (ya se trate de una bombona o de un

vaporizador), el vapor escapa al exterior y su presin dismi-nuye por debajo de su presin de vapor saturante. Para res-tablecer el equilibrio roto, se evapora lquido hasta que lapresin parcial alcanza la presin de vapor saturante. Elcalor necesario para esta evaporacin proviene del lquido,cuya temperatura, por tanto, va a bajar.

* El volumen de un gas puede expresarse en litros o en moles de tres formasdiferentes. La ecuacin de los gases perfectos permite efectuar la transfor-macin de una forma a otra.En fsica, el volumen se define en la forma STPD (standard, temperature, pres-sure, dry). Son las condiciones denominadas normales o estndar: la presin

es la presin atmosfrica, la temperatura el 0 absoluto y el gas es seco. Enestas condiciones, un mol de gas ocupa 22,414 litros.En fisiologa, se utilizan tambin las condiciones ATPS y BTPS. Las condi-ciones ATPS (ambient, temperature, pressure, saturated) conciernen a la tem-peratura, la presin y la saturacin en humedad del ambiente. Se utilizan,por ejemplo, en la espirometra. Por el contrario, en los pulmones el airese calienta y se satura completamente de agua. En estos casos se utilizan lascondiciones BTPS (body, temperature, pressure, saturated). La siguiente formu-lacin de la ecuacin de estado de los gases permite efectuar las conver-siones:

P x V P1 x V1 =

T T1

(PB PH2O) x volumen (ATPS) 273Volumen (STPD) = x

273 + t 760

(PB PH2O) x volumen (ATPS) 273 + 37Volumen (BTPS) = x

273 + t PB 47

PB = presin baromtrica (mmHg)t = temperatura ambiente (C)PH2O = presin de vapor de agua del gas (mmHg)

5 Isotermas de un gas realA temperaturas que sobrepasan netamente la isoterma de tem-peratura crtica (lnea azul sealada con las siglas i. t. c.), las iso-

termas (t1 > t2 > t3) son hiprbolas equilteras, y el comporta-miento es el de un gas perfecto. En isotermas inferiores a la tem-peratura crtica el agente puede existir, en funcin de su volumeny de la presin, en forma de vapor, de lquido o como una mezclade ambos. Cuando el vapor se condensa en lquido, las isotermasse hacen horizontales, ya que en este caso una disminucin devolumen no aumenta la presin. Slo a partir del momento en queel volumen ha disminuido lo suficiente para transformar todo elvapor en lquido, la presin aumenta.En la zona que engloba las porciones horizontales de las isoter-mas (delimitada por una lnea punteada) coexisten el lquido y suvapor, estando en equilibrio el uno con el otro. A su izquierda, ybajo la isoterma de temperatura crtica, el agente existe nica-mente en forma lquida. Las isotermas correspondientes subenverticalmente, porque la compresin de un lquido (que es, pordefinicin, incompresible) genera grandes presiones. A la derecha

de la zona donde el lquido y el vapor coexisten y bajo la isoter-ma de temperatura crtica, el agente est presente en forma devapor. La ley de los gases perfectos se puede utilizar para apre-ciar el comportamiento de este vapor.Como ejemplo se puede citar el caso de la bombona de protxi-do de nitrgeno. Al comenzar a utilizarla, est casi llena de N2Olquido (punto Q). A medida que el agente sale de la bombona,aumenta el volumen de que dispone el vapor. Mientras existe unafraccin lquida, la presin del vapor correspondiente permanececonstante: es la porcin horizontal de la isoterma. Despus,cuando toda la fraccin lquida se ha transformado en vapor y elcilindro slo contiene vapor, la presin disminuye proporcional-mente a la cantidad de vapor que contiene.

Lquido

y vapor

Vapor

GasQ

Lquido

Volumen

Presin


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En el caso del halotano, si el aporte de calor es suficientepara subir su temperatura a 50 C, el lquido va a hervir, yaque su presin de vapor saturante se aproxima entonces ala presin atmosfrica. El punto de ebullicin es la tempe-ratura a la que la presin de vapor de una sustancia es iguala la de la presin exterior, que habitualmente es la presinatmosfrica. La mayora de las veces, los vapores con pro-piedades anestsicas provienen de lquidos cuyo punto deebullicin es inferior a 60 C.

Mezcla de gases Presiones parciales

Ley de Dalton (1801)

En una mezcla gaseosa, cada gas ejerce la presin (= presin par-cial) que ejercera si ocupara solo el volumen total.

La presin ejercida por una mezcla de diversos gases depen-de del nmero total de molculas, y no de que stas perte-nezcan a un gas determinado (es decir, de su naturaleza).Cada gas ejerce unapresin parcial en relacin con el nme-ro de sus molculas. La suma de presiones parciales de cadagas representa la presin de la mezcla de gases.La presin parcial de un gas (P) es igual a su concentracin

fraccionaria (F) multiplicada por la presin ambiente, esdecir, la presin baromtrica (PB). De esta forma:

PO2 = FO2 x PBLa concentracin fraccionaria F (o fraccin molar) seexpresa como una fraccin y no como un porcentaje:

% concentracin = F x 100Una concentracin del 100% se expresa como 1 y una con-centracin del 50% se expresa como 0,5.Si la concentracin de oxgeno en el aire inspirado es de20,93%, su presin parcial es:

PI02 = 0,2093 x 760 = 159 mmHg

= 0,2093 x 101 = 21,14 kPaLa ley de Dalton, que tiene una precisin suficiente parapresiones cercanas a la atmosfrica, no se verifica a las altas

presiones que hay en las bombonas de CO2 y de N2O.En una bombona que contiene N2O a 50 kg/cm2 de pre-sin, la adicin de O2 de manera que se eleve la presin a100 kg/cm2 no produce una mezcla O2/N20 del 50%. Dadala compresin del N2O por el O2 aadido, la concentracinfraccionaria de N2O ser ligeramente inferior al 50%. Lasconcentraciones realmente administradas dependen de los

volmenes introducidos en la bombona.

Solubilidad de los gases y de los vapores

Ley de Henry (1803)

La solubilidad de los gases y vapores en la sangre y los teji-dos tiene un papel fundamental en la farmacocintica delos anestsicos inhalatorios. El efecto de agentes muy solu-bles se produce ms lentamente que el de los agentesmenos solubles, ya que se debe administrar una cantidadmayor de dicha sustancia para que se alcance la concentra-cin cerebral necesaria.La ley de Henry describe la disolucin de un gas en unlquido con el que no reacciona, siempre y cuando la pre-sin no sea demasiado elevada ni la temperatura demasiadobaja. No se aplica a los vapores, que, en estado lquido, sonextremadamente miscibles con el solvente (por ejemplo:ter en aceite de oliva).La cantidad de gas (C) que se disuelve en un lquido es directa-mente proporcional a la presin parcial del gas en la superficie dellquido (P). La constante de proporcionalidad (k), se relaciona conla solubilidad del gas en el lquido.

La administracin de una mezcla N2O/O2 en una propor-cin 4/1 para inducir una anestesia produce una presinparcial de N2O (pN2O) que tiende a los 600 mmHg. En la

sangre, la presin parcial del nitrgeno (pN2) tiene idnti-co valor. Como la pN2O en sangre es igual a cero, el N2O sedisuelve rpidamente en la sangre, mientras que una parteequivalente de nitrgeno se expulsa en el aire espirado. Laanestesia se establece ms rpidamente si se impide,mediante un circuito anestsico adecuado, la reinhalacindel aire espirado que contiene nitrgeno.La constante de proporcionalidad, todava denominadacoeficiente de solubilidad, es especfica de un gas, de unlquido y de una temperatura determinados. Habitual-mente, disminuye cuando la temperatura aumenta. En rea-lidad, el aumento de la temperatura incrementa la energacintica de las molculas, que permanecen ms fcilmenteen estado gaseoso y tienen menos tendencia a entrar en

solucin. El fenmeno inverso se observa en los slidos,cuya disolucin est facilitada por el aumento de tempera-tura.El coeficiente de solubilidad se expresa en un gran nmerode unidades, lo que produce cierta confusin.

El coeficiente de Bunsen() es el volumen de gas STPD (0 C,760 mmHg) disuelto por unidad de volumen de solvente ala temperatura del ensayo y a una presin parcial de unaatmsfera.

El coeficiente de Ostwald() es el volumen de gas disuelto, ala temperatura y a la presin a las que se produce la disolu-cin, por unidad de volumen de solvente.

El coeficiente de particino de distribucin es la relacin entreel nmero de molculas de un gas en una fase y el nmerode molculas de gas en otra fase, cuando se alcanza el equi-librio entre ambas fases. Si una fase es un gas y la otra unlquido, el coeficiente de particin lquido/gas es idntico

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6 Curvas de presin de vapor.

Concentracin desaturacin (Vol. %)

Punto de ebullicin

te

rdivi

nlic

o

ter

dietlico

Halot

ano

Enflu

rano

Metoxifluran

o

Temperatura (C)

Presindevapor(mmH

g)


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al coeficiente de Ostwald. Tambin se utiliza para describirla distribucin entre medios como aceite/agua, cerebro/san-gre y otros. El coeficiente de particin es tambin especfi-co para una temperatura determinada.Cuando en un recipiente que encierra mitad sangre y mitadaire se introduce un agente anestsico y, una vez equilibra-dos, el 40% del gas se encuentra en la fase sangunea y el60% en la fase gaseosa, el coeficiente de particin san-gre/gas de este agente es 4/6 0,66. Cuanto mayor es elcoeficiente de particin sangre/gas, ms soluble es el agen-te anestsico en sangre y la induccin es ms lenta. En efec-to, la velocidad de induccin est condicionada por la velo-cidad de aumento de la presin parcial alveolar del anest-sico. Una gran solubilidad en sangre favorece la penetra-cin del anestsico en la circulacin pulmonar y se opone asu acumulacin en los alvolos. El coeficiente de particinaceite/agua debe ser bajo, para impedir el almacenamien-to lipdico y reducir as el tiempo requerido para la elimi-nacin del anestsico.

** *

Teniendo en cuenta los elementos antes expuestos, se puede

intentar definir las propiedades fsicas ideales de los agentesanestsicos inhalatorios.

El gas anestsico ideal es fcil de licuar, para que permanezcalquido a presiones poco elevadas y se pueda conservar en unabombona liviana y poco costosa. Adems, tiene una presin devapor suficientemente grande para que la refrigeracin producidapor la evaporacin no disminuya demasiado la presin en la bom-bona.

El anestsico voltil ideal tiene un punto de ebullicin superiora la temperatura ambiente, para que no sea demasiado voltil. Noobstante, este punto de ebullicin no debe sobrepasar los 60 C,pues si no la presin de vapor sera demasiado baja a temperatu-ra ambiente. En tal caso, no se podran alcanzar concentracionessuficientes para obtener una anestesia correcta, a menos que setratara de un anestsico especialmente potente.

Por ltimo, los coeficientes de solubilidad sangre/gas y acei-te/agua deben ser poco elevados.

36-100-A-10 FSICA DE LOS GASES Y LOS VAPORES APLICADA A LA ANESTESIA INHALATORIA Anestesia

Cualquier referencia a este artculo debe incluir la mencin: OTTENI JC,BOYER C, DIEBOLT JR et DUMITRESCO BE. Physique des gaz etvapeurs applique lanesthsie par inhalation. Encycl. Md. Chir.(Elsevier, Paris-France), Anesthsie, 36-100-A-10 et B-10, 8 p.

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Tema 003 Física de los gases y vapores aplicada a la anestesia inhalatoria.

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