background image

first stage 

Medical Physics                                  

 

Lec-6

 

4/1/2016

 

د.تيماء

 

 

 

The Physics of the Lungs and Breathing 

 

 The human “ machine “ really consists of billions of very small  “engines “ the 
living cells of the body .Each of these a miniature engines must be provided with 
fuel ,O2 ,and  a method of getting rid of the products  . 
The blood and its vessels (cardiovascular system )  serve as the transport for these 
engines .The lungs  (pulmonary  system )serve as the supplier of O2 and disposes 
of the main by  product  - CO2 .The blood takes the O2 to the tissues and 
removes the CO2 from the tissues ; it must come in close contact with the air in 
the lungs in order to exchange its load of CO2 for a fresh load of O2 . 
 

The function of  the Lungs 

1. Exchanging of O2 ands CO2 . 
2. Keeping the PH (acidity ) of the blood constant . 
3. Heat exchange . 
4. Keeping the fluid of the body balance by warming and moisturizing 
    the air we breath . 
5 . Controlled the flow of air for talking , coughing ,sneezing , sighing , 
     laughing , and   sniffing . 
6 . Voice production . 
 
 

Breathing 

 We breath about 6 liters of air per  minute .Men breath about 12 times per 
minute at rest ,Women breath about 20 times per minute ,Infants breath about 60 
times per minute .The air we inspired  is about 80% N2 and 
20% O2 .Expired air is about 80% N2 ,16% O2 and 4%  CO2 .We breath about 
10 Kg of air each day .Of this the lungs absorbs 400 liters of O2 
(0.5 Kg) and release a slightly smaller amount of CO2 .Each time we breath , 
about  10²² molecules of air enter our lungs .Each liters of air contain about  
6  x10²³molecules (Avogadro’s number ). 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

 

Air ways 

 The principal air passage into the lungs are shown in figure ( 1) . Air normally 
enters the body through the nose where it is warmed , filtered and 
moisturized .The air then passes through trachea  .The trachea divides into two to 
furnish air to each lung through the bronchi . Each bronchus divides  and  
re divides about 15 times , the resulting terminal bronchioles supply air to 
millions of small sacs called alveoli  .  
 

 

figure 1 

 

 

The alveoli is small interconnected bubbles are about 0.2 mm in diameter and  
have walls only  0.4 μm thick (figure 2) .They expand and contract during 
breathing  ; they are in the exchanging of O2 and CO2 .Each alveolus is 
surrounded by blood so that O2 can diffuse from the blood into the air in the 
alveolus .   


background image

 

 

                                        Figure (2 ) 
 
 
 

The Physics of Exchanging of Gas between the Lungs and the 
Blood 

 The transfer of O2 and CO2 into and out of the blood is controlled by the 
physical law of diffusion .All molecules are continually in motion. In gases and 
liquids , and to certain extent even in solids , the molecules do not remain in one 
direction .Molecules  of a particular type diffuse from region of higher 
concentration to a region of lower concentration until the concentration is 
uniform In the lungs we are concerned with diffusion in both gas and liquids .In 
the O2 and CO2 exchange in the tissues we are concerned only with diffusion in 
liquids .The molecules in a gas at room temperature move at about the speed of 
sound . Each molecule collides about 10¹º times each second with neighboring 
molecules . 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

 The distance D of molecule will travel from its origin  after N collisions is  
 

      

D=  λ√ N 

 

   Where λ is the mean free path. 
 
   

λ is  defined as  the average distance between   collision .    

   in air λ  =10 ‾ 7 m 

  in tissue λ  = 10 ‾ ¹¹ m  
 
Example (1)  
 What is the typical value of D in air and in tissue for an O2 molecule after 1 sec 
if N= 10¹º in air and in tissue N = 10¹² ? 
 
   In air D = 10‾ 7 (10¹º)½ =10‾²  m 
                                               - 5  
In tissue D = 10‾¹¹  ( 10¹² )½ = 10m 
 
Diffusion depends on the speed of the molecules , the speed of molecules 
increases with temperature . 
Since N is proportional to 
 the diffusion time Δ t . 

       N  α Δt   
       D  α √ Δt   
       Δt α  D ² 
 

In the lungs the distance to be traveled in air  usually a small fraction  of a 
millimeter ,and diffusion takes place in a fraction of a second .The diffusion of 
O2 and CO2 in tissue is about  10,000 times slower than it is in air , but the tissue 
thickness of the molecules must diffuse through in the lungs is very small (0.4μm) 
and diffusion through the alveolar wall takes place in much less than 1 sec .  
 
 
 
 
 
 


background image

 

 To  understand the behavior of gases in lungs it is necessary to know Dalton’ s 
law of partial pressures .Dalton’s law state that if you have a mixture of several 
gases , each gas make its own contribution to the total pressure as though it were 
all alone .  

 

  
The pressure exerted by any one of the  gases is known as the partial pressure of 
that gas , and the total pressure of these gases is the sum of the partial pressures 
of the mixture gases . 
 

        p   = p    +  p   +  p -----    
     total     t 1       t2     t3 
 
  where p is a partial pressure  
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

Henry s Law of Solubility of Gases 

 Henry s law states that the quantity of a gas going into simple solution at constant 
temperature is proportional to the pressure .if we have a closed container  of blood and 
CO2 ,It found that some of O2 molecules collide with blood and are dissolved .After a 
while the number of O2 molecules that are escaping from the blood each second is the 
same as the number that are entering it .The blood then has a PO2 equal to that of the 
O2 in contact with it .If  PO2 in the gas phase is doubled , the amount of O2 dissolved 
in the blood will also double . This proportionality is Henry s law of solubility of 
gases .The amount of gas dissolved in blood varies greatly from one gas to 
another .Oxygen is not very soluble in blood or water .The different solubility of O2 
and CO2 in tissue affect the transport of these gases across the alveolar wall. A 
molecule of O2 diffuse faster than a molecule of CO2 because of its smaller mass . 
However , because of greater number of CO2 molecules in solution , the transport of 
CO2 is more efficient than the transport of O2.  The mixture of gases in the alveoli is 
not the same as the mixture of gases in ordinary air .The lungs are not emptied during 
expiration .During normal breathing the lungs retain about 30 % of their volume at the 
end of each expiration . This is called the functional residual volume (FRC).At each 
breath 500 cm³ of fresh air ( PO2 of 150 mm Hg ) mixes with 2000 cm³  of stale air in 
the lungs to result in alveolar air with a PO2 100 mm Hg .The PCO2 in the alveoli is 
about 40 mm Hg .Expired air includes about 150 cm  of relatively fresh air from the 
trachea that are not in contact with alveolar surface , so expired air has a slightly 
higher PO2 and lower PCO2 than alveolar air . 
 

         

The percentages and partial pressures of O

2

and CO

2

in 

inspired ,alveolar and Expired  .

32

4.5

116

16.3

Expired

air  

40

5.6

100

14.0

   

Alveolar 
air

0.3

0.04

150 

20.9

Inspired 
air 

PCO

2

(mmHg )

% CO

2

PO

2

(mmHg)

% O

2

 


background image

 

        
 




رفعت المحاضرة من قبل: Hasan Abdulmawjoud
المشاهدات: لقد قام 51 عضواً و 1380 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل