流体的特性
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呼吸治疗物理学基础
— 流体的特性
2014年3月
流体的定义
物质的能量
液体的特性
气体的特性
流体的定义
气态
物质
液态 固态
流体的定义
气态
液态
流体的定义
气态
液体和气体都无固定状态， 具有流动性，因而将它们 统称为流体
流体
液态
流体是一种受任何微小的 剪切力作用时，都会产生 连续变形的物质
流体的定义பைடு நூலகம்
物质的能量
液体的特性 — 毛细管作用
液体毛细管作用 原理示意图
液体的毛细管作 用是指液体在管 径很小的管子中 能对抗自身重力 而向上运动，也 称为虹吸作用。 主要是由于液体 分子与管腔内壁 之间的黏附力和 液体的表面张力 所造成的
液体分子与管腔内 壁之间的黏附力会 使液体沿着管腔内 壁向上运动，而液 体分子间的表面张 力会使液面整体向 上运动。
氏温标。
热力学温标又称为国际温标，其应用符号位T，单位是开尔文（K） 摄氏温标，其应用符号为t，单位是摄氏温度（℃） 它们之间的转换关系为：T=273K+t（公式中273K为冰点的热力学温 度）
流体的定义
物质的能量
液体的特性
气体的特性
液体的特性
液体的黏滞性 液体的表面张力 液体的毛细管作用
液体由于分子间存 在一定的吸引力而 表现出一些特性
对于某一液体，其表面张力的大小与温度相关，
温度越高，液体表面张力越小
液体的特性 — 表面张力
p = 4ST/r
液体的表面张力会造成内部产生一定的压力。 根据Laplace定律，其内部产生的压力（p） 与表面张力（ST）成正比， 而与曲面半径（r）成反比
液体的特性 — 表面张力
p = 4ST/r
两个半径大小不等的液泡A和B相连时，液泡A因半 径较小而具有较大的表面张力和泡内压力，所以液泡 A内气体易排空至液泡B中
气体的特性 — 气体的弥散
定义
气体分子不停地进行着无定向运动，其结果是气体分子从压力高处向低 处转移，这一过程叫做气体的弥散。气体动能是气体弥散的动力。动能 越大，弥散越快。
气体弥散率
气体的特性 — 混合气体分压强的计算
临床中应用的气体大部分为混合气体，如吸入的空气
混合气体 分压强
混合气体与单一气体同样会产生压力，其大小等于所有成分气 体动能的总和 混合气体中的某一气体所产生的压力称为该气体的分压
液体的毛细管 作用广泛应用 与临床，如湿 化器内吸收水 分的湿化纸、 外科敷料和毛 细管采血针等
液面上升的距离与 管径有关，管径越 小，液面上升越高
流体的定义
物质的能量
液体的特性
气体的特性
气体的特性
气体和液体有很多相似之处，如都 具有产生压力、流动性和黏滞性等特 点，它们的不同之处在于，气体易被 压缩或膨胀和具有弥散功能。
悬浮其中
当血液中的细胞数增多
或水分子减少时，其黏 滞系数会进一步增大， 此时心脏须增加做功才 能推动血液循环
血液的黏滞系数
可达到水的五倍
液体的特性 — 表面张力
液体表面张力是指液体表面分子所产生的力
液体内部分子因在不同方向上都受到大小相同 的分子间引力而处于平衡状态
液体表面的分子只受到内部分子对它的引力， 所以液体表面在此作用下会尽可能地收缩至最 小面积。这就是为何液滴和气泡表面呈一球面
液体的特性
气体的特性
物质的能量
物质的能量
动能
物质因内部原子或分子 的不停运动而具有动能 气体分子间吸引力较小 分子运动较剧烈，所以 内能主要表现为动能
势能
物质因内部原子或分子之间 存在的吸引力而具有势能 液体因内部原子间吸引力较 大，所以内能主要表现为势能
物质的能量
物质的内能与其温度密切相关。温度越高，内能越大，因为升高温度 能加剧内部原子或分子的运动。 温度的数值常用温标表示，临床中常用的温标主要有热力学温标和摄
气体的特性 — 气体的动能与压力
• 因为气体分子间的吸引力较弱， 气体大部分内能表现为动能 • 气体分子能在任何方向上自由 运动，经常会碰撞产生压力
•
气体压力与温度相关，温度越高， 气体分子的速度越快，相互碰撞机会 增多，压力随之增大
• 温度越低，相互碰撞的机会减少 气体压力降低
动能 压力
•
•
在国际单位中，压力的单位为帕
道尔顿定律显示了各成分气体产生的分压与混合气体总压间的 关系
气体的特性 — 混合气体分压强的计算
道尔顿定律公式： P = P1 +P2 + P3 + ●●●●●
◆ P为混合气体的总压力， P1、P2、P3分别表示各成分气体的压力
◆ 混合气体的总压力等于各成分气体分压力的总和
◆ 各分压力的大小与其他成分气体存在与否无关 ◆ 分压力的大小可根据该气体在混合气体所占比例计算
（Pa）1Pa=1N/m2 • 对于大气产生的压力通常使用标准大 气压表示，简称大气压， 1atm=76cmHg=1.013X105Pa
临床中常用kPa,mmHg，cmH2O 表示气体压力， 1kPa≈7.5mmHg 1kPa≈10cmH2O
气体的特性 — 气体摩尔容量和密度
含有1g原子的任何物质具有相同的原子数量，其大小等于6.023X1023 此数称为阿伏伽德罗常数。在国际单位中，此数量的物质为1摩尔（mol） 1mol任何气体在相同压力和温度条件下具有相同的体积，即摩尔容积 在标准条件下，1mol任何气体的理想摩尔容积为22.4L 任何气体的密度等于气体质量除以体积，亦可应用气体的摩尔质量除以摩尔体积
黏滞性
液体的特性 — 黏滞性
F = ηS（dv/dx）
内摩擦力的大小（F）与相邻流体层之间的接触面积
黏滞性
（S）和速度梯度（dv/dx）成正比 η （伊塔）称为黏滞系数，其大小取决于液体的性质， 并与温度有关。随着温度升高而降低，所以液体温度
越高流动越快
液体的特性 — 黏滞性
血液是一种混合液体，不 同于单纯的水。它除含有 水分外，还有大量的细胞
黏滞性
液体的特性 — 黏滞性
黏滞性是液体运动的阻力，其大小与分子间吸引力有关 液体在管子中做稳定流动时，管内液体沿径向方向可分为若干层， 各层之间相互滑动，互不干扰而保持稳定状态 在各液体层中，靠近管子轴心处液体层的流速最大， 而越靠近管璧液体层的流速越小 液体的这种分层流动状体叫层流。层流时，相邻两液体层间的切向相互作用 力叫做内摩擦力或黏滞力。内摩擦力越大，液体粘滞性越大。
谢 谢！
气体的特性 — 气体在液体中溶解度的计算
亨利定律公式： VG = αPVL
◆ 在动态平衡中，溶解于液体的气体的体积（VG）与气体在液体外
的压力（P）以及液体的容积（VL）成正比
◆ 比例系数α是指在单位压力条件下溶于单位液体体积内，气体的 容量，称为气体在该液体中的溶解系数或溶解度。它与液体的种类 和温度有关
液体的特性 — 黏滞性
黏滞性是液体运动的阻力，其大小与分子间吸引力有关 液体在管子中做稳定流动时，管内液体沿径向方向可分为若干层， 各层之间相互滑动，互不干扰而保持稳定状态 在各液体层中，靠近管子轴心处液体层的流速最大， 而越靠近管璧液体层的流速越小 液体的这种分层流动状体叫层流。层流时，相邻两液体层间的切向相互作用 力叫做内摩擦力或黏滞力。内摩擦力越大，液体粘滞性越大。
气体的特性 — 气体在液体中溶解度的计算
部分与呼吸有关的气体在37℃时溶于某些液体中的溶解度（m3气体/m3液体●Pa）
吸入空气时，肺泡内氧分压为12.86kPa，100ml血液中仅溶约0.3ml 氧气。若吸入纯氧，肺泡内氧分压达89.5kPa，100ml血液中溶解氧 气为2ml，血液溶解氧增加6.7倍。在高压氧舱中，氧分压能达到 3X101.3kPa，血液内溶解的氧气能比平常提高20倍，所以能用于治 疗严重的缺氧性疾病，如一氧化碳中毒等。
当对两者充气时，因液泡A表面张力较大，所以扩张 液泡A所需的压力较大
人体肺泡表面覆盖有一层液体，这层液体的表面张力 会对肺泡内部产生一定压力
当肺泡扩张时，表面张力减小，肺泡内压力降低；而 当肺泡缩小时，表面张力增大，易致肺泡萎缩。
由于肺泡璧上的表面活性物质能降低表面张力，所以 能避免肺泡在呼吸时萎陷
对于混合气体密度的计算，必须知道混合气体内部各气体的浓度
气体的特性 — 气体状态方程
气体的状态参量
气体的特性 — 气体状态方程
理想气体状态方程： PV = （M/u）RT u为气体的摩尔质量，R为摩尔气体的常数，大小等于 8.31J/mol●K。 在临床中，我们通过此公式计算气体的某个状态参量的改变 对其他参量的影响，如高压气体剩余容积的计算、液氧的制 作等。
气体的特性 — 气体在液体中溶解度的计算
当气体和液体共存时，无规则运动的气体分子总会不停地碰撞液体表面，致使一部 分气体分子进入液体内部而溶解
而此时溶于液体中的一部分分子亦会碰撞液面又返回到气体中
在一定的压强和温度下，经过一定时间后，进入液体的气体分子与离开液面的气体 分子数目相等，此时即达到动态平衡状态
— 流体的特性
2014年3月
流体的定义
物质的能量
液体的特性
气体的特性
流体的定义
气态
物质
液态 固态
流体的定义
气态
液态
流体的定义
气态
液体和气体都无固定状态， 具有流动性，因而将它们 统称为流体
流体
液态
流体是一种受任何微小的 剪切力作用时，都会产生 连续变形的物质
流体的定义பைடு நூலகம்
物质的能量
液体的特性 — 毛细管作用
液体毛细管作用 原理示意图
液体的毛细管作 用是指液体在管 径很小的管子中 能对抗自身重力 而向上运动，也 称为虹吸作用。 主要是由于液体 分子与管腔内壁 之间的黏附力和 液体的表面张力 所造成的
液体分子与管腔内 壁之间的黏附力会 使液体沿着管腔内 壁向上运动，而液 体分子间的表面张 力会使液面整体向 上运动。
氏温标。
热力学温标又称为国际温标，其应用符号位T，单位是开尔文（K） 摄氏温标，其应用符号为t，单位是摄氏温度（℃） 它们之间的转换关系为：T=273K+t（公式中273K为冰点的热力学温 度）
流体的定义
物质的能量
液体的特性
气体的特性
液体的特性
液体的黏滞性 液体的表面张力 液体的毛细管作用
液体由于分子间存 在一定的吸引力而 表现出一些特性
对于某一液体，其表面张力的大小与温度相关，
温度越高，液体表面张力越小
液体的特性 — 表面张力
p = 4ST/r
液体的表面张力会造成内部产生一定的压力。 根据Laplace定律，其内部产生的压力（p） 与表面张力（ST）成正比， 而与曲面半径（r）成反比
液体的特性 — 表面张力
p = 4ST/r
两个半径大小不等的液泡A和B相连时，液泡A因半 径较小而具有较大的表面张力和泡内压力，所以液泡 A内气体易排空至液泡B中
气体的特性 — 气体的弥散
定义
气体分子不停地进行着无定向运动，其结果是气体分子从压力高处向低 处转移，这一过程叫做气体的弥散。气体动能是气体弥散的动力。动能 越大，弥散越快。
气体弥散率
气体的特性 — 混合气体分压强的计算
临床中应用的气体大部分为混合气体，如吸入的空气
混合气体 分压强
混合气体与单一气体同样会产生压力，其大小等于所有成分气 体动能的总和 混合气体中的某一气体所产生的压力称为该气体的分压
液体的毛细管 作用广泛应用 与临床，如湿 化器内吸收水 分的湿化纸、 外科敷料和毛 细管采血针等
液面上升的距离与 管径有关，管径越 小，液面上升越高
流体的定义
物质的能量
液体的特性
气体的特性
气体的特性
气体和液体有很多相似之处，如都 具有产生压力、流动性和黏滞性等特 点，它们的不同之处在于，气体易被 压缩或膨胀和具有弥散功能。
悬浮其中
当血液中的细胞数增多
或水分子减少时，其黏 滞系数会进一步增大， 此时心脏须增加做功才 能推动血液循环
血液的黏滞系数
可达到水的五倍
液体的特性 — 表面张力
液体表面张力是指液体表面分子所产生的力
液体内部分子因在不同方向上都受到大小相同 的分子间引力而处于平衡状态
液体表面的分子只受到内部分子对它的引力， 所以液体表面在此作用下会尽可能地收缩至最 小面积。这就是为何液滴和气泡表面呈一球面
液体的特性
气体的特性
物质的能量
物质的能量
动能
物质因内部原子或分子 的不停运动而具有动能 气体分子间吸引力较小 分子运动较剧烈，所以 内能主要表现为动能
势能
物质因内部原子或分子之间 存在的吸引力而具有势能 液体因内部原子间吸引力较 大，所以内能主要表现为势能
物质的能量
物质的内能与其温度密切相关。温度越高，内能越大，因为升高温度 能加剧内部原子或分子的运动。 温度的数值常用温标表示，临床中常用的温标主要有热力学温标和摄
气体的特性 — 气体的动能与压力
• 因为气体分子间的吸引力较弱， 气体大部分内能表现为动能 • 气体分子能在任何方向上自由 运动，经常会碰撞产生压力
•
气体压力与温度相关，温度越高， 气体分子的速度越快，相互碰撞机会 增多，压力随之增大
• 温度越低，相互碰撞的机会减少 气体压力降低
动能 压力
•
•
在国际单位中，压力的单位为帕
道尔顿定律显示了各成分气体产生的分压与混合气体总压间的 关系
气体的特性 — 混合气体分压强的计算
道尔顿定律公式： P = P1 +P2 + P3 + ●●●●●
◆ P为混合气体的总压力， P1、P2、P3分别表示各成分气体的压力
◆ 混合气体的总压力等于各成分气体分压力的总和
◆ 各分压力的大小与其他成分气体存在与否无关 ◆ 分压力的大小可根据该气体在混合气体所占比例计算
（Pa）1Pa=1N/m2 • 对于大气产生的压力通常使用标准大 气压表示，简称大气压， 1atm=76cmHg=1.013X105Pa
临床中常用kPa,mmHg，cmH2O 表示气体压力， 1kPa≈7.5mmHg 1kPa≈10cmH2O
气体的特性 — 气体摩尔容量和密度
含有1g原子的任何物质具有相同的原子数量，其大小等于6.023X1023 此数称为阿伏伽德罗常数。在国际单位中，此数量的物质为1摩尔（mol） 1mol任何气体在相同压力和温度条件下具有相同的体积，即摩尔容积 在标准条件下，1mol任何气体的理想摩尔容积为22.4L 任何气体的密度等于气体质量除以体积，亦可应用气体的摩尔质量除以摩尔体积
黏滞性
液体的特性 — 黏滞性
F = ηS（dv/dx）
内摩擦力的大小（F）与相邻流体层之间的接触面积
黏滞性
（S）和速度梯度（dv/dx）成正比 η （伊塔）称为黏滞系数，其大小取决于液体的性质， 并与温度有关。随着温度升高而降低，所以液体温度
越高流动越快
液体的特性 — 黏滞性
血液是一种混合液体，不 同于单纯的水。它除含有 水分外，还有大量的细胞
黏滞性
液体的特性 — 黏滞性
黏滞性是液体运动的阻力，其大小与分子间吸引力有关 液体在管子中做稳定流动时，管内液体沿径向方向可分为若干层， 各层之间相互滑动，互不干扰而保持稳定状态 在各液体层中，靠近管子轴心处液体层的流速最大， 而越靠近管璧液体层的流速越小 液体的这种分层流动状体叫层流。层流时，相邻两液体层间的切向相互作用 力叫做内摩擦力或黏滞力。内摩擦力越大，液体粘滞性越大。
谢 谢！
气体的特性 — 气体在液体中溶解度的计算
亨利定律公式： VG = αPVL
◆ 在动态平衡中，溶解于液体的气体的体积（VG）与气体在液体外
的压力（P）以及液体的容积（VL）成正比
◆ 比例系数α是指在单位压力条件下溶于单位液体体积内，气体的 容量，称为气体在该液体中的溶解系数或溶解度。它与液体的种类 和温度有关
液体的特性 — 黏滞性
黏滞性是液体运动的阻力，其大小与分子间吸引力有关 液体在管子中做稳定流动时，管内液体沿径向方向可分为若干层， 各层之间相互滑动，互不干扰而保持稳定状态 在各液体层中，靠近管子轴心处液体层的流速最大， 而越靠近管璧液体层的流速越小 液体的这种分层流动状体叫层流。层流时，相邻两液体层间的切向相互作用 力叫做内摩擦力或黏滞力。内摩擦力越大，液体粘滞性越大。
气体的特性 — 气体在液体中溶解度的计算
部分与呼吸有关的气体在37℃时溶于某些液体中的溶解度（m3气体/m3液体●Pa）
吸入空气时，肺泡内氧分压为12.86kPa，100ml血液中仅溶约0.3ml 氧气。若吸入纯氧，肺泡内氧分压达89.5kPa，100ml血液中溶解氧 气为2ml，血液溶解氧增加6.7倍。在高压氧舱中，氧分压能达到 3X101.3kPa，血液内溶解的氧气能比平常提高20倍，所以能用于治 疗严重的缺氧性疾病，如一氧化碳中毒等。
当对两者充气时，因液泡A表面张力较大，所以扩张 液泡A所需的压力较大
人体肺泡表面覆盖有一层液体，这层液体的表面张力 会对肺泡内部产生一定压力
当肺泡扩张时，表面张力减小，肺泡内压力降低；而 当肺泡缩小时，表面张力增大，易致肺泡萎缩。
由于肺泡璧上的表面活性物质能降低表面张力，所以 能避免肺泡在呼吸时萎陷
对于混合气体密度的计算，必须知道混合气体内部各气体的浓度
气体的特性 — 气体状态方程
气体的状态参量
气体的特性 — 气体状态方程
理想气体状态方程： PV = （M/u）RT u为气体的摩尔质量，R为摩尔气体的常数，大小等于 8.31J/mol●K。 在临床中，我们通过此公式计算气体的某个状态参量的改变 对其他参量的影响，如高压气体剩余容积的计算、液氧的制 作等。
气体的特性 — 气体在液体中溶解度的计算
当气体和液体共存时，无规则运动的气体分子总会不停地碰撞液体表面，致使一部 分气体分子进入液体内部而溶解
而此时溶于液体中的一部分分子亦会碰撞液面又返回到气体中
在一定的压强和温度下，经过一定时间后，进入液体的气体分子与离开液面的气体 分子数目相等，此时即达到动态平衡状态