PHYSICS
FOR THE
ANAESTHETIST
INCLUDING A SECTION ON
EXPLOSIONS
Sir ROBERT MACINTOSH
D. M., F.R.C.S.E., F.F.A.R.C.S., M.D. (bon. causa) Buenos Aires and Aix-Marseilles
Nuffield Professor of Anaesthetics, University of Oxford
WILLIAM W. MUSHIN
М.Л, M.B., B.S., F.F.A.R.C.S.
Professor of Anaesthetics, Welsh National School of Medicine, University of Wales
Formerly First Assistant, Nuffield Department of Anaesthetics,
University of Oxford
H. G. EPSTEIN
M.A., Ph. D„ F.F.A.R.C.S.
First Assistant, Nuffield Department of Anaesthetics
University of Oxford
Illustrated by Miss M. McLarty and Miss M. Beck
SECOND EDITION
BLACKWELL
SCIENTIFIC PUBLICATIONS
OXFORD
Р. МАКИНТОШ, У. МАШИН
X. ЭПШТЕЙН
ФИЗИКА
АНЕСТЕЗИОЛОГОВ
ПЕРЕВОД С АНГЛИЙСКОГО
Е. А. Т Е П Л И Ц КОГО
ПОД РЕДАКЦИЕЙ
заслуженного деятеля науки
проф. И. С. ЖОРОВА
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО"
МЕДИЦИНСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
МОСКВА— 1962
Р. МАКИНТОШ. У. МАШИН, X. ЭПШТЕЙН
Физика для анестезиологов
*
Редактор О. Д. Брилль
Техн, редактор 3. А. Романова
Корректор В. Н. Самсонова
Переплет художника С. II. Новского
Сдано в набор 4 III 1961 г. Подписано к печати 3/1V 1962 г. Формат
бумаги 60Х90г/1в. 24,75 печ. л. + 0,25 печ. л. вкл. (условных 25,00 л.)
21,42 уч.-изд. л. Тираж 8000 экз. МН—75.
Медгпз, Москва, Петроверигский пер., 6/8
Заказ 00351. Отпечатано в Полиграфическом предприятии «13 Декабря 1918»
Бухарест, Р.Н.Р. 1962.
Цена 1р. 31 к.
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА
К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ
Анестезиология получает все более и более широкое раз-
ни rue. Современный наркоз стал господствовать при вну-
ipui рудных операциях, все шире и шире внедряется в хнрур-
1ИЮ брюшной полости, в оперативную урологию, гпнеко-
loi ню и акушерство, в детскую хирургию, ортопедию и
। равматологпю, в оперативную стоматологию, в офтальмо-
опию п т. д.
Число врачей-специалистов анестезиологов п хпрургов-
нисстезиологов увеличивается с каждым днем. Растут ряды
клинических ординаторов, аспирантов, преподавателей и
научных работников по анестезиологии.
Таким образом, уже в настоящее время существует це
ла и армия врачей, посвятивших свою деятельность анесте-
зиологии.
Все это делает неотложным выпуск руководств, учеб-
ников, монографий, по которым можно было бы обучаться
практике и теорип наркоза.
Особенно остра необходимость овладения теоретическими
основами современного наркоза.
Советская медицинская литература располагает в настоя-
щее время рядом книг по анестезиологии, отдельными ра-
но сами по физике наркоза и взрывчатости некоторых нарко-
I II ков .
В этой же книге читатель найдет ответ на многие спе-
циальные вопросы физики наркоза, мало освещенные в
hi Гературе.
В ней объединено все, касающееся физических свойств
..’зболивающих веществ, с большой полнотой описаны свой-
< гва летучих наркотиков. Это делает понятным самый про-
цесс их введения в организм, в известной степени определяет
и \ судьбу в тканях и особенности их элиминации из
организма.
Монография хороню иллюстрирована, что значительно
полегчает понимание многих законов физики и усвоение
нужных для анестезиолога знаний.
5
Jiojii.nioii раздел в книге посвящен опасное сям взрыва
и его профилактике при применении некоторых взрывчатых
парко гиков и их смесей с кислородом. Этот раздел исчер-
пывающе излагает всю эту проблему.
Мы полагаем, что настоящая книга принесет большую
пользу анестезиологам и хирургам, применяющим совре-
менный наркоз, а тем самым и больному человеку.
Проф. И. Ж оров
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ
К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ
В последнее время врачи-анестезиологи склонны уделять
больше внимания техническим вопросам, недооценивая роль
основных наук, на которых базируется наша специальность.
В годы войны, когда потребность в анестезиологах резко
возросла, их приходилось выпускать в сжатые сроки. При
этом на первом плане неизбежно оказывались несколько про-
фессиональных приемов, например, как ввести иглу в вену
или в спинномозговой канал или как вставить трубку
в трахею. Значение техники в той области, которая в
конечном счете является искусством, трудно переоценить;
тем не менее небольшие книжные знания пришлись бы
весьма кстати и помогли бы ускорить развитие нашей
специальности, минуя дорогостоящий путь эмпирических
выводов.
Мы не претендуем на звание физиков. Мы — практикую-
щие врачи-анестезиологи, получившие в свое время доста-
точное образование. Мы сознаем ограниченность наших знаний
в области физики, но они не уступают знаниям тех анесте-
зиологов, которые посещают специальные курсы усовер-
шенствования. Мы считаем справедливым их высказывание,
что нет книги, которая помогла бы им освежить свои зна-
ния или получить нужные сведения. Правда, существуют
книги по вопросам применения физики в медицине, но они
слишком трудны для анестезиолога, уставшего после дня
напряженной работы в операционной; к тому же человеку,
не являющемуся физиком по специальности, не всегда просто
найти в этих учебниках ответы на прямые вопросы.
Мы поставили перед собой задачу собрать такие случаи
применения фпзики в анестезиологии, с которыми нам при-
ходится иметь дело в нашей повседневной работе. Многие
из них носят элементарный характер, ибо мы не забываем
о практикующем враче, который начинает заниматься вопро-
6
сами анестезиологии в сравнительно позднем периоде своей
жизни, когда физика вспоминается ему всего лишь как
один из барьеров в преодолении школьной программы. По
этой же самой причине мы стремились не столько к точ-
ности, сколько к простоте. Заведомо трудно дать точные
определения основных терминов и процессов. Наши опре-
деления достаточно точны в рамках поставленной задачи,
которая состоит в том, чтобы дать практикующим анесте-
зиологам и врачам других специальностей, включая сюда
и зубных врачей, элементарные знания по физике, необхо-
димые в их практической работе.
Нам очень повезло в том отношении, что мы смогли
заинтересовать нашего коллегу доктора X. Эпштейна, взяв-
шего на себя общее руководство. Благодаря его обширным
познаниям в области фпзпкн мы почти совсем не пользо-
вались справочной литературой. Он указывал на ошибки,
вызываемые попытками чрезмерного упрощения, и обнару-
живал «подводные камни», таящие опасность для тех, кто
переступил границы своей собственной профессии. Мы благо-
дарны ему за исправление нашей рукописи, проверку иллю-
страций и проведение множества лабораторных эксперимен-
тов, которые ответили на вопросы, являющиеся предметом
долгих споров среди анестезиологов.
Нам повезло и в том, что мы смогли воспользоваться
услугами г-жи Маклартп. Она считает, что искусство иллю-
стрирования заключается в том, чтобы ясно выразить основ-
ную мысль авторов. Книга эта, как и предыдущее издание,
в основном представляет собой рассказ в картинках. Любая
экономия времени пли усилий читателя при уяснении изло-
женных в книге понятий отнюдь не отражает того времени,
которое потребовалось для их графического представления.
Подобно автору, которому для наиболее краткого изложе-
ния своей мысли приходится несколько раз переделывать
один и тот же параграф, мы нашли, что даже относительно
простой рисунок иногда требуется несколько раз изменить,
чтобы устранить все неточности и детали, не относящиеся
к делу.
Мы рады выразить нашу признательность г-же Мард-
жори Гибсон за ту помощь, которую она умело и охотно
оказывала нам, выполняя обязанности секретаря.
Роберт М аки итоги
Уильям М аги и и
ПРЕДИСЛОВИЕ ABIOPOB
КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ
Часто говорят, что преподавание — лучитп вид учения.
Двенадцать лет назад анестезиологи, приходившие к нам
в отделение, часто поднимали вопросы, связанные с приме-
нением физики в нашей специальности. Когда мы не знали,
как на них ответить, мы обращались за помощью к соответ-
ствующим источникам. Наши затруднения часто сводились
к тому, чтобы согласовать научную точность с простотой
и краткостью. Фраза, достаточно точная, чтобы удовлетво-
рить ученого, может оказаться слишком тяжеловесной для
клинициста, не подготовленного к перевариванию столь
невкусной нищи. В конце концов мы почувствовали необхо-
димость взяться за перо и попытались с помощью этой книги
повысить аппетит анестезиолога к знаниям, сделав меню
более привлекательным.
Несмотря на повторное стереотипное переиздание, книга
распродана еще около пяти лет назад. Мы сознавали необхо-
димость выхода в свет исправленного и дополненного издания,
но назначение моего соавтора на должность заведующего
кафедрой анестезиологии Уэльского университета и недо-
статок свободного времени, связанный с требованиями после-
военного периода, не позволили нам проводить свободные
вечера в совместной работе над книгой. И опять нам на
помощь пришел доктор X. Эпштейн со своими знаниями,
на этот раз присоединившись в качестве третьего автора для
участия в подготовке нового издания.
В основе своей книга не выходит за рамки элементарных
знаний, но мы могли бы проявить более любезное отноше-
ние к читателю и набрать некоторые новые материалы петп
том, который обычно указывает на то, что данный материал
не является крайне необходимым и не очень легко усваи-
вается. Однако трудно было решить, какие разделы книги
надо «разжаловать» в разряд петита, если вообще в ней
есть материалы, которые этого заслуживают. Изменения и
дополнения, включая новые главы о редукционных клапа-
нах и взрывах, следует отнести почти целиком к заслуге
(пли ответственности!) доктора Эпштейна и профессора
Машина. Несмотря на точность вычислений на всех проме-
жуточных этапах, мы сочли целесообразным округлить резуль-
таты до второго пли третьего знака. Из тех же сообра-
жений мы не считали необходимым проводить различие меж-
ду кубическими сантиметрами и миллилитрами.
Роберт Маки, н т о ш
Отделение анестезиологии Оксфордского
университета, январь 1958 г.
ГЛАВА I
ПЛОТНОСТЬ ГАЗОВ
Строение материи
Элемент, сколько бы его ни делили химическими и ш
механическими способами, остается тем же самым веще
ством; его свойства не изменяются. Примеры — водород,
гелии, углерод, азот, кислород, хлор.
Соединение состоит из двух или большего числа элемен-
тов, химически соединенных в вещество, отличающееся и •
своим свойствам от отдельных элементов, которые его состав
ляют. На определенной стадии деления соединение пере-
стает существовать как таковое и распадается на свои
составные элементы. Так бывает, например, с эфиром, кото-
рый состоит из углерода, водорода и кислорода, или с
закисью азота, состоящей из азота и кислорода.
Молекулой называется мельчайшая частица вещества,
сохраняющая его отличительные свойства. Таким образом,
если соединение разделить на молекулы, оно остается тем
же соединением; по если это деление продолжить, то ока-
жется, что каждая молекула состоит из атомов элемента.
Все знают, что и атомы можно расщепить, но для наших
целей достаточно определить атомы как мельчайшие частицы,
на которые можно разделить элемент. Атомы некоторых
элементов, например гелия, существуют в свободном состоя
нип как отдельные самостоятельные единицы. Между ато-
мом н молекулой гелия пет никакой разницы. Атомы мно-
гих других элементов, например кислорода, водорода, азота,
не существуют в свободном состоянии, а связаны с другими
атомами н образуют молекулы. Гак, два атома кислорода
при соединении образуют молекулу кислорода, что пзобра
жается формулой О2. Газоообразпып кислород, с которым
все мы знакомы, состоит из множества молекул кислорода.
Если атом кислорода соединяется с атомами других элементов,
образуется молекула нового вещества. Например, молекула
эфира состоит из одного атома кислорода, 4 атомов углерода
п 10 атомов водорода. Это изображается формулой (С2Н5)2О
9
Движение молекул
Тот факт, что плотность твердых тел и жидкостей при
атмосферном давлении значительно превышает плотность
газов, объясняется малыми расстояниями между молеку-
лами в твердых и жидких телах по сравнению с расстояниями
в газообразных телах.
Молекулы, из которых состоит вещество, находятся в
непрерывном движении, интенсивность которого, а также
способность молекул изменять свое положение зависят от
того, в каком состоянии находится вещество — в жидком,
твердом пли газообразном. В последующем примере мы рас-
сматриваем одно и то же вещество в трех агрегатных со-
стояниях при равных температурах (рис. 1). В твердой среде
взаимное расположение молекул не изменяется, они лишь
совершают колебательные движения относительно некото-
рой неподвижной точки. Молекулы в жидкой среде под-
вижны и постепенно изменяют свое положение, перемещаясь
по всей жидкости. Однако свободный путь молекулы в
жидкости до столкновения со своими соседями крайне мал.
В газообразной среде1 молекулы обладают гораздо боль-
шей свободой передвижения и проходят большие расстояния
до столкновения с другими молекулами.
Скорость движения молекул при любой данной темпера-
туре приблизительно не зависит от того, находится ли веще-
1 Рис. 1 лишь приблизительно отражает фактическое положение.
Например, молекула азота имеет диаметр около ЗА (1А = 1 ангстрем =
10 см—8). Если газ находится под давлением в 1 атм, «средняя длина
свободного пути» между столкновениями должна составлять около
1000 А. В этом случае длина пробега между двумя столкновениями
была бы на рисунке в 300 раз больше диаметра кружочков, изображаю-
щих молекулы.
10
ство в твердом, жидком или газообразном состоянии. Однако
в результате меньшего числа столкновений в единицу вре-
мени молекулы в газе перемещаются в любом данном на-
правлении на большее расстояние, чем в жидкости. Благо-
даря подвижности своих молекул жидкости и газы не имеют
определенной формы. Все газы, как и многие жидкости,
легко смешиваются между собой.
Атомный все
Атомный вес кислорода берется за эталон, с которым
сравнивают атомные веса других элементов. Атомный вес
кислорода принят равным 16; водород, самый легкий пз
всех элементов, в 16 раз легче кислорода, поэтому его атом-
ный вес равен 1.
Вес атома углерода составляет 3/4 веса атома кислорода
и в 12 раз больше веса атома водорода. Поэтому атомный
вес углерода равен 12. Примеры атомных весов1.
Водород 1
Гелий 4
Углерод 12
Азот 14
Кислород 16
Натрий 23
Сера 32
Хлор 35
Калий 39
Бром 80
Молекулярный все
Молекулярный вес вещества, твердого пли жидкого, ра-
вен сумме весов всех атомов, составляющих молекулу дан-
ного вещества. Так, кислород, изображаемый формулой О2,
имеет молекулярный вес 32; эфир, изображаемым формулой
(С2Н5)2О или С4Н10О, имеет молекулярный вес (4-12) +
+ (10-1)+ 16 = 74.
Нетрудно вычислить и молекулярный вес закиси азота
N2O, который равен 44.
Из сказанного выше следует, что вес одной молекулы
эфира относится к весу одной молекулы закиси азота как
74 к 44; равным образом 74 г эфира содержат то же число
молекул, что и 44 г закиси азота.
Термин «моль» является сокращенным обозначением
«грамм-мол екулярно го веса». Грамм-молекулярным весом
1 Почти все элементы являются смесью нескольких сортов атомов,
отличающихся друг от друга по массе на одну или несколько единиц.
Атомы с одним и тем же зарядом ядра (см. стр. 343) и одинаковой
массой называются изотопом данного элемента. Хлор содержит 75%
изотопа с атомным весом 35 и 25% изотопа с атомным весом 37. Бром
является смесью равпых количеств изотопов с атомным весом 79 и 81.
В химических расчетах пользуются средним атомным весом естествен-
ной смеси изотопов Для хлора он равен 35,5, для брома 80. В при-
веденных примерах атомные веса округлены до целых чисел (прим,
ред.).
11
вещества называется его молекулярный вес, выраженный в
граммах. Так, один моль эфира равен 74 г. Грамм-молекулы
всех веществ содержат равные количества молекул.
Согласно закону 1вогадро, равные объемы различных
газов при одинаковой температуре и давлении содержат
равные числа молекул.
Рис
Экспериментально и теоретически показано, что грамм-
молекула любого газа при одной и топ же температуре и
давлении занимает один и тот же объем. При 0°С и 760 мм
ртутного столба, т. е. при нормальной температуре и дав-
лении (сокращенно, при нормальных условиях), этот объем
равен 22,4 л. Поэтому вес 22,4 л любого газа при нормаль-
ной температуре и давлении составляет вес грамм-молекулы
этого газа.
Рис. 2 иллюстрирует сказанное выше на примере трех
веществ в газообразном состоянии. Вес контейнеров в расчет
12
не принимается. В каждом случае вес 22,4 л вещества рав-
няется его молекулярному весу в граммах1. Если исходить
из предположения, что газ ведет себя как идеальный газ
(стр. 100), при комнатной температуре этот объем увеличи-
вается примерно до 24 л.
На протяжении всей книги, когда температура и давле-
ние в комнате соответствуют средним величинам (20°С п
760 мм ртутного столба), мы говорим о «комнатных» усло-
виях; во всех случаях, когда это не оговорено особо, подразу-
меваются нормальная температура и давление.
Число молекул в 1 см3 идеального газа при нормальной тем-
пературе и давлении впервые подсчитал Лошмит[1] (Loschmidt)
в 1865 г. По новейшим подсчетам, «число Лошмита»
L = 2,68 • 1019 мол/см3.
Число молекул, содержащихся в одной грамм-молекуле
любого элемента или соединения, известно под названием
числа Авогадро; его величина А= 6,02-1023.
Плотность
Плотностью газа обычно называют вес 1 л этого газа в
граммах.
Поскольку грамм-молекула любого газа занимает объем
„„ . я	молекулярный вес
22,4 л, 1 л газа весит: ---------------- г.
22,4
Молекулярный вес эфира 74; следовательно, при нор-
мальных условиях вес 1 л паров эфира 2
74
22,4
равен:
Плотность принято выражать в граммах на литр; таким
образом, плотность паров эфира равна 3,3 г/л.
Плотность закиси азота (молекулярный вес 44) равна:
Плотность паров хлороформа (молекулярный вес 119)
119
равна:--- =5,3 г/л.
22,4
С практической точки зрения воздух состоит из смеси
одного объема кислорода и 4 объемов азота.
1 Последний пример па рис. 2 иллюстрирует гипотетический слу-
чай, так как пары чистого эфира не существуют при нормальной темпе-
ратуре и давлении (см. стр. 16).
2 См. предыдущую сноску.
13
1
При нормальной температуре и давлении вес — л кисло-
5
32	1
рода равен: ---•—г=0,29 г;
22,4 5
„	4	28 4
Бес— л азота равен: ----- • — г=1,0 г.
5	22,4 5
Следовательно, вес 1 л воздуха равен: 0,29 г + 1,0г = 1,Зг.
Плотность воздуха равна 1,3 г /л.
Таким образом, закиси азота в I1 /2 раза тяжелее воз-
духа, пары эфира—в 2х/2 раза, пары хлороформа —в 4 раза.
Плотность газа иногда выражают в относительных вели-
чинах, приняв за единицу плотность воздуха. В этом слу-
чае относительная
эфира — 21 /2 и паров хлороформа — 4.
Хотя слово «плотность» в обиходе принято употреблять
для обозначения веса данного объема газа, лучше пользо-
ваться правильным научным термином «удельный вес».
Удельный вес — это вес единичного объема вещества.
Он измеряется, например, в граммах на литр.
Наряду с этим употребляется другое определение удель-
ного веса, согласно которому он равен: а) для жидкостей —
отношению удельного веса жидкости при любой данной тем-
пературе к удельному весу воды при 4°С; б) для газов —
плотность закиси азота равна 1/2, паров
отношению удельного веса газа к удельному весу воздуха;
обычно и тот и другой берутся при нормальной температуре
и давлении.
Хлороформные весы Уоллера1
Уоллер [2] (Waller) воспользовался законом Архимеда,
использовав различие плотностей воздуха и паров хлоро-
форма для измерения и регулировки концентрации паров хло-
роформа в смеси хлороформа и воздуха, подаваемой больному.
Основой аппарата являются точные весы в газонепроницае-
мой камере. На одном плече весов подвешена запечатанная
стеклянная колба емкостью 1000 см3, которая точно уравно-
вешивается небольшим грузом на другом плече. Когда ка-
мера весов наполнена воздухом, стрелка-индикатор стоит
на нуле. В камере имеются два отверстия — входное и
выходное. Смесь хлороформа и воздуха поступает через
верхнее отверстие и через другое отверстие подается боль-
ному .
Концентрацию паров хлороформа можно регулировать с
помощью крана на банке, смонтированной на левой стенке
корпуса весов.
См. также сноску на стр. 251.
14
Рис. 3. Смесь хлороформа и воздуха на пути к больному
проходит через камеру с весами. Воздух вытесняется и
колба, оказавшись в более тяжелой среде смеси хлороформа
и воздуха, начинает подниматься. Уравновешивающий груз
также поднимается, но настолько незначительно, что это
можно не принимать в расчет, поскольку объем груза по
сравнению с объемом стеклянной колбы ничтожно мал.
Смесь mtpoff сслсроформа
Рис. 3.
В результате стрелка весов отклоняется влево. Шкалу легко
калибровать с таким расчетом, чтобы она показывала кон-
центрацию хлороформа в смеси, проходящей через камеру
с весами.
По закону Архимеда, разница между весом стеклянной
колбы в воздухе и в смеси воздуха с хлороформом равна раз-
нице между весом 1000 см3 смеси паров хлороформа и весом
1000 см3 воздуха, который она вытесняет.
1000 см3 воздуха весят 1,3 г,
1000 см3 паров СНС13 весят 5,3 г; таким образом, раз-
ница равна 4 г.
Кажущееся уменьшение веса стеклянной колбы при взве-
шивании в 100% смеси паров СНС13 равно 4 г \ при взве-
шивании в 10% смеси СНС1 — 400 мг1, в 2% смеси — 80 мг,
в 1% смеси — 40 мг.
Когда камера наполнена воздухом и вес запаянной стек-
лянной колбы точно уравновешен, стрелка стоит на нуле.
Затем к первоначальному грузу прибавляют 40 мг, и ту
точку на шкале, где останавливается стрелка, маркируют
1 Эти концентрации при комнатных условиях (или при нормальной
температуре п давленип) могут быть только в гипотетическом случае.
75
цифрой I. Прибавление 80 ыг дает точку для цпфры 2,
160 mi — для цифры 4. Теперь шкала калибрована таким обра-
зом, чтобы показывать концентрации паров хлороформа в
воздухе, обычно употребляемые в клинической практике.
Плотность пара
При переходе вещества из жидкого состояния в газо-
образное в условиях атмосферного давления его объем увели-
чивается в сотни раз. Из этого следует, что плотность пара
при давлении в 1 атм. гораздо меньше, чем плотность соот-
ветствующей жидкости.
Плотность жидкого эфира 0,72, т. с. вес 1 см3 жидкого
эфира равен 0,72 г.
Как мы уже знаем, 1000 см3 паров эфира весят 3,3 г;
следовательно, 0,72 г паров эфира занимают объем, равный
1000 q = 220 см3. Таким образом, 1 см3 жидкого эфира
3,3
при испарении дает 220 см3 паров эфира при нормаль-
ной температуре п давлении. В комнатных условиях эта
величина повышается до 230 см3.
Поскольку точка кипения эфира равна 34,6°С, нераз-
бавленные пары эфира не могут существовать в комнатных
условиях. Однако при вычислении мы исходим из обрат-
ного, т.е. допускаем возможность существования паров эфира
в виде неразбавленного газа при нормальной температуре и
давлении. Справедливость такого допущения подтверждается
следующим фактом: если 1 см3 эфира испарить и смешать
с таким количеством воздуха (при комнатной температуре),
чтобы образовать 50% смесь паров эфира в воздухе, то
объем смеси будет равен 4(>0 см3, т.е. в 2 раза больше того
гипотетического объема, который занимали бы неразбавлен-
ные пары.
Плотность жидкого хлороформа равна 1,5. Как мы ви-
дели, вес 1000 см3 паров хлороформа составляет 5,3 г;
следовательно, 1,5 г паров хлороформа занимают объем:
; 280 см3; 1 см3 жидкого хлороформа прп испа-
э ,3
рении дает 280 см3 паров хлороформа при нормальной тем-
пературе и давлении.
Плотность жидкой закиси азота при 20°С и 51 атм.
равна 0,80. Вес 24 л газа К2О в комнатных условиях
равен 44 г; следовательно, 0,80 г газа занимает объем:
24
77 - 0,80 л = 440 см3.
44
L см3 жидкой N2(J при 20°С и 51 атм. дает прп испаре-
нии 440 см3 газообразной N2O в комнатных условиях.
16
П рактическое применение
По-вндпмому, наиболее точный метод введения паров
жидкого анестезирующего вещества в любой желаемой кон-
центрации состоит в пспарешш заранее вычисленного объема
жидкости в известный объем воздуха с последующей пода-
чей получаемой смеси больному. Этот метод сто лет назад
использовал в экспериментах на животных Сноу [3] (Snow),
а позднее в клинике Кловер [4] (Clower).
Хлороформный аппарат Кловера
Молекулярный вес хлороформа (СНС13) равен 119; 119 г
хлороформа в газообразном состоянии при нормальной тем-
пературе и давлении занимают объем 22,4 л. Вес 1 см3
жидкого хлороформа равен 1.5 г; исходя из этого, легко
подсчитать, что 1 см3 жидкости прп испарении дает 280 см3
паров хлороформа. При комнатной температуре этот объем
увеличивается примерно до 300 см3.
Чтобы получить 4% смесь па-
ров хлороформа в воздухе,чистые
пары хлороформа следует раз-
в 24 раза превышающем их соб-
если 1 см3 жидкого хлороформа,
образует 300 см3 паров, смешать
, то получим 7500 см3 4% смеси
вести в объеме воздуха,
ственпый объем. Так, i
который прп пена ренин
с (300•24) см3 воздуха,
паров хлороформа в воздухе.
Рис. 4. Раздвижную камеру-гармонику емкостью 7200 см3
наполняют воздухом. Шприц содержит 1 см3 жидкого хло-
2 Физика для анестезиологов.
17
реформа. В центре испарительной камеры находится сосуд
с горячей водой, покрытый снаружи промокательной бума-
гой. Испарительная камера соединена с большим резервуа-
ром посредством широкой резиновой трубки. Раздвижную
камеру медленно сжимают.
Клапаны, работающие в
одном направлении, обес-
печивают проход 7200 см3
воздуха через испаритель,
в который каплями мед-
ленно вводят 1 см3 хлорофор-
ма. Пары хлороформа 4%
концентрации накаплива-
ются в резервуаре. Процесс
повторяют до тех пор, пока
резервуар не наполнится до
отказа. Кран закрывают и
широкую резиновую трубку
отсоединяют от испарителя
и присоединяют к наркоз-
Рис. 5.	ной маске, показанной на
рис. 5.
Емкость раздвижной камеры, которую использовал Кло-
вер, составляла около 16 000 см3, шприц содержал 40 капель
жидкого хлороформа.
Рис. 5. Наркозная маска снабжена двумя короткими
трубками; одна из них соединяется с гибкой трубкой от
резервуара, другая содержит пружинный выдыхательный
клапан Кловера. В конце гибкой трубки около маски имеет-
ся боковое отверстие для подачи разбавляющего воздуха;
размер отверстия можно регулировать путем вращения коль-
цевой муфты. Когда отверстие полностью закрыто, боль-
ной вдыхает 4% смесь хлороформа, содержащуюся в резер-
вуаре. Это устройство служило для разведения сильной
смеси, содержащейся в резервуаре, а также для того, чтобы
сделать введение газа менее неприятным; с помощью его
осуществлялась регулировка дозы, необходимой для под-
держания наркоза.
К 1862 г. маска была уже снабжена надувным ободком.
На рис. 6 показано устройство клапана Кловера.
Диск клапана был сделан из материала, похожего на
эбонит. Стержень, прикрепленный к центру диска, проходит
через опорный вкладыш, сидящий в поперечной шайбе
внутри трубки. На нижнем конце стержня имеется упор
для слабой нажимной пружины. Другой конец пружины
упирается в шайбу.
Собранный клапан вставляли в короткую трубку на
маске.
18
Примеры
1.	2 см3 жидкого эфира полностью испаряют в 10 л воз-
духа. Какова концентрация паров эфира в получаемой смеси?
В комнатных условиях 2 см3 жидкого эфира при испа-
рении дают 460 см3 паров эфира. Объем добавленного воз-
духа равен 10000 см3. Общий объем — 10460 см3.
'	х	460
Концентрация паров эфира равна: ------
10 460
2.	1 см3 жидкого дивинил-эфира испаряют
в 10 л воздуха. Какова концентрация паров
дивинил-эфира в получаемой смеси?
Дивинил-эфир: формула (СН2СН)2О, моле-
кулярный вес 70, плотность 0,77 г/см3.
При комнатной температуре 70 г паров
,	.	24
дивинил-эфира занимают объем 24 л, 1 г — — л;
24
0,77 г - 0,77  — • 1000 см3= 260 см3.
70
1 см3 жидкого дивинил-эфира при испарении образует
260 см3 паров. При добавлении 10 000 см3 воздуха концен-
трация паров дивинил-эфира будет составлять
'о •
. 100 = 4,4%
Рис. 6.
260
10 260
100 = 2,5%.
3.	Через банку с эфиром за 1 минуту проходит 5 л за-
киси азота и 2 л кислорода. В течение часа расходуется
3 унции1 жидкого эфира Какова средняя концентрация паров
эфира в получаемой смеси?
3 унции = 3-28 см3.
3-28 см3 жидкого эфира = 3 • 28 • 230 см3 паров эфира.
7 л /мин = 7 • 1000 • 60 см3 час.
Следовательно, средняя концентрация паров эфира в
смеси (приблизительно):
3 • 28 • 230
7•1000•60 ’
100 = 4,6%
ЛИТЕРАТУРА
1.	Loschmidt J. S. В. Akad. Wiss. Wien., 1865, 52, 395—407.
2.	Waller A. D. a Greets V. Brit. Med. J., i, 1903, 1421.
3.	Snow J. On chloroform and other anaesthetics, p. 80, Lend., 1858.
4.	Traer J. R. Med. Times Gaz. ii, 1862, 148—149.
Унция равна 28,4 см3.
ГЛ \ВА II
УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ
Необходимо проводить четкое различие между теплом и
температурой. Тепло можно передавать веществу или полу-
чать от него. Температура — тепловое состояние вещества,
которое определяет, передаст ли оно тепло или получит
его от другого вещества, с которым оно соприкасается.
Калория. За единицу количества тепла принята калория
(кал); она определяется как количество тепла, необходимое
для нагревания 1 г воды па 1°С.
Пример
Какое количество тепла требуется для нагревания 1 л
(около 1000 г) воды от 18° до 37°?
Для нагревания 1 г воды на ТС требуется 1 кал;
»	»	1000 г » ТС »	1000 кал
»	»	1000 г »	19°С	»	19 000 кал — 19 ккал
Более крупная единица количества тепла — килокало-
рия (ккал) употребляется также для выражения калорий-
ности продуктов питания.
Удельпая теплоемкость
Для нагревания одной и топ же массы различных веществ
в любом интервале температур требуются разные количества
тепла. Удельной теплоемкостью вещества называется число
калорий,, “необходимое для повышения температуры 1 г
этого вещества на 1СС. Поскольку для нагревания 1 г воды
на 1°С требуется 1 кал, удельная теплоемкость воды равна 1.
Интересно отметить, что ни одно из общеупотребляемых
веществ не имеет удельной теплоемкости выше I.
Удельная теплоемкость эфира1 равна 0,5 кал/г. Это
означает, что для повышения температуры 1 г эфира на
1°С требуется 0,5 кал.
1 Удельная теплоемкость вещества зависит от того, находится
оно в газообразном или жидком состоянии. Для эфира эта разница очень
невелика и мы со не учитываем.
20
Употребляют п несколько иное определение удельной
теплоемкости, относя ее не к 1 г, а к 1 см3 вещества.
Поскольку удельный вес эфира 0,72 г/см3, удельная
теплоемкость, отнесенная к единице объема жидкости, равна
0,5-0,72 = 0,36 кал/см3.
1 см3 жидкого эфира при пспареппп дает 230 см3 паров
эфира, следовательно, удельная теплоемкость паров эфира
равна: ^^ = 0,0016 кал/см3.
230
1
1 г эфира может существовать в форме 1) см3 жидкого
1
эфира =1,4 см3 жидкого эфира пли 2)	• 230 см3 паров
эфира = 320 см3 паров эфира.
Таким образом, мы можем сказать, что
1) удельная теплоемкость жидкого эфира равна 0,5 кал/г
0 5
пли 2)	»	»	»	»	»	———0,36 кал /см3
1,4
0.5	1
и 3)	»	»	парой »	»	--- ---- =
1,4 230
= 0,0016 кал/см3.
Мы видели, что в комнатных условиях объем вещества
при одном и том же весе в газообразном состоянии во много
сотен раз больше, чем в жидком. Из этого, а также из
определения удельной теплоемкости, приведенного выше, сле-
дует, что удельная теплоемкость газа в калориях на 1 см3
во много сотен раз меньше, чем удельная теплоемкость соот-
ветствующей жидкости.
Удельная теплоемкость обычно выражается в калориях
на грамм веса вещества, но так как для анестезиолога суще-
ствуют лишь объемы жидкостей пли газов, мы считаем более
целесообразным выражать удельную теплоемкость в кало-
риях на 1 см3 вещества жидкого или газообразного.
Поскольку вес 1 см3 воды очень близок к 1 г, число
калории, необходимое для нагревания 1 г или 1 см3 воды па
любое число градусов, одинаково. Для газов в комнатных
условиях разница в количествах тепла, требуемых для нагрева-
ния 1 г и 1 см3 вещества на 1°С, очень велика. Так, для
паров эфира эти величины, выраженные в калориях, равны
соответственно 0,5 и 0,0016. Для воздуха эта разница еще
больше. Удельная теплоемкость воздуха равна 0,24 кал/г.
1 г воздуха прп нормальной температуре и давлении зани-
1
мает объем:
1,3
770 см3. Следовательно, удельная теплоем-
л =
21
кость1 * воздуха может быть выражена как кал/см3 =
0,0003 кал /см3.
Таким образом, для нагревания 1 см3 воздуха на 1°С
требуется 0,0003 кал, тогда как для нагревания 1 г воздуха
на 1°С требуется 0,24 кал.
Пример
Какова удельная теплоемкость 10% смеси паров эфира
в воздухе?
Удельная теплоемкость паров эфира равна 0,0016 кал/см3;
воздуха — 0,0003 кал/см3.
Следовательно, удельная теплоемкость 10% смеси паров
эфира в воздухе равна:
. 0,001б) 4- (— • 0,0003) = 0.00016 % 0,00027 =
110 J 110	)
= 0,0004 кал/см3 -
1
Это составляет лишь удельной теплоемкости жидко-
го эфира (в кал/см3) (табл. 1).
Таблица 1
Удельная теплоемкость некоторых веществ
Вещество	Удельная тепло- емкость в нал/см8
Вода 	 Жидкий эфир 	 Пары эфира 	 10% смесь паров эфира в воздухе 	 Кислород 	 Воздух 		1 0,36 0.0016 0,0004 0,0003 0.0003
Рис. 7. Взяты равные объемы (10 см3) меди, жидкого
эфира, паров эфира и кислорода для сравнения удельных
теплоемкостей твердого тела, жидкости, пара и газа в кало-
риях на 1 см3. В связи с большими различиями сравнивае-
мых величин используется самое незначительное количество
( 1 )
тепла I— кал! и повышение температуры можно измерять
одинаковыми термометрами.
1 Согласно определению удельной теплоемкости, она должна выра-
жаться в кал/г-град. Для удобства печатания градусы опущены и
единица теплоемкости обозначается как кал/г.
22
В то время как это незначительное количество тепла
повышает температуру кислорода на 32°С, медь нагревается
лишь на 0,012°С. Температура жидкого эфира повышается
на 0,028°С, а температура такого же объема паров эфира —
на 6,2°С. Медь и жидкий эфир нагреваются настолько мало,
что для отсчета показаний термометра требуется увеличитель-
ное стекло. По данным этих опытов, можно вычислить
удельные теплоемкости используемых веществ:
Медь...... 0,80	кал/см3
Жидкий эфир	..	0,36	»
Пары эфира	....	0,0016	»
Кислород ...... 0,0003	»
3,3
Опыты, изображенные на рис. 7, показывают большие
различия в степени пагрева равных объемов различных
веществ при сообщении им одного и того же количества
тепла.
Рис. 8. Три вещества — воду, жидкий эфир и кисло-
род, — имеющие температуру 20°С, пропускают через трубку,
окруженную 1 см3 теплой воды, пока окружающая вода
пе отдаст 1 кал, на что укажет снижение температуры воды
от 30 до 29°С. Оказывается, 1 кал достаточно, чтобы повы-
сить температуру 3200 с№ кислорода на 1°С. Для жидкого
эфира соответствующий объем составляет всего 2,6 см3, а
для воды (удельная теплоемкость равна 1) — 1 см3.
Обыденным примером низкой удельной теплоемкости газа
может служить зажженная сигарета. Тлеющий конец имеет
температуру порядка нескольких сот градусов. Однако,
пройдя менее 8 см, вдыхаемые горячие газы уже достаточно
охлаждаются, чтобы не обжигать губы и язык курящего [1] .
Из этих опытов видно, что температуру газа можно
повысить, затратив сравнительно небольшое количество тепла.
И наоборот, теплосодержание газа при нормальном давле-
нии невелико и быстро истощается, если газ вступает в
контакт с более холодной окружающей средой.
Понимание этого факта рассеет неверное представление,
существующее среди анестезиологов. До сих пор принято
считать, что если подогревать анестезирующие газы, когда
опи входят в стандартную дыхательную трубку, смесь посту-
пает в маску теплой, т. е. нагретой выше комнатной темпера-
туры. Однако в действительности при использовании полу-
открытой системы (например, аппарата Бойля) газы появ-
ляются в маске, имея по существу комнатную температуру,
какова бы ни была их температура при поступлении в
столь знакомую нам гофрированную дыхательную трубку
(стр. 40).
Общее количество тепла, требуемое для нагревания дан-
ного объема вещества на определенное число градусов, опре-
деляется по формуле: объем (в см3) X удельную теплоемкость
(в кал/см3  град.) X повышение температуры (в°С).
Примеры
1.	Какое количество тепла требуется для нагревания
1 унции (28 см3) жидкого эфира на 10°С?
Объем (28 см3) X удельную теплоемкость (0,36 кал/см3)
X повышение температуры (10°С) = 28 • 0,36 • 10 = 100 кал.
Разницу между числом калорий, требуемым для нагре-
вания равных объемов а) жидкости и б) газа в одном it том
же интервале температур, можно хорошо уяснить из сле-
дующих двух примеров.
24
Рис. 8.
2.	Какое количество тепла требуется для нагревания 1 л
воды от 18 до 37°С?
а = 1000 • 1 • 19 = 19000 кал.
3.	Какое количество тепла требуется для нагревания 1 л
10% смеси паров эфира в воздухе от 18 до 37°С?
б = 1000-0,0004- 19=7,6 кал.
Практическое применение
В наркозных аппаратах высокую удельную теплоемкость
воды иногда используют для предотвращения быстрого охлаж-
дения жидкого эфира. Один из примеров осуществления
этого принципа описан на стр. 32. Другим примером может
служить ингалятор Кловера.
Рис. 9. Одна половина эфнрницы в эфирном ингаляторе
Кловера [2] находится в закрытой камере с водой. Вода
служит источником тепла для испарения эфира. При этом
участвуют два различных физических процесса. В первом
очевидном процессе используется тепло, накопленное водой
за счет теплоемкости и выделяющееся при охлаждении воды
от комнатной температуры до точки замерзания. Когда тем-
пература воды падает до 0°, это тепло истощается. Теперь,
когда вода начинает замерзать, охлаждение прекращается
и вступает в действие скрытая теплота кристаллизации воды
(стр. 53). После этого ингалятор действует, подобно оксфорд-
скому испарителю, причем кристаллы воды (лед) выпол-
няют функцию кристаллов хлористого кальция в оксфорд-
ском испарителе, являясь источником тепла.
Сосуд содержит 80 см3 воды; удельная теплоемкость
воды равна 1.
Количество тепла, отдаваемое при охлаждении воды от
20 до 0°С, равно: 80-1-20 = 1600 кал.
26
Скрытая теплота кристаллизации воды равна 80 кал/г.
Количество тепла, отдаваемое при переходе 80 см3 воды
в лед при 0°С, равно 80-80 = 6400 кал.
Общее количество тепла, отдаваемое без понижения тем-
пературы ниже 0°С, равно 8000 кал.
Поскольку скрытая теплота испарения эфира равна 65
кал/см®, 8000 кал достаточно для испарения 120 см3 эфира.
Кроме того, следует учитывать, что в ингаляторе имеются
другие источники, подводящие тепло к эфиру. Аппарат
Кловера изготовлен ни металла, поэтому здесь происходит
быстрая теплопередача от руки анестезиолога; далее, по-
скольку система является закрытой, значительное поступле-
ние тепла происходит при конденсации водяных паров,
содержащихся в выдыхаемой смеси.
Стабилизирующее действие водяной бани на колебания
температуры использовано как в аппарате «Эмотрил» [3]
для анальгезии триленом, так и в ингаляторе «ЭМО» [4]
для эфирного наркоза.
ЛИТЕРАТУРА
1.	Harlow Е. S. Science, 1956, 123, 226.
2.	С 1 о v е г J. Т. Brit. med. J., i, 1877, 69—70.
3.	E p s t e i n H. G. a. Macintosh R. R. Brit. ined. J. ii, 1949,
1092—1094.
4.	Epstein II. G. a. Macintosh R. Anaesthesia, 1956, II, 83—88.
ГЛАВА (II
ИСПАРЕНИЕ
Молекулы в жидкости находятся в постоянном движении,
по жидкость не распадается благодаря сильному взаимному
притяжению молекул, находящихся в тесной близости
друг к другу. Те из них, которые двигаются верти-
кально к поверхностному слою и имеют скорость, доста-
точную для преодоления сил притяжения соседних молекул,
вылетают в окружающую атмосферу и образуют то, что
называют паром жидкости. Чем больше жидкость нагре-
вается, тем быстрее движутся молекулы и тем большее
число их вылетает за пределы жидкости.
В закрытом сосуде испарение прекращается, когда кон-
центрация пара над жидкостью достигает известной вели-
чины (для любой данной температуры). При этом устанавли-
вается равновесие, заключающееся в том, что число моле-
кул, возвращающихся в жидкость из пара, равно числу
молекул, вылетающих из жидкости и образующих пар. Чем
выше температура, тем больше концентрация пара над жид-
костью. И наоборот, по мере того как температура жид-
кости падает, происходит соответствующее снижение кон-
центрации пара в атмосфере над ней (стр. 65).
Процесс испарения неизбежно связан с расходом энер-
гии, необходимой для преодоления естественных сил сцеп-
ления молекул жидкости. Эта энергия, скрытая теплота
испарения, берется а) из наружного источника пли б) из
самой жидкости1.
а)	Это легко понять, испарив несколько капель воды
или эфира на руке или опрыскав руку хлористым этилом.
1 Охлаждение жидкости во время испарения можно объяснить в
свете молекулярной теории. Поскольку из жидкости вылетают только
те молекулы, которые движутся с наибольшей скоростью в поверхно-
стном слое, средняя скорость остающихся молекул уменьшается. Сред-
няя скорость молекул жидкости является мерой ее температуры, п прп
уменьшении этой скорости температура падает.
28
Рис. 10.
Тепло, необходимое для испарения жидкости, берется из
тканей, п вскоре наступает заметное охлаждение. Прп исполь-
зовании хлористого этила — жидкости, которая быстро испа-
ряется, так как имеет низкую температуру кипения, скры-
тая теплота испарения, отдаваемая тканями, достаточна
для того, чтобы произошло заморажи-
вание.
б)	Это явление показано в опыте на
стр. 35.
Действие скрытой теплоты испарения
можно также наблюдать, открыв баллон
с жидкой закисью азота и дав газу воз-
можность свободного выхода. Быстрое
превращение жидкой закиси азота в
газообразную приводит к резкому охлаж-
дению жидкости.
Рис. 10. В виде опыта баллон открыли
и закиси азота дали возможность сво-
бодного выхода. Резкое охлаждение
жидкой закиси азота и баллона привело
к конденсации и замерзанию водяного
пара в воздухе, непосредственно окру-
жающем баллон.
Образование снега происходит вначале
вокруг дна баллона, особенно если из
него отлили часть жидкости до начала
опыта. Расположение снега частично
связано с наклоном баллона, вызывающим
перемещение холодной жидкости к ниж-
нему концу, п с хорошей теплопередачей
в верхней части, где баллон привинчи-
вается к стойке.
Скрытой теплотой испарения жидкости
называют число калорий, требуемое для
превращения 1 г жидкости в пар без
изменения температуры. Поскольку ане-
стезиологи привыкли иметь дело не с весами жидкостей,
а с объемами, мы считаем более целесообразным употреблять
термин скрытая теплота испарения на 1 см3 жидкости. Это
означает количество калорий, необходимое для превраще-
ния 1 см3 жидкости в пар без изменения температуры.
Примеры
1. Для превращения 1 см3 воды в пар без изменения тем-
пературы требуется около 580 калорий. И наоборот, когда
нар конденсируется в воду, на каждый 1 см3 конденсирован-
ной жидкости освобождается 580 калорий и окружающая
среда соответственно нагревается. Интересно отметить, что
вода имеет гораздо более высокую скрытую теплоту испа-
рения, чем любая другая жидкость.
2. Скрытая теплота испарения (на 1 см3) жидкого эфира
равпа 63, т. е. для превращения 1 см3 жидкого эфира в пары
эфира без изменения температуры требуется 63 кал (рис.11).
Таким образом, для испарения 1 унции (28 см3) жидкого
эфира без изменения температуры требуется: 28-63 = 1800 кал.
Рис. И.
Рис. 11. Если пробирку с 2 см3 жидкого эфира поместить
в сосуд, содержащий 63 см3 воды, и вынуть пробку, то после
испарения 1 см3 эфира можно обнаружить, что темпера-
тура воды упала на 1°С.
Возможно, представление о количестве скрытой теплоты
испарения эфира может дать тот факт, что для испарения
некоторого объема жидкого эфира без изменения темпера-
туры необходимо приблизительно такое же количество тепла,
которое требуется для нагревания такого же объема тепло-
ватой воды (скажем, имеющей температуру тела) до точки
кипения.
Теплота испарения как функция температуры
Скрытая теплота испарения жидкости изменяется в зави-
симости от температуры жидкости. Чем холоднее жидкость,
тем большее количество тепла необходимо для превращения
данного объема в пар без изменения температуры. Скрытая
теплота испарения уменьшается при повышении темпера-
туры жидкости до тех пор, пока не будет достигнута кри-
тическая температура вещества (стр. 84), при которой
скрытая теплота испарения равна нулю. Жидкость, нагре-
тая до своей критической температуры, самопроизвольно
превращается в пар, не требуя для этого тепла. Выше этой
30
температуры вещество не может существовать в жидком
состоянии.
Согласно рис. 12, скрытая теплота испарения жидкой
закиси азота равна 59 кал на 1 г при 0°С и 41 кал на 1 г
при 20°С. Затем кривая круто падает и при 36,5°С, т. е.
при критической температуре, скрытая теплота испарения
становится равном нулю.
Рве. 12.
Можно заметить, что при использовании баллона с за-
кисью азота в клинической практике с постоянным расхо-
дом газа, скажем, 8 л в минуту, часто проходит много вре-
мени, пока он становится достаточно холодным, чтобы кон-
денсировать и замораживать водяной пар в окружающем
воздухе. Но когда конденсация и замораживание начались,
они быстро прогрессируют. Если вначале температура бал-
лона равна 20°С, скрытая теплота испарения жидкой закиси
азота составляет только 41 кал/г. По мере того как баллон
постепенно охлаждается, скрытая теплота испарения жид-
кости увеличивается, пока при 0°С она не будет составлять
59 кал/г. Теперь на испарение требуется количеств тепла
на 50% больше, чем при комнатной температуре баллона.
В условиях жаркого климата конденсации водяного пара и
замерзания на баллоне с закисью азота не происходит1.
1 Охлаждающие эффекты, связанные с расширением сжатого газа,
просачивающегося через вептиль баллона, здесь не учитываются.
31
Выше комнатной температуры скрытая теплота испарения
мала; выше 36°С она равна нулю.
На рис. 12 показана также скрытая теплота испарения
эфира. На этом графике можно видеть, что в интервале
температур, применяемых в клинической практике, вели-
чина скрытой теплоты испарения изменяется мало. Так,
при 0°С и 20°С она равна соответственно 92 и 87 кал/г.
Критическая температура для эфира равна 290°С; при этой
температуре скрытая теплота испарения эфира равна пулю.
Охлаждение испаряющейся жидкости
При протекании воздуха или другого газа над поверх-
ностью жидкости пар жидкости уносится и замещается све-
жим паром. Этот непрерывный процесс испарения сопро-
вождается соответствующей теплоотдачей (рис. 15). Это
явление можно наблюдать также в аппарате Бойля, где
закись азота и кислород пропускают над жидким эфиром.
По мере испарения эфира расходуется тепло. На рис. 17
(стр. 36) видно, что наружный источник тепла очень мал,
поэтому тепло берется из самого жидкого эфира, о
чем свидетельствует снижение его температуры. Вместе с
охлаждение м жидкого эфира происходит соответствую-
щее снижение скорости испарения. Если бапка с эфиром
погружена в сосуд с теплой водой, как это показано на рис. 21,
то охлаждение жидкого эфира не будет происходить так
быстро.
Вода в данном случае действует как наружный источ-
ник тепла. И требуется такое же количество тепла для
испарения равного количества эфира, но в этом случае
нет резкого падепия температуры жидкого эфира. Здесь
основным источником тепла является окружающая вода и
тепло передается эфиру через стеклянную банку. Вода обла-
дает высокой удельной теплоемкостью и поэтому является
хорошим источником тепла. Передача тепла от воды к эфиру
в этом случае происходит не очень быстро, поскольку стекло
плохой проводник тепла.
Рпс. 13. Замедленную теплопередачу через стекло можно
наблюдать, погрузив банку с жидким эфиром в воду,
имеющую ту же температуру (в этом случае 20°С). Как и
на рис. 21, кислород барботирует через эфир со скоростью
8 л/мин. Если бы теплопередача через стекло была быстрой,
эфир (нижняя линия) и вода (верхняя линия) охлаждались
бы примерно с одинаковой скоростью. В этом опыте было
установлено, что через 20 минут испарилось 200 см3 эфира.
Температура эфира упала до —4°С, температура воды на
периферии — до 9°С; разница в 13°С была вызвана замед-
32
ленной теплопередачей не только через стекло, но и через
воду от периферии к центру.
Тот факт, что вода является плохим проводником тепла,
можно наблюдать в повседневной жизни. Если в теплова-
тую воду в ванне добавить горячую воду, теплопередача
будет эффективной только при условии размешивания.
Барботаж газов через жидкость
Когда кислород пропускают над поверхностью эфира,
концентрация паров в смеси, выходящей из банки с эфиром,
зависит не только от температуры жидкости, но и от про-
должительности контакта каждой единицы объема кисло-
рода с жидким эфиром. Если этот контакт продлить на
неопределенно долгое время, то будет достигнута максималь-
ная концентрация паров эфпра для данной температуры.
В клинической практике нет таких испарителей, которые
дают концентрации, близкие к этому теоретическому макси-
муму .
Рис. 14, А. Площадь поверхности эфпра, приходящая
в контакт с кислородом, мала и поэтому продолжительность
контакта кислорода с эфиром невелика.
3 Физика для анестезиологов
33
Рис. 14, Б. Площадь поверхности эфира больше и про-
должительность контакта с газом увеличена, что дает воз-
можность получать концентрацию эфира, близкую к воз-
можному максимуму. Для наибольшей эффективности такой
испаритель должен иметь большие размеры.
Рис. 14, В. Более практичный способ увеличения пло-
щади контакта между эфиром и кислородом путем барбо-
Рис. 14.
тажа кислорода через жидкость. Сумма поверхностей отдель-
ных пузырьков достигает значительной величины и площадь
контакта между эфиром и кислородом может быть больше,
чем в предыдущем случае (14, Б).
ГЛАВА IV
ОПЫТЫ С ИСПАРЕНИЕМ ЭФИРА
В каждом опыте в эфпрнпцу стандартного аппарата Бойля
вливают 10 унций (285 см3) жидкого эфира, имеющего ком-
натную температуру, и пропускают через нее 8 л кислорода
в минуту. Стандартная стеклянная банка с нарезной шейкой
закрыта впнтопой пробкой с краном, который всегда остав-
ляют в открытом положении. Банка имеет высоту 12 см и
внутренний диаметр 8 см; линия, отмечающая 10 унций,
находится примерно в середине. На приводимых ниже рисун-
ках изображена простая стеклянная банка.
Ниш/ты	Минуты
Рис. 15.
Рис. 16.
Рис. 15 и 16. Кислород проходпт над поверхностью эфира.
Водяная баня не применяется. Производят частые измере-
ния температуры жидкого эфира; концентрацию эфира в
з*
3-5
смеси, выходящей из банки, измеряют через каждые 5 минут.
Вначале концентрация эфира высока — фактически она равна
половине концентрации насыщенного пара при этой темпе-
ратуре (рис. 59). Поскольку здесь нет эффективного наруж-
ного источника тепла, большая часть тепла, требуемая для
испарения жпдкого эфира, берется из самой жидкости, кото-
рая вследствие этого быстро охлаждается. Мы видим, что
через 10 минут ее температура упала ниже 0°С, а спустя
30 минут — до 10°С. Соответственно снижается и концен-
трация паров эфира, выходящих из банки. За 30 минут
испарилось 2 унции (57 см3) жпдкого эфира (пунктирная
линия на банке, рис. 15).
Эфир получает лишь очень небольшое количество тепла
из окружающей атмосферы через стеклянную банку. В начале
опыта, когда перепад температуры от окружающей атмо-
сферы к жидкому эфиру невелик, т. е. когда температуры
жидкого эфира и окружающей атмосферы практически оди-
наковы, это дает ничтожно малый эффект. Позднее, когда
происходит резкое охлаждение жидкого эфира, скажем,
до — 10°С, разница температур может достигать 30°С. Пере-
пад температуры теперь значительно увеличился и переда-
ваемого количества тепла достаточно для испарения неболь-
шого количества эфира, который улетучивается из банки.
Передача тепла из комнатного воздуха невелика, но зато
равномерна и постоянна. Теплоемкость потока кислородаt
36
излучение от теплых предметов в комнате и конденсация
водяного пара на поверхности банки — все это также неболь-
шие дополнительные источники тепла. За их счет можно
отнести выравнивание кривых через некоторое время после
начала опыта. В конце опыта температура жпдкого эфира и
концентрация выходящих паров эфира остаются фактически
на постоянном уровне.
Рис. 17 и 18. Кислород барботирует через эфир; площадь
контакта с жидкостью значительно увеличилась (стр. 33).
В начале опыта пары эфира имеют высокую концентрацию.
Охлаждение происходит соответственно быстрее. Так, через
5 минут температура падает до — 5°С, а спустя 30 минут —
ниже —20°С. Резкое падение температуры сопровождается
снижением концентрации паров эфира, выходящих из банки.
По мере уменьшения температуры кривая круто падает, но
вскоре выравнивается, как и в предыдущем опыте (и по тем же
причинам). За 30 минут испарилось 5 унций эфира (142 см3).
Клинические замечания
Низкие температуры, отмеченные в описанных выше опы-
тах, — обычное явление в клинической практике. В условиях
теплой) и влажной атмосферы операционной происходит кон-
денсация водяного пара на эфирнпце, причем конденсиро-
ванная вода может даже замерзнуть и превратиться в корку
льда.
Эти опыты показывают, что повышенная концентрация
паров, достигаемая путем барботажа газа через жидкий
эфир, сохраняется лишь короткое время. Затем концентрация
быстро падает до такого уровня, который достигается и при
обычном потоке газа над поверхностью эфира. Неопытный
анестезиолог иногда не может попять, почему не увеличи-
вается глубина наркоза, когда газы барботируют через эфир.
Подогревание эфира путем вливания тепловатой воды в наруж-
ную водяную камеру, а еще лучше путем добавления неко-
торого количества свежего эфира, имеющего комнатную тем-
пературу, дало бы гораздо более заметный эффект.
В опытах, представленных на рис. 19 — 22, эфпрнпца
помещена в водяную баню. Начальная температура воды и эфира
в этих двух опытах равна 27°С.
Рис. 19 и 20. Кислород пропускают над поверхностью
эфира. Поскольку температура эфира здесь выше, чем в
опытах, показанных на рис. 15 и 16, скорость испарения
больше и концентрация паров эфира в смеси, выходящей из
эфирнпцы, выше.
Вода, окружающая банку с эфиром, является источником
дополнительного количества тепла, которое используется
для частичного покрытия расходов на скрытую теплоту испа-
37
рения эфира. Однако стекло имеет низкую теплопровод-
ность (стр. 32) и в начале опыта жидкий эфир теряет тепло
быстрее, чем происходит возмещение его за счет окружающей
воды. За 10 минут температура эфира снижается до 7°С. Теперь
разница между температурами воды и эфира достаточно
Рис. 20.
велика п передача тепла через стекло происходит со скоро-
стью , почти достаточной для компенсации потерь тепла в
результате испарения. Начиная с этого момента, температура
жидкого эфира и концентрации паров падают очень незна-
чительно. Это связано с постепенным уменьшением тепло-
содержания водяной бани. За 30 минут израсходовано 4
унции эфира (114 см3).
Необходимо подчеркнуть, что в клинической практике
температура воды, окружающей эфпрнпцу, должна быть не
более чем умеренной -скажем, 28°С.
Если эфпрнпцу с закрытым регулирующим краном погру-
зить в слишком горячую иоду, внутри нее разовьется высокое
давление паров, которое легко может вызвать утечку паров
через кран, не рассчитанный на давление, выше атмосфер-
ного; в результате значительное количество эфира может
сметаться с подаваемыми больному газами без ведома ане-
стезиолога. Это может явиться также причиной взрыва.
Во всяком случае горячая водяная баня может привести
к чрезмерно высокой концентрации паров эфира, подаваемых
больному, и как следствие этого — к сильным рефлекторным
38
реакциям, когда их меньше всего ожидают, пли даже к
большой передозировке.
Рис. 21 и 22. Повторение предыдущего опыта с той раз-
ницей, что в данном случае кислород барботирует через
эфир. На ранних стадиях достигаются высокие концентрации
Рис. 22.
Рис. 21.
паров эфира. Происходит соответствующее резкое охлаждение
жидкости в связи с задержкой передачи тепла через стеклян-
ную банку из окружающей воды. Через 15—20 минут кон-
центрация паров эфира снижается до такого уровня, когда
потери тепла на испарение компенсируются окружающей
водой. В конце опыта кривая температуры выравнивается,
в то время как кривая концентрации паров эфира все еще
падает, хотя и постепенно. Расхождение в этом опыте ча-
стично связано с быстрым снижением уровня жидкого эфира
и, следовательно, с меньшим расстоянием пробега пузырьков
кислорода через жидкость. Опыт был прекращен через 20
минут, поскольку уровень эфира упал ниже конца трубки
для подачп кислорода. За 2U минут испарилось 7 унций
эфира (199 см3).
Описанные четыре лабораторных опыта демонстрируют
физические явления, связанные с испарением эфира. Разу-
меется, таких резких изменений температур и концентраций
за такие короткие периоды не бывает в операционной, где
больные никогда не подвергаются действию столь высоких
начальных концентрацппй паров эфира.
3.9
Температура газов, проходящих через эфпрпицу
и дыхательный шланг
Следующие опыты были проведены с целью выяснить,
влияет ли подогревание жидкого анестезирующего вещества
го
-1S
-го
j ю я го г? го
М и Н Г ГЛ б!
Рис. 23.
на температуру паров
после прохода через
стандартный дыхатель-
ный шланг.
В опытах, показан-
ных на рпс. 23—24,
использовалась стан-
дартная эфпрница Бойля
с металлической насад-
кой. Кроме измерения
температуры эфира в
банке (tT), измерялась
температура газовой
смеси сразу же после
выхода из банки (t2) и
около маски (t3) после
прохода через гофри-
рованную резиновую
трубку длиной 90 см,
используемую в кли-
нической практике в
качестве стандартного
дыхательного шланга.
На всем протяжении
опытов температура в
комнате равна 18°С.
Температуры изме-
ряли точными термо-
парами, хотя па рисун-
ках показаны ртутные
термометры.
Рис. 23. В начале
опыта температура жид-
кого эфира, газовой смеси сразу же после выхода из банки и
газовой смеси после прохода через гофрированную дыхательную
трубку находится практически на уровне комнатной (18°С).
По мере продолжения опыта происходит быстрое охлаждение
жидкого эфпра (t±) и через 30 минут температура его падает
до 10°С. Температура газовой смеси, выходящей из банки
(t2), также падает, но более плавно. Прямая линия (t3)
свидетельствует об удивительном факте: какова бы ни была
температура газовой смеси при выходе пз банки, к моменту
поступления в маску она нагревается до комнатной темпе-
40
ратуры. Это легко объяснить. Удельная теплоемкость газо-
вой смеси настолько мала (примерно 0,0004 кал/см3 или
0,4 кал/л), что для нагревания большого объема требуется
очень небольшое количество наружного тепла. -Поэтому для
нагревания газовой смеси, проходящей через трубку, доста-
точно теплоотдачи самой
трубки п окружающего воз-
духа. Здесь было бы уместно
подчеркнуть разницу между
удел иными теплоемкостями
газов и жидкостей, указав,
что холодная вода (удельная
теплоемкость равна 1), прой-
дя через такую же резино-
вую трубку в аналогичных
условиях, выйдет, не изменив
свою температуру. Удельная
теплоемкость воды (на 1 см3)
примерно в 2,5 тысячи раз
больше, чем удельная тепло-
емкость газовой смеси, ис-
пользуемой в этом опыте.
Опыты показывают, что
даже при очень нпзкой тем-
пературе газовой смеси, вы-
ходящей из банки, напри-
мер — 20сС, она поступает
в маску, имея по существу
комнатную температуру.
Рис. 24. Четыре пунктир-
ных липни показывают ши-
роки)! диапазон температур
эфирнпцы: от 20“С до —7°С.
газовой смеси, выходящей из
Жирная линия (t3) охватывает
температуры, при которых
козпую маску; здесь они не
газовая смесь поступала в нар-
выходят за пределы 18°С и 16°С.
Опыты с аппаратом Шипуэя [1]
Через эфпрпицу аппарата Шипуэя (Shipway) при помощи
груши с различными скоростями продувают воздух (рис. 25).
Для большей ясности банка с хлороформом на рисунке не
показана. Смесь эфпра с воздухом проходит через U-образ-
ную металлическую трубку, погруженную в горячую воду
в термосе. Температура горячей воды п смеси, выходящей
пз термоса, равна 80°С. После прохода по резиновой трубке
длиной 75 см, которая поставляется с аппаратом, смесь
охлаждается до комнатной температуры, что и следовало
ожидать, исходя из рассмотренных выше опытов.
41
Фактически мы не смогли с этой моделью аппарата вос-
произвести результаты, опубликованные самим Шипуэем.
Опыт показывает, что каковы бы ни были достоинства аппа-
рата, их не следует объяснить тем, что больному подают
пары эфира прп температуре выше комнатной, хотя обычно
утвержают, что «теплые» пары эфира, подаваемые аппаратом
Шипуэя, якобы обеспечивают гладкое течение наркоза,
Термос
Рис. 25.
чего не наблюдается прп введении эфира другими методами
[2] . Не надо забывать, что в этом аппарате имеется банка
с хлороформом, разумное применение которого может ока-
заться очень ценным для устранения некоторых трудностей,
связанных с использованием эфира, теплого или какого угодно.
«Теплые» наркозные пары,
Следует отметить, что в числе рекламируемых достоинств
оксфордского испарителя не фигурирует подача больному .
теплых паров эфира. До последних лет преимущества и недо-
статки подачи теп нах паров эфира являлись предметом
свободной дискуссии. Сторонники этого метода утвержда in,
что подача «теплых» паров обеспочивает гладко»' течение
наркоза п снижает частоту послеоперационных осложнений,
в то время как противники этого метода заявляли, что
подогревание эфира является причиной послеоперационных
легочных осложнений, в частности бронхита.
Если в наркозных аппаратах типа аппаратов Бойля п
Шипуэя теплые пары эфира являются мифом в том смысле,
что пары эфира поступают в маску, имея температуру не
выше комнатной, то холодные пары эфира (как, например,
из открытой маски) — реальный факт, хотя влияние их на
42
больного не доказано. Конденсация н замерзание водяного
пара, столь часто наблюдаемые на открытой маске прп вве-
дении эфира этим методом, показывают, что температура
марли упала до 0°С пли ниже. Поскольку расстояние от
марли до лица больного очень невелико, наркотическая
смесь достигает больного, имея температуру гораздо ниже
комнатной.
Такпм образом, вряд ли достигается большая польза
от подогревания паров эфира, идущих к больному, если они
должны затем пройти через отрезок неизолированной трубки.
В прошлом предпринимались многочисленные попытки подо-
гревания паров в наркозных аппаратах; одним из примеров
этого н является аппарат Шипуэя.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ship way F. Е. Lancet, i, 1916, 70—74.
2. Wilson S. R. a. Pinson К. B. Ibid, i, 1921, 336.
ГЛАВА V
ТЕПЛООТДАЧА ПРП НАРКОЗЕ
Существует две причины отдачи тепла поверхностью ды-
хательных путей: 1) вдыхание газов, имеющих температуру
ниже температуры тела. Выдыхаемые газы имеют фактически
температуру тела, нагреваясь за счет тепла, отдаваемого
больным; 2) вдыхание газов с более низкой концентрацией
водяного пара, чем в выдыхаемых газах. Количество водя-
ного пара во вдыхаемых газах может быть различным, но
оно всегда меньше, чем в выдыхаемых газах, которые насы-
щены водяным паром прп комнатной температуре. Эта раз-
ница покрывается за счет испарения воды из тола больного,
причем на каждый см3 испаряемой воды больной должен
расходовать 580 кал (стр. 29).
Отдача тепла при различных способах ингаляционного
эфирного наркоза
Существует пять общепринятых способов ингаляционного
эфирного наркоза: а) открытая маска; б) аппараты с «полуот-
крытой» системой, например, аппарат Бойля; в) оксфордский
испаритель и аппарат ЭМО; г) поглощение углекислого газа—
циклическая система; д) поглощение углекислого газа —
система Уотерса, или маятниковая система. Посмотрим,
каково влияние каждого из этих способов па отдачу тепла
телом больного, происходящую в результате дыхания. При
этом будем исходить из предположения, что в каждом случае
больной имеет дыхательный минутный объем 8 л/мин и дышит
смесью с 10% концентрацией паров эфира.
Открытый способ эфирного наркоза
Рис. 26. Часто на маску в течение 1 часа выливают
до 8 унций (225 см3) жидкого эфира. Количество тепла,
необходимое для испарения 8 унции эфира (1 унция равна
28 см3), составляет 8 • 28 • 63	14 000 кал.
44
Поскольку в этом случае источники тепла весьма огра-
ничены, неудивительно, что температура наружной части
маски быстро падает до нуля. Если учесть, что температура
вдыхаемом смеси эфира и воздуха, проходящей через маску,
также снижается до 0°С, то весь водяной пар пз смеси должен
конденсироваться па маске. Поэтому вдыхаемая смесь яв-
ляется практически сухой.
Больной втягивает через марлю	\
холодную сухую смесь и вдыхает	—Л
ее в смеси с газами, которые уже
находятся под маской. Однако
выдыхаемые газы остаются теплы-	*
ми и влажными. Каково влияние	5
этих двух факторов на теплоот-
Дачу?	z—
Дыхательный минутный объем \	у_
равен 8 000 см3. Температура ‘
вдыхаемых газов 0°С, выдыха-	Рпс • 26.
емых 37°С.
Удельная теплоемкость 10% смеси эфира в воздухе равна
0,0004 кал/см3 (стр. 22, табл. 1).
Минутная теплоотдача: 8000 • 37 • 0,0004 = 120 кал.
Пусть концентрация водяного пара во вдыхаемых газах
при 0°С равпа 0,5% (рис. 53); в выдыхаемых газах при
37°С равна 6%. Расход водяного пара за одну минуту равен
5,5% от 8000 см3, т. е. 440 см3.
При температуре тела 1 см3 воды превращается в 1400 см3
водяного пара1; количество тепла, необходимое для этого
превращения, составляет 580 кал. Следовательно, коли-
чество тепла, требуемое для образования 440 см3 водяного
пара, равно:
—— • 580 = 180 кал.
1400
При введении эфира открытым капельным методом больной
с минутным дыхательным объемом 8 л теряет 300 кал в минуту.
1 В этом, как и во многих других расчетах, мы с целью единообразия
используем «фиктивный» пар (стр. 16) с давлением в 1 атм. при темпе-
ратуре ниже точки кипения жидкости.
Для реального пара расчет производится следующим путем.
Удельный объем (стр. 88) насыщенного водяного пара при 0°С равен
210 л/г, прп 37°С—23 л/г. Если дыхательные газы насыщены водяным
паром, то содержание воды в 8 л вдыхаемого воздуха при 0°С будет:
g
--- = 0,04 г; содержание воды в 8 л выдыхаемого воздуха при 37°С:
210
g
---= 0,35 г. Следовательно, расход воды за 1 минуту составляет:
0,35 — 0,04 = 0,31 г.
Скрытая теплота испарения воды равна 580 кал/г. Таким образом,
0,31 г воды соответствует теплоотдаче: 500-0,31 = 180 кал/мин.
45
Полуоткрытая система
Рис. 27. При использовании аппарата Бойля, столь
популярного среди английских анестезиологов, газы посту-
пают к больному, имея комнатную температуру (стр.41).
Поэтому количество тепла, которое должен израсходовать
Рис. 27.
больной для нагревания этих газов до комнатной темпера-
туры, меньше, чем при введении эфира открытым способом.
В закиси азота и кислороде, используемых в качестве тран-
спортного средства для подачи паров эфира больному,
водяной пар отсутствует, поскольку эти газы до накачивания
их в баллоны компрессором подвергаются полному высуши-
ванию. Поэтому при насыщении сухих газов водяным паром,
имеющим температуру тела, отдается примерно такое же
количество тепла, как и при открытом введении эфпра.
Дыхательный минутный объем равен 8000 см3. Темпера-
тура вдыхаемых газов 20°С, выдыхаемых 37°С.
Удельная теплоемкость вдыхаемой смеси 0,0004 кал/см3.
Следовательно, минутная теплоотдача равна: 8000-17-
 0,0004 = 54 кал.
Содержание водяного пара во вдыхаемых газах равно 0;
в выдыхаемых при 37°С—6%.
Таким образом, расход водяного пара за 1 минуту равен
6% от 8000 см3, т. е. 480 см3.
Для превращения 1 см3 воды в 1400 см3 водяного пара
требуется 580 кал. Следовательно, количество тепла, необ-
ходимое для образования 480 см3 водяного пара, равно:
---— - 580 = 200 кал.
1400
Таким образом, при наркозе с помощью аппарата Бойля
больной с минутным дыхательным объемом 8 л расходует
около 250 кал в минуту.
46
Оксфордский испарите ль
Рис. 28. Воздушно-эфирная смесь, выходящая из оксфорд-
ского испарителя, имеет температуру около 30°С, но к
моменту поступления в маску смесь охлаждается до комнат-
ной температуры, скажем, до 20°С.
Рис. 28.
Поскольку средством переноса паров эфира является
воздух операционной, то содержание водяного пара во вды-
хаемой воздушпо-эфирпон смеси практически равно содер-
жанию водяного пара в воздухе операционной, допус-
тим 1 %.
Дыхательный минутный объем равен 80(J(J см3. Темпера-
тура вдыхаемых газов 20°С, выдыхаемых 37°С.
Удельная теплоемкость вдыхаемой смеси 0,0U(J4 кал/см3.
Следовательно, минутная теплоотдача равна: 8000  17 •
•0,0004 = 54 кал.
Содержание водяного пара во вдыхаемых газах 1%, в
выдыхаемых 6%.
Отсюда расход водяного пара в минуту: 5% • 8000 см3 =
= 400 см3. При этом расход тепла составляет--580 кал =
1400
= 165 кал.
Таким образом, больной с минутным дыхательным объемом
8 л при получении эфпра через оксфордский испаритель
расходует около 220 калорий в минуту.
В новейшей модели аппарата с открытой системой
(ЭМО) температура в камере испарителя может упасть
ниже комнатной. Однако воздушно-эфирная смесь в момент
входа в дыхательную трубку имеет комнатную темпера-
туру. Отдача тепла организмом больного при наркозе с
помощью этого аппарата обусловлена причинами, которые
уже были изложены при рассмотрении оксфордского испа-
рителя .
47
Поглощение углекислого газа
Циклическая система
Когда пары эфира заключены в закрытую систему, доста-
точно всего лишь 2 унций (^57 см3) жидкого эфира для
продолжительного глубокого наркоза. Несмотря на то что
происходит значительная передача тепла от натронной изве-
сти, больной все же расходует некоторое количество тепла.
Патрон с известью может быть теплым или даже горячим,
но он расположен далеко от лица больного (рис. 29). Про-
ходя по резиновой трубке, газы охлаждаются и к моменту
поступления в маску достигают комнатной температуры.
Особенностью наркоза с применением закрытой системы явля-
ете^ конденсация водяного пара, выдыхаемого больным и
выделяемого натронной известью.
Температура вдыхаемых газов постепенно повышается и
со временем становится выше температуры окружающей среды.
Это связано с конденсацией водяного пара в дыхатель-
ных шлангах и с выделением тепла прп реакции углекислого
газа с натронной известью. Однако если даже применять
свежую натронную пзвесть, то за время средней операции
это повышение температуры вряд ли может быть большим,
если только в самой операционной не слишком тепло.
В последующем расчете вдыхаемые газы рассматриваются
как смесь, насыщенная водяным паром прп комнатной тем-
пературе.
Минутный дыхательный объем равен 8000 см3, температура
вдыхаемых газов 20°С и выдыхаемых 37°С.
Удельная теплоемкость вдыхаемой смеси = 0,0004 кал/см3.
Следовательно, теплоотдача равна:
8000 • 17 • 0,0004 = 54 кал.
Содержание водяного пара во вдыхаемых газах при 20°С
равно 2%, в выдыхаемых газах при 37°С—6%. Расход
водяного пара за 1 минуту составляет: 4%-8000 см3=320 см3.
Расход тепла:
420
— . 580кал = 130 кал.
1400
48
Если предположить, что минутный дыхательный объем
больного равен 8 л (фактически он редко достигает такой
величины при использовании аппаратов с закрытой систе-
мой), то отдача тепла больным в условиях эфирного наркоза
по циклической системе составляет около 180 кал в минуту.
Маятниковая система
Прп наркозе по этому методу, предложенному Уотерсом
[1] (Waters), больной дышит через круглую коробку с
натронной известью, расположенную рядом с его лицом.
При поглощении углекислоты патрон с известью нагре-
вается п вскоре его температура становится гораздо выше
температуры тела. Начиная с этого момента, нагревание газов
не влечет за собой потерн тепла. Натронная известь и выды-
хаемые газы дают более чем достаточное количество водя-
ного пара; вдыхаемые газы насыщаются водяным паром при
температуре, которая гораздо выше температуры тела. Прп
наркозе этим методом отдача тепла больным ничтожно мала,
если она вообще происходит.
Считается, что наркоз по методу Уотерса больные пере-
носят лучше, чем наркоз другими способами с применением
топ же наркотической смеси. Это преимущество, если оно
действительно существует, можно объяснить сохранением
тепла телом больного.
Увлажнение вдыхаемых газов
Следует заметить, что потеря тепла прп дыхании носит
постоянный характер. Она происходит в процессе нормаль-
ной жизнедеятельности и, разумеется, прп внутривенном
или местном обезболивании. Больной в операционной дышит
обычным воздухом с концентрацией водяного пара порядка
1% и температурой около 20°С. Факторы, влияющие на
отдачу тепла и ее величину, почти ничем не отличаются
4 Физика для анестезиологов
49
от тех, которые были рассмотрены в связи с оксфордским
испарителем.
Пока длится бессознательное состояние и наркоз,
мышечная активность—главный источник тепла в теле, вре-
менно прекращается. Возникает тенденция к снижению
температуры тела.
Различия в потере тепла, связанные с разными методами
введения анестезирующих веществ, не играют, по-видимому,
большой роли, если больной в хорошем состоянии. По эти
различия приобретают теоретическое и, надо полагать, прак-
тическое значение, когда наркозу подвергается больной в
состоянии шока. В этом случае выработка тепла в орга-
низме па некоторое время снижается, и необходимо сделать
все возможное для его сохранения. Пытаясь устранить потери
тепла, связанные с дыханием, мы провели серию опытов,
в которых наркотические пары, подаваемые больному, имели
температуру тела и насыщались водяным паром при этой
же температуре.
Были изготовлены увлажнители двух типов. Любой из
них может быть использован с аппаратом Бойля или с
оксфордским испарителем, причем оба с равной эффективно-
стью подают больному газы, имеющие температуру тела и
насыщенные водяным паром. В увлажнителях того и другого
типа для подогрева и увлажнения газов, идущих к больному,
используются фитили, пропитанные теплой водой. Увлаж-
нитель, показанный на рис. 31, прикрепляется к маске и
поэтому имеет небольшие размеры. Тепло, необходимое для
поддержания постоянной температуры фитилей и увлажне-
ния вдыхаемых газов, обеспечивается за счет скрытой теп-
лоты кристаллизации соответствующего вещества, содер-
жащегося в увлажнителе. Перед употреблением кристаллi>[
расплавляют, погружая все устройство в горячую воду.
Увлажнитель второго типа (рпс. 32) располагается далеко
от маски и поэтому размеры его не пграют роли. Требуе-
50
мое тепло обеспечивается большим количеством горячей
воды, окружающей фитильную камеру, которая лежит на
пути газов к больному. Фитили постоянно увлажняются
горячей водой из наружной сливной камеры. В этом аппарате
происходит некоторая теплоотдача через дыхательный шланг,
даже если он изолирован. Для подачи больному газовой
Рве. 32.
смеси, насыщенной водяным паром при комнатной темпера-
туре, в увлажнителе поддерживается более высокая темпе-
ратура, чем в предыдущем увлажнителе.
Для оценки способов устранения теплоотдачи с поверх-
ности дыхательных путей проведены многочисленные опыты,
по убедительных данных получить не удалось. Например,
температура в прямой кишке была подвержена таким же
изменениям, как и при наркозе без использования увлажни-
телей .
У большинства анестезиологов на основании клинических
данных сложилось впечатление, что эфирный наркоз с при-
менением абсорбера СО2 дает лучшие результаты, чем
4*
61
открытый способ. Если это так, то единственную причину
надо искать в сохранении тепла.
Однако в попытках свести к минимуму потери тепла и
воды це следует заходить слишком далеко, ибо в этом слу-
чае больной подвергается опасности гипертермии [2] и вод-
ного отравления. Такое состояние считают причиной судо-
рог во время наркоза.
ЛИТЕРАТУРА
1. Waters R. М. Curr. Res. Anesth., 1924, 3, 20—22.
2. С1 а г k R. Е., Orkin L. R. a. Ro vens tine Е. A. J.A.M.A.
1954, 154, 311—319.
ГЛАВА VI
СКРЫТАЯ ТЕПЛОТА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
Хорошо известно, что при нагревании или охлаждении
сосуда, содержащего лед и воду, температура смеси остается
постоянной, пока весь лед не превратится в воду или пока
вся вода не превратится в лед. При подводе тепла тает
какое-то количество льда, при отдаче тепла замерзает какое-
то количество воды (рис 33).
Количество тепла, отдаваемое прп переходе 1 г вещества
из жидкого состояния в твердое без изменения температуры.,
называется скрытой теплотой кристаллизации вещества.
В обратном процессе — плавлении — такое же коли-
чество тепла требуется для превращения 1 г твердого веще-
ства в жидкое без изменения температуры. Эту теплоту
называют скрытой теплотой плавления.
Если подогревать сосуд, содержащий шестпводнып хло-
ристый кальций, температура кальция будет повышаться до
тех пор, пока он не начнет плавиться. Точно так же при
нагревании любого другого кристаллического вещества (на-
пример, льда) температура, несмотря на подвод тепла, оста-
ется постоянной до тех пор, пока не расплавятся все
кристаллы.
На рис. 34 процессу плавления хлористого кальция соот-
ветствует горизонтальная часть сплошной линии. Темпера-
тура плавления этого вещества равна 30°С, скрытая теплота
кристаллизации —40 кал/г. Подвод тепла, после того как
все кристаллы расплавились, вызывает дальнейшее равно-
мерное повышение температуры.
Крутизна первого и третьего отрезков сплошной линии
характеризует удельные теплоемкости твердого и расплавлен-
ного шестиводного хлористого кальция. Их можно срав-
нить с удельной теплоемкостью воды, которая характери-
зуется крутизной пунктирной липни.
Об использовании скрытой теплоты кристаллизации воды
для возмещения потерь тепла прп испарении эфира упоми-
налось при описании ингалятора Кловера (стр. 26). В конце
53
главы рассматривается применение хлористого кальция в
оксфордском испарителе.
Рис. 35, Л. Сосуд с хлористым кальцием при 18°С (ком-
натная температура).
Рис. 33, Изменение теплосодержания смеси льда с водой не вызывает изме-
невий температуры до тех пор, пока одновременно существуют лед и вода.
Б. Сосуд подогревается; через 5 минут температура повы-
силась до 30°С, начинается плавление.
Рпс. 34. Изменение температуры 1 г
хлористого кальция (непрерывная
линия) по сравнению с изменением
температуры 1 г воды (пунктирная
линия) при подводе тепла со ско-
ростью 1 кал в минуту.
В. Несмотря на продолжа-
ющееся подогревание, темпе-
ратура остается постоянной.
Г. Через 35 минут основ-
ная масса кристаллов рас-
плавилась. В течение всего
этого периода тепло погло-
щалось, но температура оста-
валась постоянной.
Д. Сосуд с расплавленным
хлористым кальцием поме-
щают в прохладную воду с
температурой 18°С, и тепло,
только что отданное хлори-
стому кальцию, уходит те-
перь в окружающую иоду,
подогревая ее. Начинается
кристаллизация хлористого
кальция, однако его темпе-
ратура остается постоянной
(Е) до тех пор, пока он весь не
превратится в кристаллы.
В течение этого времени он
отдает тепло, которое имел
в запасе.
54
Ж. Эта передача тепла продолжается 3 часа; теперь
кристаллизация почти полная, а запасы тепла на исходе.
Сосуд с частично расплавленным хлористым кальцием
должен иметь температуру 30°С. При контакте сосуда с
Рис. 35.
другим веществом он будет стремиться довести температуру
этого вещества до 30°С. Если температура вещества выше
30°С, оно будет отдавать тепло и некоторое количество кри-
сталлов хлористого кальция расплавится. Если температура
вещества ниже 30°С, тепло будет отдавать хлористый кальций
и произойдет увеличение числа кристаллов.
В предыдущем опыте кристаллический хлористый кальций
получал тепло от горелки Бунзена. Другой способ подвода
тепла состоит в погружении сосуда с хлористым кальцием
в горячую воду. II здесь после начала плавления температура
хлористого кальция остается постоянной, пока он целиком
не расплавится.
В оксфордском испарителе [1] скрытая теплота кристал-
лизации хлористого кальция использована для поддержания
равномерной температуры эфира в смежном сосуде, теряющего
тепло при испарении. Это обеспечивает подачу паров эфира
55
постоянной концентрации при любом положении регулиру-
ющего крапа. Температура плавления шестпводного хлори-
стого кальция достаточно высока, что позволяет получить
высокую концентрацию паров эфира в аппарате.
Л I ТЕРАТУРА
1. Macintosh R. R. a. Bannister F. В. Essentials of general
anaesthesia, 5th ed., chap. 32. Oxford, 1952.
ГЛАВА VII
ПАРЦИАЛЬНОЕ ДАВЛЕНИЕ
Давление газа на стенки сосуда, в котором он заключен,
определяется числом соударешнщмолекул со стенкой, прихо-
дящихся на единицу поверхности сосуда в единицу времени.
Чем меньше межмолекулярные расстояния, тем большее
число молекул надает на единицу поверхности, следовательно,
тем выше давление.
Рис. 36. Закрытый сосуд А с площадью стенок, рав-
ной единице, содержит 4 молекулы азота. Результат бомбар-
дировки стенок сосуда этими молекулами называется дав-
лением азота. Если каждая молекула, ударяющаяся в стенку,
производит давление, равное единице, тогда давление в
сосуде А равно 4 единицам. Такой же сосуд В содержит 1
молекулу кпелорода. Давление в сосуде В равно 1 единице.
Рпс. 36.
Рис. 37. Если молекулы азота и кпелорода перенести в
третий сосуд такого же размера С, они по-прежнему продол-
жают бомбардировать стенки сосуда. Теперь в сосуде содер-
жится 5 молекул п общее давление равно 5 единицам.
Мы уже знаем, что при одинаковой температуре и дав-
лении равные объемы различных газов содержат равное число
молекул (стр. 12). Поскольку 5 молекул занимают объем
сосуда, молекула кислорода занимает объем, эквивалентный* 1
1 При атом подразумевается, что если бы кислород был изолирован
и сжат до такой степени, что его давление равнялось бы давлению пер-
1
вопачальной смеси, то его объем составлял бы только — объема перво-
начальной смеси.
57
1 . 1
— ооъема сосуда, п окалывает давление, равное — суммар-
5	5
ного давления. Это давление кислорода называют его парци-
альным давлением; отношение парциального давления к суммар-
ному равно отношению объема кислорода к общему объему.
Характеристика газовой смеси может включать в себя
ее состав в объемных процентах пли (когда известно общее
давление смеси) парциальное давление газовых компонентов.
Рис. 37.
Так, в приведенном выше примере смесь содержит 80%
азота или азот с парциальным давлением в 4 единицы при
суммарном давлении в 5 единиц1.
Этот пример показывает, что:
а)	в газовой смеси каждый газ оказывает такое дав-
ление, которое он имел бы, если бы один занимал весь объем
(закон Дальтона);
б)	в газовой смеси давление каждого газа называется
его парциальным давлением, а суммарное давление смеси
равно сумме парциальных давлений компонентов;
в)	в газовой смеси отношение давления каждого компо-
нента к суммарному давлению равно отношению его объема
к общему объему.
Опыты
1.	Определить а) парциальное давление и б) содержание
кислорода в атмосферном воздухе в объемных процентах.
Рис. 38—39. В сосуд, содержащий воздух при атмосфер-
ном давлении, вливают ппрогалловую кислоту.
Рис. 40. Кран закрыт. После поглощения кислорода
разница между уровнями ртути в ртутном манометре состав-
1 Для простоты используются малые числа. В действительности
для того чтобы законы, относящиеся к парциальному давлению, были
верны, их нужно применять ко многим миллиардам молекул.
58
ляет 160 мм. Поэтому парциальное давление кислорода в
атмосферном воздухе равно 160 мм ртутного столба.
Общее атмосферное давление равно 760 мм ртутного столба,
парциальное давление кислорода — 160 мм ртутного столба.
2. Определить парциальное давление паров эфпра в 5%
смеси паров эфира с воздухом на уровне моря.

Рис. 41 и 42. Коробку с древесным углем открывают,
поднимая крышку, и пары эфира поглощаются углем. После
этого давление в сосуде снижается на 38 мм ртутного столба.
Это и есть парциальное давление паров эфира (заметьте,
что 38 составляет 5% от 760).
Эти опыты иллюстрируют принцип, широко применяемый
прп анализе газов. При поглощении одного компонента
смеси в закрытом сосуде давление в сосуде снижается.; по
величине этого снижения определяют концентрацию данного
компонента в первоначальной смеси. Хорошо известным при-
мером использования этого принципа может служить аппа-
рат Ван-Слапка для анализа газов крови.
Значение парциального давления для диффузии газов
Если с двух сторон перегородки1 находится газ, направ-
ление его диффузии определяется не различиями в объемах
газа, а разницей парциальных давлений, действующих на
стороны перегородки. Газ диффундирует в направлении
убывания парциального давления даже в том случае., когда
газ с более низким парциальным давлением занимает боль-
ший объем (см. также главу XVIII).
Рис. 43. Два сосуда разделены пористой перегородкой.
Суммарные давления в сосудах равны. Один содержит только
кислород, другой — смесь закиси азота и кислорода. Пока-
заны парциальные давления газов.
Рис. 44. Кислород диффундирует из правого сосуда, где
он имеет более высокое парциальное давление; таким же
образом закись азота диффундирует в правый сосуд, где
вначале ее не было.
Рис. 45. Суммарное давление в каждом сосуде не изме-
няется. Отдельные газы находятся в состоянии равновесия.
Парциальные давления кислорода (и закиси азота) по обе
стороны перегородки равны. Парциальные давления, указан-
ные на этом рисунке, относятся фактически к сосудам рав-
ного размера. Если отношение объемов сосудов 1:2, тогда
1	2
давление кислорода будет: — • 100-|----- 7(>0 = 540; давленпе
3	3
закиси азота равно 220.
В альвеолах концентрация кислорода равна 14%; таким
образом, парциальное давление этого газа составляет 14%
от 760 мм ртутного столба = 100 мм ртутного столба. Как
известно, давление кислорода (стр. 213) в венозной крови
1 В этом и последующих примерах подразумевается проницаемая
перегородка, которая по пропускает больших объемов газа, но вместе
с тем не препятствует его диффузпп. Этот процесс восит молекулярный
характер и проходит через микроскопические поры перегородки.
60
в легочных капиллярах составляет около 40 мм. Тонкая аль-
веолярная мембрана легко пропускает кислород и дает ему
возможность диффундировать в направлении убывания пар-
циального давления,
в венозную кровь.
т. е. из альвеол
около 400 см3 свежего воздуха
Легочный .
эпителии
Рпс. 46. Небольшое расхождение
между величинами парциального
давления кислорода в альвеолах и
давлением кислорода в артериаль-
ной крови обсуждается на стр.
61—62 п в сноске на стр. 212.
Этот процесс диффузии повышает давление кислорода в
артериальной крови до 95 мм ртутного столба (рис. 46).
Состав и, следовательно, парциальные давления газовых
компонентов в альвеолах поддерживаются практически на посто-
янном уровне посредством дыхания. По меньшей мере 15—20
раз в минуту легкие вдыхают
(примерло — общего объема
легких) и выдыхают такой же
объем газов с высокой концен-
трацией СО2 . Хотя дыхание
носит характер перемежающе-
гося процесса, состав альвео-
лярного воздуха можно рассма-
тривать как постоянный.
На приведенных ниже рисун-
ках показан процесс превра-
щения венозной крови в арте-
риальную в результате диффу-
зии газов через альвеолярную
мембрану.
Рис. 47. Левый сосуд изо-
бражает альвеолы, правый —
венозную кровь. Суммарные
давления в обоих сосудах равны,
но парциальное давление кис-
лорода в альвеолах гораздо
выше, чем в венозной крови.
В жизни полного равновесия
67
не бывает, поскольку во время дыхания часть легких может
бездействовать, в результате чего кровь, попадающая в эту
часть, не насыщается кислородом.
Проход кпелорода через мембрану не имеет ничего общего
с потоком газа через трубку в направлении более низкого
Кислород
I Другие
газы
lJuc. 48.
давления. Суммарное давление газов в крови фактически
равно полному давлению газов в альвеолах (760 мм ртут-
ного столба). В процессе дыхания кислород проходит через
альвеолярную мембрану не большими объемами, как в потоке
газа, а только путем диффузии.
62
Pirc. 48. Диффузия кислорода в венозную кровь. Углекис-
лый газ диффундирует в альвеолы. Диффузия происходит
непрерывно, хотя дыхание является перемежающимся про-
цессом .
Рис. 49. Достигнуто равновесие. Парциальное давление
кислорода одинаково по обе стороны мембраны. Правый
сосуд изображает артериальную кровь. Состав газов в сосуде,
изображающем альвеолы, не изменяется.
ГЛАВА VIII
ДАВЛЕНИЕ ПАРОВ
Как н во всяком газе, молекулы пара (стр. 85) находятся
в непрерывном хаотическом движении. Спла_ударов молекул,
действующая на единицу площади стенок сосуда плп измери-
тельного прибора, в котором заключен пар, называется дав-
лением пара.
"Когда пространство над жидкостью сообщается с атмосфер-
ным воздухом, суммарное давление смеси пара и воздуха
равно атмосферному давлению.
Пусть молекулы паров эфпра занимают объем и имеют
вес, равные объему и весу молекул кислорода или азота.
Выражение «5% смесь паров эфпра в воздухе» ничего не
означает, если неизвестно, к чему относятся проценты —
к весу пли объему компонентов. Можно подсчитать, что 5%
смесь паров эфпра в воздухе в единицах объема (%) значи-
тельно отличается от того же процентного соотношения в
единицах веса (в/в). 5% смесь паров эфира (о/о) фактически
эквивалентна 12% смеси (в /в).
Когда современные анестезиологи говорят о 5% смеси
паров эфпра в воздухе, они подразумевают 5 об.%, т. е.
5% объема смеси составляют пары эфира, а остальные 95% —
воздух. Мы пе отступаем от этого принципа и когда гово-
рим о процентном составе газовых смесей, то имеем в виду
концентрацию в объемных процентах (о/о)1 * * * * * * В.
1 То же самое относится к жидкостям. Раньше было принято
смешивать жидкий хлороформ и эфир в одной капельнице. Самая рас-
пространенная смесь, так называемая смесь С2Е3, состоит из двух
объемов хлороформа и трех объемов эфпра. Между удельными весами
хлороформа (1,5) н эфира (0,72) существует большая разница. В дей-
ствительности смесь «СаЕ3>> (о/о) имеет такой же состав, как и смесь
«С3Е2» (в/в); содержание хлороформа составляет 40% (о/о) плп 60%
(в/в>-
В продажу поступает смесь, состоящая пз 25% впнестена н 75%
эфпра (в/в). Поскольку удельные веса этих двух жидкостей почти оди-
наковы, можно приготовить практически идентичную смесь, смешав
25 объемов впнестена п 75 объемов эфпра.
64
Смесь газов оказывает давление на стенки сосуда, в
котором она заключена. Отношение той части суммарного
давления, которая приходится на долю одного пара (пар-
циального давления этого пара) к суммарному давлению
смеси равно отношению объема данного пара к объему смеси.
Давление 5% смеси паров эфира в воздухе на уровне моря
составляет 5% от 760 мм ртутного столба, т. е. 38 мм ртут-
ного столба.
Когда жидкость при данной, температуре находится в
закрытом сосуде, число молекул пара, которые в конечном
итоге возвращаются в жидкость, равно числу молекул,
вылетающих из жидкости. Достигается состояние равновесия,
при котором количество пара не увеличивается. Теперь насы-
щенный пар, находящийся над жидкостью, является самым
«крепким» паром, который можно получить при данной темпе-
ратуре. Любое повышение концентрации при этой темпера-
туре вызвало бы конденсацию избыточного пара в жидкость.
При любом повышении температуры увеличивается число
молекул, вылетающих из жидкости, и концентрация пара
повышается. И наоборот, когда температура падает, какое-то
число молекул пара возвращается в жидкое состояние, вызы-
вая соответствующее понижение концентрации пара.
На рис. 59 показано изменение концентрации паров эфира
над жидким эфиром в зависимости от температуры. Такой
график, «кривая давления паров» жидкости, показывает
зависимость между температурой и давлением насыщенного
пара, т. е. пара, находящегося в равновесии с жидкостью.
Рис. 50. Кривые давления паров жидкостей, используе-
мых в практике наркоза.
Когда давление паров жидкости в открытом сосуде ста-
новится равным атмосферному, пар занимает 100% простран-
ства непосредственно над жидкостью, т. е. пар не разбавлен
воздухом. При этом давлении, т. е. прп атмосферном пли
чуть выше, внутри жидкости образуются пузырьки пара и
жидкость «закипает». Происходит быстрое превращение жид-
кости в пар. Точкой кипения называется такая температура,
прп которой давление паров жидкости равно атмосферному
давлению.
На рпс. 50 изображен график, показывающий, что прп
температуре 20°С концентрация насыщенного водяного
пара в воздухе очень ппзка. График показывает также, что
максимальная концентрация паров трплепа, которую можно
получить при этой температуре из насыщенной маски Шпм-
мельбуша. не превышает 6 об.%. Разумеется, эта теорети-
ческая максимальная концентрация никогда не применяется
в клинической практике. Пары не только постоянно уда-
ляются дыханием через маску, но и концентрация паров
снижается также в результате охлаждения. Этим объяс-
Физика для анестезиологов
65
няется тот факт, почему метод введения анестезирующего
вещества через открытую маску непригоден для этого пре-
парата .
Насыщенный хлороформом воздух прп комнатной темпе-
ратуре содержит 20 об. % паров хлороформа — концентрация,
гораздо более высокая, чем тот максимум в 4,5%, который
обычно допускают в клинической практике.
Рис, 50.
Прп комнатной температуре максимальная концентрация
паров диэтилового эфира очень высока. В эксперименталь-
ных условиях вдыхание таких высоких концентраций ока-
залось опасным. И действительно, вдыхание даже 40% смеси
паров эфира в воздухе быстро приводит к остановке дыхания.
Однако в клинической практике, например прп использова-
нии открытой маски пли эфирнпцы Бойля (стр. 35), испаре-
ние приводит к быстрому падению температуры с соответ-
ствующим снижением концентрации пара. Если жидкий
эфир не подогревать снаружи, трудно получить концентрации
выше 15%.
Кривая давления паров дивпиилового эфира проходит
рядом с кривой диэтплового эфира. Высокое давление паров
дивпиилового эфира при комнатной температуре облегчает
введение этого вещества через открытую маску. Иногда
нетронутые бутылки с дивпниловым эфиром, запечатанные без
достаточной герметизации, находят пустыми, что объясняется
низкой точкой кипения этой жидкости (28,3°С).
66
Хлористый этил поступает в продажу в запечатанных
бутылках. Точка его кипения 12,5°С и поэтому при комнат-
ной температуре давление паров над жидкостью превышает
760 мм ртутного столба. Если опрокинуть бутылку и открыть
кран, выталкивается струя жидкого хлористого этила.
Мы безуспешно пытались применять для общего обез-
боливания пары этилового спирта. На графике (рис. 50)
можно видеть, что при комнатной температуре давление
паров этого вещества еще меньше, чем давление паров трихлор-
этилена. Введение этилового спирта через открытую маску
не дает никакого эффекта, а применение оксфордского испа-
рителя вызывает у больного лишь состояние легкого опья-
нения .
Давление водяного пара
Определим давление водяного пара при комнатной тем-
пературе .
Рис. 51. Атмосферное давление на уровне моря поддержи-
вает ртутный столб на высоте 760 мм.
Рис. 52. В трубку с ртутью вводят небольшое, количество
воды. Под давлением водяного пара уровень ртути снижа-
ется до 742 мм. Следовательно, давление насыщенного водя-
ного пара при температуре 20°С равно 18 мм ртутного столба.
Для того чтобы водяной пар оказывал такое давление в смеси
18
с воздухом, его концентрация должна быть: ---• 100 = 2,4%.
760	/
Рис. 53. Кривая давления паров воды при температуре
от 0 до 40°С. Эта кривая показывает парциальные давления
насыщенного водяного пара в диапазоне температур от 0 до
40°С, а также концентрации водяного пара, соответствующие
этим данным.
Если воздух насыщен водяным паром при данной темпе-
ратуре, говорят, что он имеет относительную влажность
100%. Таким образом, относительная влажность 50% озна-
чает, что парциальное давление водяного пара равно половине
давления насыщенного пара при этой температуре. На от-
крытом воздухе относительная влажность изменяется в зави-
симости от температуры и других условий погоды в диа-
пазоне от 0 до 100%; воздух может быть совершенно сух
или насыщен водяным паром.
Влажность воздуха в операционной повышается в связи
с близостью к стерилизаторам, особенно при плохой венти-
ляции, и может превышать 60%, но ее можно снизить до любого
желаемого уровня с помощью системы кондиционирова-
ния воздуха. Хотя снижение влажности воздуха создает
более благоприятные условия для работы в операционной
5*
67
Рис. 52.
Рпс. 51.
Концентрация иоемценныг oapoff
3 off проиен/нат
Рпс. 53.
[1] , прп известных обстоятельствах оно сопряжено с риском.
Чем суше воздух, тем лучше распространяются электроста-
тические заряды, одна из причин наркозных взрывов.
Методы измерения влажности воздуха
Рис. 54. Прибор состоит из тонкостенной серебряной
колбы с эфиром и термометра, показывающего температуру
эфира. Прп прокачивании воздуха происходит испарение
эфира. Температура эфира, а вместе с ней и температура
серебряной колбы (которая отлично проводит тепло) падает.
Воздух, соприкасающийся с колбой, охлаждается. Охлаж-
дение проводят до тех пор, пока водяной! пар в наружном
слое воздуха, соприкасающемся с колбой, не окажется насы-
щенным, после чего он будет конденсироваться на колбе.
Это легко обнаруживается по запотеванию блестящей сере-
бряной поверхности колбы. Температура, прп которой начи-
нается конденсация паров, известна под названием «точки
росы» и характеризует температуру насыщения водяного
пара в комнате.
Пример. Определить влажность воздуха в комнате.
Прп использовании гигрометра Рено (Regnault) сере-
бряная колба «запотела», когда температура упала до 5°С.
Согласно графику на рпс. 70 давление насыщенного водя-
ного пара прп 5°С равно 6,5 мм ртутного столба. Это и
есть парциальное давление водяного пара в комнате.
Температура воздуха = 20°С.
Давление насыщенного водяного пара при 20°С —18 мм ртут-
6 5
ного столба. Тогда относительная влажность:—— • 100 = 36%.
6.9
Рис. 55. Прибор1 состоит из двух одинаковых термо-
метров, смонтированных на общей панели. Шарик одного
из термометров покрыт муслиновым мешочком, которых!
постоянно поддерживается во влажном состоянии, так как
другим концом он погружен в небольшой сосуд с водой. Если
воздух еще не насыщен водяным паром, некоторое количество
Рис. 55. Психрометр.
воды с муслинового мешочка испа-
ряется , в результате чего происходит
охлаждение шарика. Теперь «влаж-
ный» термометр показывает более
низкую температуру, чем сухой. Раз-
ница между показаниями термоме-
тров зависит от скорости испарения,
которая в свою очередь зависит от
количества водяного пара в воздухе.
В сырую погоду разница в пока-
заниях двух термометров невелика,
а в сухую погоду она значительна.
Таблица 2
Таблица для определения относительной
влажности по показаниям психрометра
Понижение температуры влажного шарика (°C)	Относительная влажность (%) при температуре сухого шарика			
	10°С	20°С	ЗО'С	40°С
1°	88	91	93	94
2°	77	83	86	88
3°	66	74	79	82
4°	55	66	73	77
6°	34	51	61	67
8°	15	37	50	57
10°	—	24	39	48
К каждому прибору прилагается таблица, по которой
можно определить относительную влажность воздуха для
любой пары показаний влажного п сухого термометров.
Выше приводится небольшая часть такой таблицы. «Пони-
жение температуры влажного шарика» указывает разницу
между показаниями влажного и сухого термометров (табл. 2).
ЛИТЕРАТУРА
1. Wynne R. L. Brit. Med. J., i, 1947, 528—529.
1 Точное название прибора — психрометр (прим. реп).
ГЛАВА IX
АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ
Нижние слои воздуха сжимаются под тяжестью верхних.
В результате происходит уплотнение воздуха, т. е. увели-
чение числа газовых молекул в единице объема. На уровне
поверхности земли степень сжатия воздуха такова, что дав-
ление молекул достигает 760 мм ртутного столба. Некоторое
представление о величине этого давления дает следующий
факт: здоровый взрослый человек выдувает ртутный столб
1
в трубке на высоту около 50 мм, что составляет лишь —
часть атмосферного давления.
Чем выше слой воздуха над уровнем моря, тем меньше
вес воздуха, находящегося над этим слоем. Число молекул
в единице объема уменьшается, давление падает. Напри-
мер, на высоте 3000 м давление воздуха поднимает ртутный
столб лишь на 520 мм (стр. 78). Давление атмосферы явля-
ется результатом молекулярного движения и направлено на
все стороны.
Примеры:
1.	Каково парциальное давление на уровне моря
а) кислорода в воздухе и б) паров эфира в 5% смеси паров
эфира с воздухом?
а)	Концентрация кпелорода в воздухе равна 21%, сле-
довательно, на уровне моря парциальное давление кисло-
рода составляет:
21
—  760=160 мм ртутного столба.
б)	Концентрация паров эфира равна 5%. Следовательно,
на уровне моря парциальное давление паров эфира состав-
ляет:
5
--- 760=38 мм ртутного столба.
100
2.	Каково парциальное давление а) кислорода в воздухе
и б) паров эфира в 5% смеси паров эфпра с воздухом при
атмосферном давлении 600 мм ртутного столба (давление на
высоте около 1800 м)?
а)	Процентный состав атмосферного воздуха не зависит
от высоты над уровнем моря. Концентрация кислорода равна
21%. Следовательно, парциальное давление кислорода состав-
ляет:
21
-^•600=126 мм ртутного столба.
б)	Концентрация паров эфира равна 5%. Следовательно,
давление паров эфпра составляет:
5
^•600=30 мм ртутного столба.
Рис. 56 и 57. Опыт на высоте 1800 м над уровнем моря.
Сравните с рис. 41 и 42 (стр. 59).
Обмен парами эфпра между легкими и кровью зависит
от разницы парциальных давлений паров эфпра в альвеолах
и в крови. Давление 5% паров эфира на уровне поверхности
земли равно 38 мм ртутного столба, а па высоте 1800м —30мм.
Легко понять, что на уровне моря больной, вдыхая 5% пары
эфира, подвергается действию несколько более сильной нар-
котической смеси, чем при вдыхании смеси такой же кон-
центрации на высоте 1800 м.
До тех пор, пока сосуд сообщается с атмосферой,
общее давление в нем равно атмосферному. На уровне моря
давление атмосферы равно 760 мм ртутного столба. В этих
условиях воздух можно характеризовать как «100% воздух»
72
или как «воздух, имеющий давление 760 мм ртутного столба».
Если влить в сосуд жидкий эфир, пары эфира вытеснят неко-
торое количество воздуха, но суммарное давление паров эфпра
и воздуха по-прежнему будет равно 760 мм ртутного столба.
Рис. 58. Парциальное давление паров эфпра в банке
зависит от температуры жидкого эфира. Так, если взять
самый крайний случай замерзания эфира (состояние, которое
никогда не встречается в клинике, поскольку эфир замер-
зает при температуре —116сС), давление незначительного
количества паров эфпра над ним является ничтожно малым;
характеризуя это состояние, мы можем сказать, что давле-
ние паров эфпра равно U или что концентрация паров эфира
в банке равна 0.
При температуре эфпра — 10сС, т. е. в условиях, обыч-
ных для клинической практики, давление паров эфпра в
банке равно 110 мм ртутного столба. Остальные 650 мм
приходятся на долю воздуха. Состав газа в банке анесте-
зиолог может охарактеризовать как 15% смесь паров эфира
в воздухе 100% = 15%
1,760
При нагревании жидкого эфпра происходит испарение в
пространство над жидкостью. Давление паров повышается
за счет парциального давления воздуха. По кривой давле-
ния паров эфира (рис. 59) сразу же можно определить
давление насыщенных паров эфпра прп любой данной тем-
пературе, а шкала справа показывает соответствующий про-
центный состав. Когда жидкий эфир нагрет до 35°С, давле-
ние его паров превышает 760 мм ртутного столба. При этой
температуре воздух целиком вытесняется и атмосфера над
жидким эфиром состоит из 100% паров эфпра (рпс. 58).
73
При комнатной температуре 17°С давление паров составляет
около 380 мм ртутного столба. Газовая смесь в банке состоит
из равных объемов воздуха и паров эфира.
Если охлаждать насыщенные пары эфира ирп любой
данной температуре, то непзбежно происходит конденса-
заипых на рпс. 58.
ция некоторого количества пара в жидкость. Прп клини-
ческом наркозе такая ситуация возможна лишь в исклю-
чительных случаях; для этого при комнатной температуре
концентрация паров эфира до начала конденсации должна
превышать 50%.
На практике такая концентрация ничем не оправдана.
При анализе проб, взятых под маской во время открытого
эфирного наркоза, концентрации эфира не превышали 17%
[1,2] . Максимальная концентрация паров эфира в аппарате
ЭМО равна 20%, но такую сильную смесь используют лишь
в редких случаях.
Аппараты для подачи паров эфира при давлениях выше
атмосферного
Тем не менее существуют два аппарата, которые дают
100% пары эфира. Такие пары должны быть в значитель-
ной мере разбавлены воздухом пли газом и кислородом во
избежание передозировки. Конденсация прп комнатной тем-
пературе может произойти только в том случае, если кон-
центрация паров эфира в смеси превысит 50%, о чем мы
уже говорили.
74
Рис. 60.
Рпс. 61.
Как в «бомбе» Пинсона (Pinson) [3] (рис. 60), так и
в оксфордском испарителе № 2 (рис. 61) [4] жидкий эфир
содержится в прочном металлическом контейнере при темпе-
ратуре, значительно превышающей его температуру кипения.
Давление паров эфпра в контейнере гораздо выше атмос-
ферного, и поэтому прп открытом кране из аппарата выхо-
дят чистые пары эфпра.
В «бомбе» Пинсона пары проходят через тонкую резино-
вую трубку в открытую маску, где они свободно смеши-
ваются с воздухом. Вначале некоторое количество их кон-
денсируется в дыхательной трубке. Теплота конденсации,
выделяемая прп этом процессе, вскоре нагревает трубку
выше температуры кипения эфпра. Начиная с этого момента,
в наркозную маску поступают чистые пары эфпра.
В оксфордском испарителе № 2 температура эфпра под-
держивается на уровне, который гораздо выше его тем-
пературы кипения. Здесь картина такая же, как и при
использовании баллона с закисью азота. Как только кран
открывают, пары свободно выходят наружу. Расход чистых
паров измеряется ротаметром точно так же, как и расход
других наркотических газов (закиси азота и циклопропана).
Однако прп работе с парами эфира дозиметр поддерживают
в теплом состоянии во избежание конденсации.
Из дозиметра пары эфира поступают в теплую смеситель-
ную камеру, в которой онп разбавляются кислородом с
закисью азота или без нее.
В этом испарителе температуру эфира можно поддер-
живать на любом уровне, скажем, от 40 до 100 С в зависи-
мости от температуры плавления используемых в нем кри-
сталлов. Давление паров эфира в интервале этих температур
изменяется от 1,5 до 6,5 атм.
Мы используем этот испаритель как для полузакрытой,
так и для закрытой системы наркоза, однако, мы не
нашли в нем никаких преимуществ.
Дыхание па больших высотах
Понимание некоторых проблем, связанных с высотными
полетами, поможет анестезиологу уяснить значение термина
«парциальное давление».
Углекислый газ выделяется из крови в альвеолы и его
парциальное давление в альвеолах остается практически на
постоянном уровне — 40 мм ртутного столба. В альвеолах неиз-
бежно содержится и другой газ — водяной пар. Давление его
является давлением насыщенного водяного пара прп темпера-
туре тела. Поскольку последняя остается постоянной, парци-
альное давление водяного пара в альвеолах сохраняется на
постоянном уровне—47 мм ртутного столба (стр. 67).
76
Поэтому оба газа прп любых условиях оказывают сум-
марное давление порядка 90 мм ртутного столба. На уровне
моря давление других газов (азот п кислород) в легких
составляет (700 — 90) = 670 мм ртутного столба. Если же
вдыхать воздух па высоте 9000 м, где атмосферное давление
равно 225 мм ртутного столба, то суммарное давление азота
и кислорода в легких будет составлять (225—90) = 135 мм
ртутного столба.
Концентрация кислорода в атмосферном воздухе посто-
янна (21%) и не зависит от высоты. Поскольку некоторое
количество вдыхаемого кислорода поглощается и обмени-
вается, концентрация кислорода в пробе сухого и свобод-
ного от СО2 альвеолярного газа составляет 15%.
Дыхание на уровне моря. Если исходить из того, что
вдыхается один лишь воздух, парциальное давление кисло-
рода в альвеолах на уровне моря составляет 15% от
(760—90) мм ртутного столба, т. е.100 мм ртутного столба.
На высоте 1800 м атмосферное давление равно 610 мм
ртутного столба и парциальное давление кислорода в альвео-
лах составляет 15% от (610 90) = 78 мм ртутного столба.
Если парциальное давление кислорода в венозной крови при-
нять за 40 мм ртутного столба, то разность давлении кисло-
рода в альвеолах и венозной крови (78—40) мм ртутного
столба — все еще достаточна для хорошей оксигенации крови.
На высоте 4200 м атмосферное давление падает до 450 мм
ртутного столба. Сумма парциальных давлений углекислого
газа и водяного пара в альвеолах по-прежнему 90 мм ртут-
ного столба. Поэтому суммарное давление кислорода п азота
в альвеолах составляет (450 90) мм ртутного столба = 360 мм
ртутного столба. Давление кислорода в альвеолах на этой
высоте составляет 15% от 360, т. е. 54 мм ртутного столба.
Разность давлений кислорода в альвеолах и венозной крови
теперь сократилась до 14 мм ртутного столба. Происходя-
щая в этих условиях оксигенация крови достаточна для
поддержания жизни, но многие функции тола значительно
нарушены.
Рис. 62 показывает, что даже за время, достаточное для
достижения равновесия, кровь насыщается кислородом толь-
ко на 83%, если во время контакта с этим газом давление
последнего составляет только 54 мм ртутного столба1.
На высоте 9000 м атмосферное давление равно 225 мм
ртутного столба. Если бы здесь дышали одним воздухом,
1 Часть рисунка заштрихована, чтобы читателю легче было уяснить
состояние насыщения гемоглобина при любом парциальном давлении
кислорода в альвеолах. Так, если при 50 мм ртутного столба насыщение
гемоглобина кислородом достигает 80%, то на графике 80% как бы
полностью оксигенировано (светлая часть) а 20% полностью восста-
новлено (штриховка).
77
давление кислорода в альвеолах было бы 15% от (225—90),
т. е. 20 мм ртутного столба. Это давление меньше, чем пар-
циальное давление кислорода в венозной крови.
Один из наших коллег был подвергнут клиническому
опыту с воспроизведением атмосферных условии, существую-
щих на высоте 12 000 м. Вдыхаемый воздух содержал кисло-
Рпс. 63. Давление альвеолярных газов прп дыхании воздухом иа раз-
ных высотах. Штриховки изображают парциальные давления составных
газов. Пунктирная липни показывает приблизительную высоту, на кото-
рой человек теряет сознание в результате апокспи. Правая крайпяя кри-
вая представляет атмосферное давление как функцию высоты. Так,
на высоте, показываемой пунктирной линией, атмосферное давление
составляет 323 мм ртутного столба (= 90 +40 + 193).
7S
род с парциальным давленном 15 мм ртутного столба. После
нескольких вздохов давление кислорода в альвеолах упало
до 6 мм ртутного столба. Выдыхаемые газы собирали в мешок
Дугласа; анализ их показал переход кислорода из венозной
крови в альвеолы. Вскоре испытуемый потерял сознание и
эксперимент пришлось прекратить в связи с быстро разви-
вающейся аноксией.
Рис. 64. Давление альвеолярных газов па разных высотах. До
высоты 3000 м вдыхается воздух, выше — чистый кислород. Предпо-
лагается, что па высоте более 3000 м азот в альвеолах полностью заме-
щен кислородом.
Полет на высоте 9000 м невозможен, если парциальное
давление кислорода в легких не увеличено до уровня, доста-
точного для поддержания эффективной разности давлений
в альвеолах п венозной крови. Если вместо воздуха дышать
кислородом из баллона, парциальное давление кислорода в
альвеолах повышается до 135 мм ртутного столба. В этом
случае альвеолярные газы состоят из углекислого газа, водя-
ного пара и кислорода.
Общее атмосферное давление равно 225 мм ртутного
столба, давление углекислого газа и водяного пара — 90 мм,
давление кислорода—135 мм ртутного столба.
На высоте более 9000 м, несмотря на то что летчик
дышит чистым кислородом, разность давлений кислорода в
альвеолах и венозной крови уменьшается. На высоте 12 600 м
(атмосферное давление 127 мм ртутного столба) этой
79
разности еще хватает для обеспечения достаточной оксигена-
ции. Однако выше этого уровня парциальное давление кис-
лорода в альвеолах становится недостаточным для окспге-
•«*' рт ст.
л л от ст.
мл от ст.
Открытым
конец
Закрыть/и
чажец
Рпс. 68.
Рпс. 69.
Рпс. 65.
I
Нормальное атмосферное
давление
Рис. 65. В барометре над
ртутным столбом имеется ва-
куум. Поэтому верхний конец
ртутного столба не испытывает
никакого давления. На уровне
моря давление атмосферы, дей-
ствующее на поверхность ртути
в сосуде, поддерживает ртутный
столб на высоте 760 мм.
Рпс. 67.
7 б см
нации венозной крови и сох-
ранения сознания и жизни.
На высоте 15 000 м атмосферное
давление равно 90 мм ртутного
столба. Теоретически альвео-
лярное пространство должно
быть целиком занято углекис-
лым газом и водяным паром
(рис. 63 и 64).
Рис. 66.
Рис. 66. Верхний конец трубки открыт. Теперь атмос-
ферное давление действует на верхний конец ртутного столба
в трубке. Чтобы поддержать вес ртутного столба высотой
760 мм, необходимо противодавление 1 кг1 па 1 см2 поверх-
ности ртути у основания столба.
1 Точная величина 1,033 кг/см2. Поскольку удельный вес ртути
равен 13,6 г/см3, вес столбика ртути высотой 76 см п с поперечным
сеченном 1 см2 равен 13.6.76 = 1033 г. Давление у основания этого
столбика равно 1033 г на 1 см2, или 1,033 кг/см2.
80
Градуировка манометров производится одним из двух
способов. Некоторые из них показывают «абсолютное давле-
ние». Эти манометры, когда они сообщаются с атмосферой,
показывают давление в 1 атм. На протяжении всей этой
книги манометры, измеряющие давление паров, показывают
абсолютное давление.
Другие манометры показывают так называемое «мано-
метрическое давление». Эти приборы дают величину избытка
измеряемого давления над внешним атмосферным давле-
нием. Такой манометр, когда он сообщается с атмосферой,
показывает 0. Показание 51,7 кг/см2 (50 атм.) означает,
что абсолютное давление в баллоне равно 52,73 кг/см2
(51 атм.).
Рис. 67. В U-образпую трубку налита ртуть. Поскольку
атмосферное давление действует на оба колена, высота обоих
столбиков ртути одинакова.
Общее давление газов в сосуде можно определить путем
замены атмосферного давления, действующего па одно колено
U-образной трубки, давлением газа внутри сосуда.
Рис. 68. Уровни ртути не изменяются. Поэтому давле-
ние в сосуде равно атмосферному.
Рис. 69. Берется другой сосуд. Когда кран открывают,
уровни ртути изменяются; атмосферное давление превышает
давление в сосуде на 8U мм. Поэтому давление в сосуде
равно 680 мм ртутного столба.
Гидравлическое давление
Рпс. 70. Два сосуда цилиндрической формы, наполненные
водой, сообщаются своими основаниями. Отношение диа-
метров поршней равно 2:1. Поскольку площадь круга про-
порциональна квадрату его диа-
метра, поверхность большого пор-
шня в четыре раза больше поверх-
ности малого. Для достижения
того давления, которое оказывает
малый поршень под действием
1 единицы веса, большому пор-
шню требуется 4 единицы веса.
Давление воды на дно сосудов
одинаково.
Рис. 71. Равенство давлении подтверждается также высо-
той выбрасываемых водяных струп. Энергия давления, сооб-
щаемая жидкости в шприце, преобразуется в кинетическую
энергию. Высота выталкиваемой струи жидкости является
мерой кинетической энергии в наконечнике выпускной трубки
п, следовательно, энергии давления в шприце.
6 Физика для анестезиологов
81
Рис. 72. Поперечное сечение поршня шприца емкостью
10 см3 значительно больше, чем поперечное сечение поршня
шприца емкостью 2 см3. Чтобы вытолкнуть воду из шприцев
при равных давлениях, к большому поршню необходимо
приложить соответственно большее усилие.
Рис. 73. Вес 2 кг (средняя сила нажима большим паль-
цем) действует на поршни шприцев емкостью 10 см3 и 2 см3.
Поперечное сечение первого равно 2,6 см2, второго — 0,8 см2
Iотношение 3 — :11. Хотя прилагаемые усилия одинаковы,
давление в малом шприце в Зх/2 раза больше.
82
Опыт
Возьмем шприц емкостью 10 см3, присоединим иглу и
посмотрим, на какое расстояние можно выбросить струю
воды. Повторим этот опыт со шприцем емкостью 2 см3.
Вывод. Можно получить высокое давление жидкости без
излишних усилий путем использования шприца с малым
диаметром. Это имеет большое практическое значение при
местном обезболивании, когда приходится преодолевать со-
противление длинных узких игл и некоторых тканей.
ЛИТЕРАТУРА
1.	Hewitt F. a. Symes W. L. Lancet, i, 1912, 215—217.
2.	D г е s s е г Н. Johns Норк. Hosp. Bull. 1895, 6, 7—12.
3.	Wilson S. R. a. Pinson К. B. Lancet, i, 1921, 336.
4.	С о w a n S. L. et al. Ibid, ii, 1941, 64—6.
5.	Arm st ro ng H. G. Principles and practice of aviation medicine,
3rd ed. London, 1952.
6*
ГЛАВА X
СЖАТЫЕ ГАЗЫ
II ЗАКОНЫ ГАЗОВЫХ СОСТОЯНИЙ
Любое газообразное вещество можно превратить в жид-
кость давлением при условии охлаждения его ниже опреде-
ленной температуры, различной для каждого газа и извест-
ной под названием критической температуры данного газа.
При температурах выше критической вещество может нахо-
дится только в газообразном состоянии независимо от вели-
чины давления.
Поскольку критическая температура кислорода равна
— 116°С, его нельзя обратить в жидкое состояние при комнат-
ной температуре. Для сжижения кислорода при —116°С тре-
буется давление 50 атм. На заводах, производящих жидкий
кислород, посетителям часто показывают его в открытых
сосудах, но там температура гораздо ниже. Если жидкий
кислород палить в открытый сосуд, устроенный по прин-
ципу термоса, он продолжает бурно кипеть. Поскольку в
условиях термоса тепло на испарение расходуется за счет
самого жидкого кислорода, температура его быстро падает.
При температуре ниже — 183°С кипение жидкого кислорода
прекращается, поскольку давление его паров при этой тем-
пературе уже ниже атмосферного.
Если закрытый баллон, целиком наполненный жидким
кислородом, постепенно нагрелся бы до комнатной темпера-
туры, жидкий кислород перешел бы в газообразное состоя-
ние. Поскольку объем баллона и вес кислорода не изме-
няются, удельный объем (стр. 88) газообразного кислорода
равен удельному объему жидкого. Давление в баллоне повы-
силось бы до огромных величин порядка 4000—4500 атм.
(более 4000 кг/см2). Хранить кислород под таким давлением
невозможно. Для этого баллон должен был бы иметь чрез-
вычайно толстые стенки. Кроме того, трудно изготовить
сальники, способные выдерживать такое давление. Далее,
прп таких высоких давлениях кислород может вызвать само-
84
возгорание стенок баллона. В случае образования тре-
щины в баллоне возникает большая опасность пожара.
Вообще говоря, существуют баллоны, способные выдержать
давление до 5000 атм.; но они изготовлены для чисто экспери-
ментальных целей [2] .
Обычные баллоны имеют сравнительно тонкие стенки.
Газообразный кислород накачивают в них до тех пор, пока
давление его не достигает 132 атм. (137 кг/см2); раньше
давление доводили только до 120 атм. (123,6 кг/см2). Такие
баллоны считаются «полными», хотя для большей надеж-
ности их испытывают на давление более 200 атм. (211
кг /см2)1.
Критическая температура закиси азота равна 36,5°С;
для сжижения закиси азота, охлажденной чуть ниже этой
температуры, требуется давление 74 атм. Чем больше газ
охлажден, тем меньшее давление требуется для его сжиже-
ния .
Критическая температура эфира равна 194°С, и для
сжижения эфира, охлажденного чуть ниже этой темпера-
туры, требуется давление 36 атм.
Пары и газ
Между терминами «пар» и «газ» нельзя провести четкого
различия. Первый обычно используют для характеристики
газообразного состояния вещества, которое прп комнатной
температуре и давлении находится в жидком состоянии
(водяной пар, пары эфира). Выражаясь более научно, пар
есть газообразное вещество ниже своей критической темпе-
ратуры.
Термином «газ» следует обозначать вещество, которое
прп комнатной температуре находится только в газообразном
состоянии. В этих условиях сжижение невозможно, поскольку
температура в комнате выше критической температуры газа.
Давление в баллонах е закисью азота
Существует общее ошибочное представление, что давле-
ние в баллоне с жидкой закисью азота всегда равно
52,7 кг/см2 (51атм.). Давление паров над жидкой закисью азота,
как и давление паров над любой другой жидкостью, зависит
от температуры.
Из графика на рис. 74 следует, что прп охлаждении жид-
кой закиси азота ниже —89°С давление паров падает ниже
1 «Пробное давление», хотя оно и превышает на 50% максималь-
ное рабочее давление, все же вдвое меньше того, которое может разор-
вать баллон.
85
1 атм. Выше этой температуры вентиль баллона должен
быть закрыт, чтобы предотвратить выкипание жидкости. При
0°С давление паров равно 31 атм. Если баллон оставить
на нсчь при температуре 10°С, давление паров достигнет
40 атм. При 20°С давление паров равно 51 атм.(52,7 кг/см2).
См. также правую часть рис. 89 на стр. 103.
В странах жаркого климата часто приходится работать
при температурах выше критической температуры закиси
азота (36,5°С); в этих условиях содержимое баллона целиком
переходит в газообразное состояние. Однако можно видеть
(рис. 89), что при этом не происходит резкого повышения
давления в баллоне в момент перехода уровня критической
температуры; при 35°С давление равно 72 атм., а при
37°С—76 атм.
В условиях тропического климата баллоны могут нагреть-
ся до температуры 65°С, при которой давление «полного»
баллона (см. дальше) будет составлять 175 атм. В связи
с этим баллоны для закиси азота подвергают такой же пробе
давлением, как и баллоны для кислорода.
В условиях умеренного климата жидкая закись азота в
баллоне с открытым вентилем легко закипает и переходит в
газообразное состояние, естественное для нее при комнат-
ной температуре и давлении. Для превращения жидкой
закиси азота, как и любой другой жидкости, в газ необхо-
£6
димо тепло. Скрытая теплота испарения закиси азота при
различных температурах показана на рпс. 12 (стр. 31).
Если вентиль баллона полностью открыт и испарение проис-
ходит быстро, соответственно ускоряется расход тепла. Тем-
пература жидкой закиси азота, баллона и воздуха, непо-
средственно окружающего баллон, падает до такой степени,
что водяной пар в окружающем воздухе конденсируется и
даже замерзает на стенке баллона (рис. 10, стр. 29).
Рис. 75.
При производстве жидкой закиси азота тщательно следят
за тем, чтобы газ был свободен от водяного пара, когда его
подвергают сжижению в баллонах [3] . Охлаждение, неиз-
бежное при открывании вентиля баллона, может вызвать
замерзание водяного пара, смешанного с выходящим газом,
и закупорку выпускного клапана льдом. В те дни, когда
производство жидкой закиси азота делало свои первые шаги,
вода была обычной «примесью», п закупорка клапана льдом
являлась частой помехой. Для ее устранения применяли
местное нагревание различными способами [4] , чаще всего
спиртовками [5] , теплой водой [6] (рис. 75,76) или путем
окутывания вентиля салфеткой, смоченной теплой водой.
С помощью любого из этих способов температура выпускного
клапана поддерживается выше точки замерзания воды.
С той же целью многие редукционные клапаны (рис. 77, 78)
снабжены радиаторами, которые облегчают теплопередачу от
окружающей атмосферы и таким путем поддерживают тем-
пературу в клапане выше 0°С. Теперь благодаря тщатель-
ному высушиванию закиси азота перед сжижением про-
блемы замерзания выпускного клапана больше не существует
87
и в современных редукционных клапанах радиатор уже
не считается необходимым элементом конструкции.
Рис. 77.
Рис. 78.
Удельный объем
Газообразное вещество всегда целиком заполняет сосуд,
в котором оно содержится. Газам свойственна тенденция
к расширению. В комнатных условиях силы сцепления моле-
кул в газе, противодействующие его расширению, ничтожно
малы по сравнению с этими силами в жидкости. Таким
образом, газ как бы разрежается, чтобы заполнить весь
сосуд. Тот объем, который занимает 1 г твердого, жидкого
пли газообразного вещества прп данных величинах темпера-
туры и давления, называется его удельным объемом. Удель-
ный объем обратно пропорционален плотности (см. стр.13).
Это выражается формулой:
Удельный объем =--------- •
ПЛОТНОСТЬ
При расширении данной массы газа его удельный объем
увеличивается. Теперь в единице объема газа содержится
меньше молекул, число ударов молекул на единицу площади
стенки сосуда сокращается. Давление падает (стр. 57). Это
падение давления прямо пропорционально уменьшению числа
ударов молекул на единицу площади стенки сосуда и, следо-
вательно, обратно пропорционально увеличению удельного
88
объема. Зависимость между давлением и объемом,данной
массы газа была установлена Бойлем (Boyle) в 1662 г.
Закон Бойля может быть выражен в следующей форме:
а) Давление газа прп постоянной температуре обратно
пропорционально его удельному объему.
Поскольку между плотностью газа и его удельным объе-
мом существует обратная пропорциональная зависимость,
этот же закон можно изложить следующим образом:
Давление газа при постоянной температуре прямо про-
порционально его плотности
б) Произведение удельного объема газа па его давление
при постоянной температуре есть величина постоянная:
Давление • удельный объем = К, или более кратко:
Л = К
Если Р выражено в атмосферах, с — в л/г, а М — грамм-
молекулярнып вес газа или пара, тогда величина К прп
пог 22,41
О G равна----- •
М
Примеры
а)	Найдем удельный объем кислорода при давлении 10 атм.
и температуре 0сС.
М = 32; К = 22,4/32 = 0,70
v = К,‘Р = 0,70/10 = 0,07 л/г.
Иными словами: если кислород сжат до 10 атм. при О С,
то 0,07 л кислорода весят 1г, а плотность его равна 1/0,
1/0,07 = 14,3 г/л.
б)	Найдем давление водорода с удельным объемом 45 л/г
прп температуре 0°С.
7J/= 2; К = 22,4/2= 11,2
Р = К/и = 11,2/45 = 0,25 атм.
Иными словами: водород с удельным объемом 45 л/г или
с плотностью 1/45 = 0,022 г/л оказывает давление 0,25 атм.
прп 0°С.
Применение
Кислородный баллон содержит кислород под давлением.
Если некоторое количество кпелорода выпустить, оставшийся
газ расширится и будет по прежнему равномерно запол-
нять весь объем баллона. Теперь в единице объема кисло-
рода содержится меньше молекул, и поскольку число ударов
89
молекул па единицу площади стенки баллона сокраща-
ется, давление падает. Зависимость между уменьшением
числа молекул на единицу объема и понижением давления
настолько точна, что манометр показывает, какую часть
полного объема баллона составляет остаток газа. Так, в
полном баллоне давление равно 120 атм. Если выпустить
половину содержимого баллона, масса кислорода, которая
раньше содержалась в 1 см3, теперь содержится в 2 см3
объема баллона. Удельный объем кислорода удвоился. Это
согласуется с законом Бойля, поскольку давление в баллоне
теперь уменьшилось вдвое.
Манометры редко можно видеть на баллонах с закисью
азота, углекислым газом или циклопропаном. Эти газы сжи-
жаются под давлением и поставляются в баллонах в жид-
ком виде. Но в баллоне с закисью азота, который по завод-
ским техническим условиям является «полным», жидкость
не занимает всего объема. Известную часть объема занимает
закись азота в газообразном состоянии и давление этих
насыщенных паров зависит от температуры. При комнатной
температуре оно равно 51 атм. (стр. 86). Если значительную
часть содержимого баллона выпустить наружу и затем подож-
дать, пока он восстановит свою первоначальную, т. е. ком-
натную, температуру (так как баллон охладится в результате
затраты тепла на испарение жидкой закиси азота), то ока-
жется, что при условии сохранения некоторого количества
жидкости давление паров в баллоне по-прежнему равно
51 атм. Давление в 51 атм. при 20°С показывает, что в баллоне
осталось некоторое количество жидкого газа, но не дает
представления о том, сколько осталось газа. Для определе-
ния количества закиси азота в баллоне надо его взвесить.
Вес пустого баллона выбит на его шейке. Разницу следует
отнести за счет закиси азота, 455 л которой при 15°С и 1 атм.
весят 850 г. Это будет вычислено в примере (в) на стр. 102.
При использовании баллона с закисью азота манометр
может дать неточное представление о количестве закиси
азота в баллоне. В начале давление в «полном» баллоне
равно 51 атм. После того как он в течение некоторого вре-
мени находился в работе, температура жидкости может
упасть, скажем, до —25°С. Тогда давление паров по пока-
заниям манометра будет составлять только 18 атм. (рис. 74).
Если теперь баллон закрыть, он постепенно нагреется до
температуры комнаты. Если в нем еще остается какое-то
количество жидкости, давление постепенно повысится до
исходного уровня 51 атм. Некоторые баллоны с закисью
азота снабжены манометром и поэтому всегда следует иметь
в виду указанные факторы, ограничивающие его ценность.
В процессе эксплуатации баллона с закисью азота
наступает момент, когда испаряется последняя капля жид-
90
кости. Если предположить, что температура все время была
постоянной, чего никогда не бывает при клиническом нар-
козе, давление в баллоне при его использовании должно
оставаться на постоянном уровне 51 атм. Однако, начиная
с этого момента, давление в баллоне постепенно падает.
Если бы пары закиси азота вели себя как идеальный газ
и подчинялись закону Бойля, то в баллоне на 455 л газа
(внутренний объем 1,3 л) все еще находилось бы 1,3-51= 66 л
газообразной закиси азота. Это составляло бы около х/7
первоначального количества. Фактически же баллон содер-
жит больше газа. Пары, находящиеся так близко к своей
точке насыщения, гораздо более сжимаемы, чем идеальный
газ. В тот момент, когда только что испарилась последняя
капля жидкой закиси азота, в баллоне все еще остается
около четверти первоначального «заряда».
Принято считать, что после испарения последней капли
жидкой закиси азота (скажем, при давлении 51 атм.) давле-
ние в баллоне быстро падает до 0. На этом этапе баллон
наполнен парами закиси азота под давлением 51 атм. Скорость
снижения давления зависит от размера баллона и расхода
газа. При использовании обычных баллонов на 910 л с
расходом газа 6 л/мин давление падает около 40 минут.
Положение в баллоне с закисью азота сразу же после испа-
рения последней капли жидкости можно сравнить с положе-
нием в кислородном баллоне на 910 л при том же давлении.
При 51 атм. кислородный баллон все еще наполнен более
I 51 1
чем на х/ч, точнее, на -— •
1Д20]
Рис. 79. Закись азота выходит из полного баллона на
910 л с постоянной скоростью
баллоне ничего не остается.
Давление в баллоне измеряется
через частые интервалы. Тем-
пература в комнате 18°С.
Скрытая теплота испарения
жидкой закиси азота обеспе-
чивается в основном тепло-
содержанием самой жидкости и
баллона. Поэтому температура
жидкой закиси азота, а с
ней и давление паров падают.
Кривая иллюстрирует непре-
рывное снижение давления. Тот момент, когда испаряется
последняя капля жидкости и содержимое баллона становится
полностью газообразным, на графике не показан.
Рис. 80. Здесь предыдущий эксперимент повторяется в
течение первых 50 минут. Затем поток газа выключают.
до тех пор, пока в
СИПЫ
50-
40-
30-
20-
10-
давление 6 баллоне на 310 л
Иг0 при постолином расходе
8 л/мин
~Z5	~50	~75 ho
Минуты
Рис. 79.
0
,97
Давление в холодном баллоне равно 22 атм. Баллон посте-
пенно нагревается до комнатной температуры. Через 50 минут
давление поднимается до 40 атм. и в конечном итоге до 47 атм.,
указывая на то, что в баллоне все еще остается жидкость.
Рис. 79 может дать совершенно неверное представление,
если не будут полностью учтены все условия опыта. На пер-
Рпс. 80.
вый взгляд он как будто
указывает на то, что по
давлению в баллоне с за-
•*" кпсью азота можно легко
определить, сколько за-
киси азота осталось в бал-
лоне. Фактически так оно
и есть, если из баллона на
910 л выпустить газ «в
один присест»» прп посто-
/00 яппом расходе 8 л/мин.
Однако в клинической
практике скорость расхода
газа часто изменяется и,
что гораздо более важно, почти неизбежны перерывы, иногда
весьма продолжительные, когда баллон совсем не используется.
Во время этих периодов между операциями баллон получает
тепло от окружающей среды. Если в баллоне все еще остается
Атм
1Z5
Л7
Дабление б баллоне
на 5/0 л MgO при постоян-
ном расходе вл/мин
100
/5
25
О -
о
IS SO
Минуты
Рис. 81.
некоторое количество жидкости, давление постепенно повы-
шается до тех пор, пока баллон не нагреется до комнатной
температуры.
В опыте, показанном на рис. 80, давление через 25 минут
равно 33 атм. Расход газа продолжается еще 25 минут п
затем прекращается .Через 80ми-
нут баллон достаточно нагрет
и манометр показывает 33 атм.
Можно видеть, что через 25
и через 80 минут давления
равны, хотя в первом случае
баллон содержит 700 л, а во
втором — 500 л.
Два последующих опыта
надо сравнить с двумя пре-
дыдущими.
Рис. 81. Кислород выпус-
кают из полного баллона на
910 л с постоянной скоростью 8
номерно.
Рис. 82. Повторяется предыдущий опыт, но через 50 ми-
нут поток газа перекрывают. Начиная с этого момента,
давление в баллоне остается постоянным; поэтому величина
давления в любой момент показывает содержимое баллона.
л /мин.
Давление падает рав-
92
Падение температуры при выпускании сжатого кислорода
является ничтожно малым. Когда баллон нагревается
до комнатной температуры,
происходит небольшое повы-
шение давления, но оно
слишком мало для измере-
ния манометром, используе-
мым в этом опыте.
Зависимость между давле-
нием в баллоне и количес-
твом содержащегося в
нем кислорода или закиси
азота

Рис. 83. «Полный» бал-
лон содержит кислород под
давлением 120 атм. Вентиль баллона открывают; начинается
прогрессирующее падение давления. Когда давление упало
до 60 атм., количество газа в баллоне также уменьшилось
Рпс. 83.
вдвое по сравнению с первоначальным. Величина давления
в любой момент показывает количество кислорода, остав-
шегося в баллоне. По мере уменьшения плотности (характери-
зуемой частотой штриховки) происходит снижение давления.
Рис. 84. Плотность паров над жидкой закисью азота
характеризуется частотой штриховки. Температура на протя-
жении всего опыта поддерживается на постоянном уровне
93
20°С; прп этом давление насыщенных паров над жидкостью
равно 51 атм. Когда вентиль баллона открывают, газообраз-
ная закись азота выходит наружу п сразу же замещается
вновь образовавшимися парами. Когда баллон наполнен на
50%, плотность паров, а следовательно, и давление все еще
сохраняются на прежнем уровне. Фактически они не изменя-
Атм	ПоддержиОиется пистоян-
Ге О у	ниа температура ZO°C
Закись ауоти
Рис. 84.
ются до тех пор, пока хоть какое-нибудь количество закиси
азота находится в жидком состоянии. Точно измерить коли-
чество закиси азота, остающейся в баллоне, можно только
путем взвешивания баллона.
Горизонтальная линия показывает, что давление паров
в баллоне остается постоянным до тех пор, пока он наполнен
не менее чем на 25%. Когда вся жидкость улетучивается,
давление газа в баллоне начинает падать. После этого зави-
симость между давленпем и удельным объемом постепенно
приближается к закону Бойля, который применим только
в тех случаях, когда давление закиси азота значительно
ниже давления ее насыщенных паров.
Примечание. Цифра 30 унций (850 г), выбитая на шейке
баллона с закисью азота на 455 л, указывает вес закиси азота в полном
баллоне. Фактический вес закиси азота в полном баллоне может слегка
отклоняться от этой цифры в любую сторону.
94
Наполнение баллона закисью азота
Рис. 85. Температура на протяжении всего опыта поддер-
живается на уровне 20гС.
1.	Баллон наполнен газообразной закисью азота при
давлении 10 атм.
Рис. 85.
2.	В отличие от опыта с эфиром (стр. 98) емкость сосуда
в этом случае остается постоянной. Количество газа в баллоне
в 2 раза больше первоначального и поэтому газ оказывает
давление 2 атм. Теперь удельный объем закиси азота в 2 ра-
за меньше; другими словами, плотность газа увеличилась
в 2 раза.
3.	Дальнейшее нагнетание газа компрессором приводит
к повышению давления почти до давления насыщенных
паров закпси азота прп 20°С. Удельный объем еще более
у меныпплся; повышение плотности газа при этом давлении
характеризуется степенью яркости.
95
4.	Наполнение продолжается до тех пор, пока пары не
станут насыщенными. Манометр показывает 51 атм. Поскольку
прп температуре 20сС закись азота в газообразном состоя-
нии не может оказывать давление выше 51 атм., дальнейшее
наполнение вызывает конденсацию паров.
5.	По мере дальнейшего наполнения конденсируется все
большее количество паров. Жидкая закись азота собирается
на дне баллона.
6.	Наполнение продолжают до тех пор, пока баллон не
станет технически «полным».
На заводе баллоны наполняют из трубопровода, содер-
жащего жидкую закись азота под давлением, гораздо выше
давления насыщенных паров при температуре той комнаты,
где производится наполнение.
Во время наполнения давление в баллоне с закисью
азота изменяется, а температура поддерживается па постоян-
ном уровне 20°С.
График, показывающий зависимость между давлением
закиси азота и ее удельным объемом прп постоянной темпе-
ратуре, известен под названием «изотермы».
Между точками and (график на рис. 85) закись азота
находится целиком в газообразном состоянии. Вначале повы-
шение давления газа приблизительно соответствует закону
Бойля, т. е. давление изменяется обратно пропорционально
удельному объему (стр. 89). При давлении 20 атм. удельный
объем закиси азота равен 22 см3/г, тогда как при 50 атм. эта
величина снизилась до 7 см3/г (удельный объем насыщен-
ного пара).
В точке d (когда давление достигает 51 атм.) начинается
сжижение и, несмотря на дальнейшее добавление закиси
азота, давление остается постоянным. В точке f закись азота
имеет удельный объем 1,5 см3/г и баллон считается «полным».
Наполнение можно продолжать и дальше, пока в точке g
жидкость не заполнит всего объема баллона. Поскольку
жидкость фактически не сжимается, дальнейшее добавление
даже самого небольшого количества закиси азота может
привести к огромному повышению давления.
Коэффициент наполнения
Степень наполнения баллона с закисью азота можно оха-
рактеризовать, указав среднюю плотность или средний удель-
ный объем содержимого. Удельный объем закиси азота
в баллоне, содержащем одновременно жидкость и пары,
является средним удельным объемом. Он определяется отно-
шением объема баллона к общему весу его содержимого, или:
„	о ,	объем баллона
средник удельный объем =-----------------------
вес жидкости + вес паров
96
Среднюю плотность закиси азота в полном баллоне опре-
делить нетрудно. Находим вес закиси азота в баллоне.
Емкость баллона известна (в крайнем случае, ее можно опре-
делить, наполнив такой же баллон водой). Поскольку плот-
ность воды равна 1, отношение веса закиси азота в баллоне
к весу воды, которую может вместить баллон, дает среднюю
плотность содержимого; эта величина известна как «коэффи-
циент наполнения». Баллоны с закисью азота обычно напол-
няют [7] до коэффициента 0,67; теперь этот коэффициент
принят как для умеренного, так и для тропического климата,
хотя в Англии раньше применяли более высокий коэффициент.
Для умеренного климата допустим коэффициент наполнения
до 0,75.
Пример. Внутренний объем баллона на 455 л закиси азота
равен 1,3 л. Такой объем воды весит 1300 г. «Полный»
баллон содержит 850 г закиси азота. Следовательно, коэффи-
850	..
цпент наполнения равен -----= 0,Ь5.
1300
Рис. 86. Изотермы для закпсп азота прп нескольких
температурах, поясняющие опасность перенаполнения баллона.
Коэффициент наполнения 0,65, соответствующий удель-
ному объему 1,5, изображен вертикальной правой линией.
7 Физика дли анестезиологов
97
Прп таком коэффициенте наполнения л температуре 20сС
давление внутри баллона равно 51 атм. В этом же баллоне
при 40°С, т. е. такой температуре, которая бывает и в Англии,
давление повышается до 90 атм. (рис. 74). Если баллон нагреть
до 60° (температура, которая бывает в тропиках), давление
поднимается до 160 атм., т. е. приблизится к давлению в
«полном» баллоне с кислородом при той же температуре
(см. рис. 88, стр. 103).
Вертикальная левая линия соответствует коэффициенту
наполнения 0,77 (удельный объем 1,3 см3/г), когда баллон
при 20°С почти целиком наполнен жидкостью. Прп этой
температуре давление равно 51 атм. Однако прп 40сС давле-
ние повышается до 125 атм , а при 60сС оно достигает уже
190 атм., т. е. такой величины, которая близка к величине
контрольного давления (стр. 85).
Если при 20°С баллон целиком наполнен жидкой закисью
азота (g, рис. 85), дабавленпе самого незначительного коли-
чества закиси азота приводит к резкому повышению давле-
ния. Если такой баллон нагреется, как это было в предыду-
щих примерах, давление превысит контрольную величину и
достигнет опасных размеров.
Влияние давления на пары
Рпс. 87. В этом гипотетическом опыте рассматриваются
пары эфира при 15°С; предполагается, что сосуды находятся
в вакууме, поэтому влияние атмосферного давления не учи-
тывается .
А.	Узкий сосуд содержит пары эфира, которые сжаты
весом, действующим на поршень. Давление паров равно
70 мм ртутного столба.
В.	Вес удваивается и поршень опускается до тех пор,
пока объем, занимаемый парами, не уменьшается вдвое.
Давление паров повышается в два раза, т. е. до 140 мм ртут-
ного столба.
С.	Вес увеличен в 5 раз. Объем, занимаемый парами,
теперь составляет пятую часть первоначального объема.
Давление паров соответственно повысилось до 350 мм ртут-
ного столба.
Давление насыщенных паров эфира при 15°С равно 350
мм ртутного столба (рис. 59). Это самое высокое давление,
которое могут оказывать пары эфира при данной темпера-
туре .
D.	Дальнейшее небольшое увеличение веса приводит к
конденсации паров. Образуются капельки жидкости.
Е.	Без дальнейшего увеличения веса поршень опускается
до тех пор, пока все пары не превратятся в жидкий эфир.
Давление остается постоянным.
98
Сравните этот опыт с опытом на рпс. 85, показывающим
сжижение газообразной закиси азота. Там объем сосуда
является постоянным, а давление в нем изменяется по мере
накачивания газа. Здесь также начинается конденсация
паров, когда достигается давление насыщения газа при
Рпс. 87.
комнатной температуре (51 атм.). Дальнейшее накачивание
газа приводит не к увеличению давления, а к дальнейшей
конденсации.
В этих двух опытах удельный объем паров изменяли раз-
личными средствами. Удельный объем закиси азота посте-
пенно уменьшали путем увеличения количества Гх2О в сосуде
с постоянным объемом. В опыте с эфиром удельный объем
сокращали путем уменьшения размера сосуда прп постоянном
количестве эфира.
99
Закон Шарля
При нагревании газа молекулярное движение увеличи-
вается и газ стремится к расширению. Если это расширение
ограничено сосудом, число ударов молекул в стенки сосуда
увеличивается и давление повышается. Шарль (Charles)
в 1787 г., а после него Гей-Люссак (Gay-Lussac) в 1802 г.
экспериментально установили, что все газы, занимающие
равные объемы, при нагревании на 1СС при постоянном
давлении увеличивают свой объем на одну и ту же величину.
1
Для идеального газа это приращение составляет - объема
2/3
газа при 0°С. И, наоборот, когда идеальный газ охлаждается
1
на 1°С, объем газа уменьшается на --- его объема при 0°С.
273
Таким образом, нагревание газа на 1°С при постоянном
1
давлении влечет за собой его расширение на-- того объема,
2/3
который этот газ занимает при 0°С и прп том же давлении
(закон Шарля).
Примеры)
а)	1 см3 жидкого эфпра после испарения занимает объем
220 см3 при 0° и 760 мм ртутного столба. Какой будет
объем паров при 20°С и 760 мм ртутного столба?
При повышении температуры на 1°С увеличение объема
1	20
равно: ----• 220 см3; на 20°С — ---• 220 см3 = 16 см3.
273	273
Конечный объем — 236 см3.
б)	1 грамм-молекула (стр. 11) идеального газа при 0°С
и 760 мм ртутного столба занимает объем 22,4 л. Каков будет
этот объем при 20°С?
При повышении температуры на ГС увеличение объема
равно:
л; на 20°С -	-20 л = 1,6 л.
273	273
Конечный объем — 24 л.
Если на каждый градус снижения температуры прп посто-
1
явном давлении объем газа уменьшается на того объема,
1 В примерах на этой и последующих страницах предполагается,
что газы при указанных условиях подчиняются законам для идеального
газа. Строго говоря, это не совсем правильно, но такое приближение
вполне приемлемо для наших целей.
100
который он занимал при 0°С, то к моменту охлаждения газа
до —273°С он не должен был бы занимать никакого объема.
Однако при крайне низких температурах ни один из законов
для идеальных газов (например, закон Бойля, закон Шарля)
не сохраняет своей силы. Фактически любой газ сжижается
до того, как будет достигнута температура —273°С.
При вычислении изменений объема в результате изменения
температуры используют абсолютную шкалу температур,
на которой за 0° берется —273°С, а 273° абсолютной шкалы
эквивалентны 0°С.
Шкалы температур обычно называют по именам ученых.
Такова шкала Фаренгейта (°F), шкала Цельсия (°C), названная
по имени шведского ученого. Точно так же шкалу абсолютных
температур обычно называют шкалой Кельвина (°К) по имени
лорда Кельвина, который внес выдающийся вклад в теорию
тепла.
Повышение температуры газа, скажем, от 0 до 20°С выра-
жается на абсолютной шкале, как повышение от 273°К до
293°К. Объем газа при постоянном давлении прямо пропор-
ционален его абсолютной температуре.—
Пример
в)	Газ занимает объем (V см3) при 0°С (273°7Q. Каков
будет его объем при 20°С (293°К), если давление поддержи-
вается на постоянном уровне?
Увеличение объема при повышении температуры на
V	20F
1°С=—; на 20°С =------ Следовательно, конечный объем равен
273	273
у , 20F = 273F + 20F _ 293 у
"Г 273	273	~ 273
Таким образом газ, который при 0°С занимает 100 см3,
прп 20°С будет занимать:	• 100 см3 =107 см3; а газ,
который прп 0°С занимает 22,4 л, при 20°С будет занимать:
293	99 /	9/
----22,4 л = 24 л.
273
Закоп Гей-Люссака
При постоянном удельном объеме на каждый градус по-
1
вышения температуры давление газа увеличивается на -----
2/3
величины его давления при 0°С, или
давление газа при постоянном объеме прямо пропорцио-
нально его абсолютной температуре.
101
Примеры
а)	Баллон с кислородом под давлением 132 атм. при
15СС перенесен в комнату с температурой 25°С. Какое давле-
ние будет в баллоне прп этой температуре?
Начальная температура равна 288°К; конечная темпе-
ратура — 298°К.
Следовательно, конечное давление равно:
— • 132 атм. =136,6 атм.
288
б)	Давление в закрытом сосуде, содержащем сжатый
воздух, равно 12 атм. прп 20°С. После погружения в охлаж-
дающую баню давление в сосуде снижается до 10 атм. Какова
конечная температура?
Начальная температура равна 293°К; конечная темпе-
ратура — Т°К.
— = —; отсюда 7 = —• 293 = 244°К.
293	12	12
Конечная температура равна 29°С.
в)	Докажите, что 455 л N2O прп 15°С и 1 атм. весят
850 г (см. стр. 97).
22 41
По закону Бойля (стр. 89) при К=—'— удельный объем
14
22 4
закиси азота прп НТД равен:------— =и,509 л /г.
44  1
Согласно закону Гей-Люссака, удельный объем прп 15°С
(288°К):
0,509- — = 0,537 л/г.
273
Следовательно, объем, занимаемый 850 г, равен :
850 • 0,537 = 457 л.
Увеличение давления при повышении температуры
в баллонах с кислородом и с закисью азота,
наполненных по британскому стандарту
Рис. 88. В Англии кислородные баллоны раньше напол-
няли до тех пор, пока давление не достигало 120 атм. После
второй мировой войны эту величину повысили до 132 атм.
Давление в кпслородпом баллоне повышается, согласно
закону Гей-Люссака; оно прямо пропорционально абсолютной
температуре газа.
Рис. 89. Баллоны наполняют закисью азота до тех пор,
пока содержащаяся в них закись азота не будет иметь опре-
102
Кислород
Рис. 88.
Рис. 89.
деленный вес, установленный для данного размера баллона.
Так, в баллон на 910 л накачивают 1700 г закиси азота.
Это соответствует коэффициенту наполнения 0,65, при кото-
ром средний удельный объем закиси азота равен 1,5 см3/г. При
9	.
этом наполнении около — внутреннего объема баллона занято
жидкостью, а остальной объем — газообразной закисью азота.
Тел пература § °C
Рис. 90.
азота и кислорода пересекаются
примерно 60°С. Давление, при
указано на стр. 85.
Выше критической тем-
пературы (36°С) баллон
наполнен только газом;
обратите внимание на
отсутствие резкого повы-
шения давления при пере-
ходе этого уровня.
Рис. 90. На этом гра-
фике показано повышение
давлений в «полных» бал-
лонах с кислородом и
закисью азота в резуль-
тате повышения темпера-
туры. Закись азота сразу
же после перехода уров-
ней критической темпе-
ратуры и давления не
подчиняется закону Гей-
Люссака . На графике кри-
вые давления для закиси
в точке, соответствующей
котором испытывают баллоны,
ЛИТЕРАТУРА
1.	Bridgman Р. W.'The physics of high pressure, Ch. ii, Bond., 1949.
2.	British Standard 1045. Manganese steel gas cylinders for atmospheric
gases, 1942.
3.	S t о v i n G. H. T. Gas and air analgesia in midwifery, 2nd ed.,
pp. 34—35, 1952.
4.	Boothby W. M. Boston med. Surg. J., 1912, 166, 86—90.
5.	Hadfield C. F. Practical anaesthetics, p. 85. Bond., 1923.
6.	С 1 о v e r J.T. Brit. med. J., ii, 1876, 74—75.
7.	British Standart 1736. Filling ratios for liquefiable gases, 1951.
ГЛАВА XI
РЕДУКЦИОННЫЕ КЛАПАНЫ
Значение редукционных клапанов (регуляторов давления)
для практикующих анестезиологов основано на трех факто-
рах.
1.	Наличие редукционного клапана обеспечивает устой-
чивое положение поплавка или стрелки дозиметра наркозного
аппарата независимо от установки клапана, регулирующего
расход газа; анестезиологу больше не приходится регулиро-
вать клапан каждые несколько минут для поддержания рав-
номерного газового потока, как это было на раннем этапе
развития наркоза закисью азота с кислородом. Первый полу-
открытый наркозный аппарат «бойлевского» типа не имел
редукционных клапанов ни на кислородном баллоне, ни на
баллонах с закисью азота. Как только этот аппарат нашел
более широкое применение, возникла потребность в авто-
матическом регуляторе, который устранил бы необходимость
непрерывной регулировки газового потока.
2.	Второй фактор заключается в нежелательности резких
изменений газового потока при небольшом смещении шпин-
деля регулирующего клапана, когда высокое давление в
баллоне регулируется непосредственно простым игольчатым
клапаном. Это крайне затрудняет регулировку расхода газа.
При низком же давлении газа в редукторах регулировка
газового потока значительно облегчается.
Вначале игольчатые клапаны стояли на выходе редукцион-
ных клапанов, но при дальнейшей разработке эти регулирую-
щие клапаны переместили на дозиметры наркозного аппарата.
3.	Третьим фактором является ограниченное положитель-
ное давление, которое может быть передано обычной гибкой
трубкой. Если для соединения баллона и дозиметра исполь-
зуется простая толстостенная резиновая трубка, то давление,
передаваемое через эту трубку, не должно быть высоким;
для него установлены величины порядка 0,42 кг/см2. Прп
этом резиновая трубка, надетая на металлический ниппель,
не пропускает газа.
105
Принципы устройства редукционного клаиапа
Рис. 91. Высокий сосуд Н (камера высокого давления)
и низкий сосуд L (камера низкого давления) содержат жид-
кость. Гидростатические давления Р и R на дно Н и L изме-
ряются манометрами п пропорциональны уровням жидкости.
Дно каждого сосуда соединяется с коротким цилиндром,
в котором свободно перемещается поршень Ли I. Вес поршней
одинаков. Обозначим площадь поршня h через а, а площадь
другого поршня I — через А. Площадь первого поршня
гораздо меньше, чем площадь второго.
Цилиндр под сосудом высокого давления и дно сосуда
низкого давления соединены трубкой, по отверстие трубки
в данный момент закрыто поршнем h. Один поршень соединен
посредством штока с одним плечом весов, другой поршень —
со вторым плечом. На рисунке показано состояние равно-
весия, когда оба плеча весов В находятся в горизонтальном
положении. Следовательно, силы, передаваемые поршнями
через штоки, равны.
Если Р — давление на дно сосуда Н, то гидравлическая
сила, действующая на поршень h, равна Р • а.
Поскольку оба плеча весов уравновешены, эта сила равна
силе, действующей па поршень (Z) на дне сосуда L, т. е.
P-a=R-A,	(1)
R/P^a/A,	(2)
R = (а[А)-Р.	(3)
Отношение низкого давления R к высокому давлению Р
равно отношению площади поршня	высокого давления к
площади поршня низкого давления (см. уравнение 2).
Следует заметить, что край Т сосуда низкого давления
закрыт, а трубка, соединяющая два сосуда, перекрыта порш-
нем высокого давления. На рисунке отношение площадей
поршней равно 1/6. Поэтому величина редуцированного
давления равна 1/6 Р.
Рис. 92. Кран Т только что открыли и жидкость выте-
кает из камеры низкого давления. Уровень жидкости в L
несколько падает, и давление, действующее на поршень I,
понижается. Поскольку давление на другой поршень остается
постоянным, равновесие сил нарушается и поршень h опускает-
ся, открывая вход в соединительную трубку; начинается
приток жидкости из Н в L, равный расходу жидкости из
L через Т.
Если в какой-то момент кран Т закрыть, приток жидко-
сти из Н в L будет продолжаться до тех пор, пока сила, с
которой действует поршень I на правое плечо весов, не
уравновесится силой действия поршня Л на левое плечо.
Как только плечи весов возвратятся в горизонтальное поло-
706
женпе. вход в соединительную трубку закроется поршнем
высокого давления п поток жидкости из Н в L прекратится.
Еслп за время опыта расход жидкости через Т был невелик
и уровень в Н практически не изменился, должно наступить
такое же состояние, как на рис. 91.
101
Если за то время, пока кран Т открыт, уровень в Н
заметно падает, величина R снова определяется уравнением:
7?=<дМ;-Р.	(3)
Но Р меньше, чем в начале опыта, и величина R должна
пропорционально уменьшиться.
Редукционные клапаны простейшего типа
Рис. 93. Принцип, проиллюстрированный двумя предыду-
щими рисунками, применен в простейшей конструкции редук-
ционного клапана.
Сосуд Н на рис. 91 заменен баллоном с газом Н под
высоким давлением Р, которое измеряется верхним маномет-
ром. Поршень на дне Н на рис. 91 заменен диском Л,
закрывающим сопло, через которое газ пз камеры высокого
давления поступает в камеру L, содержащую газ под низким
давлением R, измеряемым нижним манометром. Полезную
площадь диска, т. е. ту часть, которая закрывает отверстие
сопла, обозначим через а.
Диск Л соединен изогнутым стержнем R с жесткими пла-
стинами, между которыми зажата центральная часть диафраг-
мы I. Эта гибкая неупругая диафрагма I с эффективной 1 пло-
щадью А эквивалентна поршню на дне сосуда на рис. 91.
Соединительный стержень В можно сравнить с коромыслом
весов на рис. 91. Выпускной кран Т закрыт; показано состоя-
ние равновесия (сравните с рис. 91). Сила, с которой газ
высокого давления стремится оттолкнуть диск h от отверстия
сопла, равна Р- а.
Сила, с которой газ низкого давления действует на диа-
фрагму, равна Р  А; это та сила, с которой диафрагма тянет
соединительный стержень с закрепленным на нем диском
вверх. В состоянии равновесия 2 силы, действующие на каж-
дый конец соединительного стержня, равны:
В-А=Р-а,	(1)
R/P = а/А,	(2)
R = (Я/А) • Р.	(3)
1 Если бы диафрагма вела себя как поршень, сила с которой
она действует на соединительный рычаг В, была бы равна произведе-
нию площади диафрагмы на давление R. Фактически эта сила меньше
и зависит среди прочих факторов от размера пластин, между которыми
зажата центральная часть диафрагмы. Эффективная площадь диафрагмы
равна такой площади, которая, будучи умноженной на давление R,
дает силу, действующую на соединительный стержень; она меньше,
чем действительная площадь диафрагмы.
2 См. также подстрочную сноску на стр. 116.
108
Отношение редуцированного давления к высокому дав-
лению равно отношению полезной площади диска к эффектив-
ной площади диафрагмы (уравнение 2).
Рис. 93.
1
Если диаметр сопла камеры высокого давления равен -------
17
эффективного диаметра диафрагмы, редуцированное давление
( 1 А2
будет составлять ----- пли около 1 /300 высокого давления.
Рис. 94.
Рис. 94. Кран Т открыт и газ выходит наружу; давле-
ние в L, а вместе с ним и сила, действующая на диафрагму I,
несколько уменьшаются. Поскольку сила, с которой газ
под давлением Р действует на диск Л, постоянна, равновесие
сил, действующих на соединительный стержень В, наруша-
ется и диск отталкивается от сопла; начинается поступление
газа из Н в L, компенсирующее расход газа из L через Т.
109
Если в какой-то момент кран Т закрыть, приток газа
из Н в L будет продолжаться. Вскоре восстанавливается
равновесие, когда сила давления газа в L, действующая на
диафрагму, снова равна силе давления газа в Н, действую-
щей на диск. Тогда диск прижимается стержнем В к соплу
с достаточной сплои, чтобы перекрыть поток газа из Н в L.
Если потеря газа через Т невелика и давление в Н практи-
чески не изменилось, должно наступить такое же состояние,
как на рис. 114.
Давление газа Р в баллоне Н не остается постоянным,
а постепенно падает по мере расхода газа из баллона. Соот-
ветствующую величину низкого давления R опять можно
найти из уравнения:
RfP = а)А .	(2)
Площадь диафрагмы и отверстия сопла, разумеется,
постоянна, т. е. отношение а /А есть величина постоянная.
Поэтому отношение PjR также должно быть постоянным.
Если падает Р, соответственно падает R.
Пример
Эффективный радиус диафрагмы равен 30 мм, радиус
отверстия сопла — 2 мм.
Поскольку площадь круга пропорциональна квадрату
радиуса, то:
(а/Л) = (22/302) = (1/15)2 = 1/225.	(3)
Если начальное давление в баллоне Р равно 126,5 кг/см2
(122 атм.), то редуцированное давление R (уравнение 3) равно:
126,5  (1/15)2 = 126,5/225 = 0,56 кг/см2 (0,54 атм.).
Когда давление в баллоне падает до 42,2 кг/см2 (41 атм.),
редуцированное давление должно упасть до:
42,2 • (1/15)2 = 0,19 кг/см2 (0,18 атм.).
Относительное уменьшение R составляет (0,56—0,19)/0,56,
или 66%.
Изменение редуцированного давления с изменением давления
в баллоне
Если Р — начальное давление в баллоне Н, а Р' —
давление после израсходования части газа, то, пользуясь урав-
нением (3) на стр. 108, можно определить соответствующую
величину понижения редуцированного давления от R до R':
R = (a/A)P; R' = (a/A)P'; (R - R') = (а/А)  Р - Р')
(R-R')IR= (Р- Р')!Р= (1 - Р'/Р}
ПО
Левая часть этого уравнения есть относительное изме-
нение редуцированного давления, которое происходит при
понижении давления в Н от Р до Р'. На будущее следует
заметить, что это относительное изменение Р зависит только
от отношения (Р' /Р) и не зависит от самого R; это видно
из того, что отношение (а/А) больше не появляется в правой
части уравнения.
Например, если давление в баллоне падает до 1 /3 его
первоначальной величины, редуцированное давление умень-
шается на (1—1 /3) =2/з, или на 66%.
Простая конструкция клапана, показанная на рис. 93
п 94, имеет, таким образом, недостаток, состоящий в том,
что редуцированное давление быстро падает по мере расхода
газа из баллона. К тому же редуцированное давление нельзя
изменять произвольно; оно определяется размерами диска
и диафрагмы данного клапана.
Регулятор давления этого типа отвечает условиям (2) и
(3) па стр. 105; однако он не отвечает условию (1) п крайне
неудобен в работе в связи с тем, что анестезиологу то и
дело приходится регулировать вентиль по мере того, как
давление в баллоне надает.
Когда давление в кислородном баллоне снижается, напри-
мер от 126,5 кг/см2 до 12,6 кг/см2, редуцированное давление,
которое вначале было установлено, скажем, на 0,42 кг/см2,
упадет до 0,04 кг/см2. Если бы газовый поток через Т был про-
порционален давлению в /^первоначальный поток 1000 см3/мин
упал бы до 100 см3/мин, если Т не регулировать по мере
расхода газа.
Усовершенствованные конструкции редукционных
клапанов
Для обеспечения анестезиолога практически удобным
редукционным клапаном в конструкцию простого клапана
(стр. 108) нужно внести определенные усовершенствования.
Самое важное из них связано с исключением больших изме-
нении редуцированного давления по мере расхода сжатого
газа п постепенного снижения давления в баллоне.
Кроме того, необходимо предусмотреть возможность про-
извольной регулировки редуцированного давления в опреде-
ленных пределах.
Для осуществления этих целей необходим иной принцип
уравновешивания сил. В той примитивной конструкции,
которая была рассмотрена выше, сила низкого давления R
используется исключительно для преодоления силы перемен-
ного высокого давления Р, действующей на диск клапана.
В усовершенствованных конструкциях, которые мы сей-
час рассмотрим, сила редуцированного давления пспользу-
111
ется главным образом для преодоления некоторой постоянной
механической силы. Функцию такой внешней механической
силы наиболее успешно мог бы выполнять груз, но для редук-
ционных клапанов, укрепляемых на передвижных наркозных
аппаратах, этот метод неприемлем, так как положение кла-
пана может изменяться.
Рис. 95. Паровой редукционный клапан, работающий
под действием груза. Пар под высоким давлением поступает
из Н и проходит между двумя дисками Л, h1. Груз W, за-
крепленный на рычаге, удерживает диски в открытом поло-
жении , пока давление в L ниже редуцированного давления R,
которое определяется эффективной площадью диафрагмы I
и силой, с которой груз W действует на нижний конец соеди-
нительного стержня В. Эта сила зависит как от величины
груза, так и от его положения на рычаге1.
В отличие от груза сила сжатой спиральной пружины не
зависит от ее положения; поэтому пружину используют в
тех случаях, когда требуется заданная постоянная наружная
сила. Эта сила постоянна, так как она не изменяется после
первоначального сжатия пружины регулирующим винтом.
Сила редуцированного давления в усовершенствованном
клапане должна преодолевать: 1) большую постоянную силу
1 Хотя такие пары дисков не используются в клапанах для меди-
цинских газов, нетрудно понять их преимущество при наличии боль-
шой рабочей площади а. Высокое давление Р действует на диск с силой
а  Р. Если клапан рассчитан на высокий расход пара, то площадь а
должна быть достаточно большой. Тогда сила а  Р может стать весьма
значительной и это будет неблагоприятно сказываться на работе редук-
ционного клапана (см. стр. 117). Когда используются два диска, высокое
давление толкает один из них h вверх, а другой А, — вниз. Силы, дей-
ствующие на два диска, равны и направлены в противоположные сто-
роны; они взаимно уничтожаются и результирующая сила, действующая
на диски, равна нулю. Работа клапана не зависит больше от величины Р.
112
сжатой пружины и 2) гораздо меньшую переменную силу
непостоянного высокого давления, действующую на диск.
Для того чтобы этот усовершенствованный клапан обес-
печивал такие же редуцированные давления, как и рассмо-
тренный нами клапан простейшей конструкции, размеры диа-
фрагмы и сопла клапана (или одного из этих элементов)
Рис. 96.
должны быть изменены, поскольку сила, с которой R дей-
ствует на диафрагму, в этом случае должна быть велика по
сравнению с силой, с которой Р действует на диск. Ранее
эти две силы в состоянии равновесия были равны.
Для этой цели можно использовать диафрагму большей
площади; тогда действующая на нее сила давления R значи-
тельно повысится и будет гораздо больше, чем Р-а.
С другой стороны, можно уменьшить диаметр сопла;
тогда сила, с которой высокое давление действует на диск,
снизится и станет мала по сравнению с той силой, с которой
R действует на диафрагму. На практике увеличивают пло-
щадь диафрагмы и уменьшают полезную площадь диска,
но эти изменения имеют технические пределы.
На рис. 96 показана неполная схема усовершенствованного
клапана и результаты изменения размеров диска и диафрагмы.
Вентиль Т закрыт. Газ высокого давления выходит из
Н в L до тех пор, пока сила давления в L, действующая на
диафрагму, не преодолевает силу, с которой Р стремится
оттолкнуть диск от сопла. Положение стрелки на нижнем
манометре указывает на то, что очень низкое давление в
L действует теперь на диафрагму с достаточной силой, чтобы
посредством соединительного стержня В плотно прижать
диск к соплу и перекрыть поток газа из объема с высоким
S Физика для анестезиологов
из
давлением. Это небольшое давление в L значительно меньше
самого низкого редуцированного давления, на которое практи-
чески можно установить клапан; оно очень мало и по сравнению
с величиной 7? в простейшей конструкции, показанной на рис. 114.
На рис. 97 дана полная схема усовершенствованного
клапана.
Рис. 97.
Над центральными зажимными пластинами диафрагмы,
к которой присоединен стержень с диском, расположена
пружина 5. Барашковый винт, проходящий через корпус
над диафрагмой, служит для регулировки степени сжатия
пружины.
Рассмотрим, что происходит, когда пружина сжата и
вентиль Т закрыт. Прп повороте винта пружина отожмет
стержень В и диск отойдет от сопла. Газ начнет выходить
из h в L. Этот газовый поток из полости высокого давления
будет продолжаться до тех пор, пока давление в L не станет
достаточно высоким, чтобы преодолеть силу сжатой пружины
и поднять диафрагму. Соединительный стержень В поднима-
ется и прижимает диск h к отверстию сопла. Сила прижатия
диска к соплу должна быть достаточна для преодоления
силы высокого давления газа пз баллона.
Количественный теоретический анализ такой усовершен-
ствованной конструкции покажет, что наименьшее сжатие
пружины винтом, допустимое на практике, заставляет пружину
действовать с такой силой, которая велика по сравнению
с силой, необходимой для закрытия сопла против силы дав-
ления Р, действующей на диск h.
114
Если пружину сжать сильнее вращением винта, в L разо-
вьется более высокое давление перед тем, как диск вновь
закроет сопло. Поэтому сжатие пружины 5 регулирует реду-
цированное давление.
Рис. 98. На этом рисунке регулирующая пружина 5
сжата с такой же силой, как на рис. 97. Как только вентиль
Рис. 98.
Т открывается, давление в L, а вместе с ним и сила, дей-
ствующая на диафрагму, уменьшаются; различные силы,
действующие на соединительный стержень В, выходят из
равновесия и диск h отходит от сопла. Диск быстро занимает
позицию, прп которой газовый поток из объема с высоким
давлением в L компенсирует расход газа из объема с низким
давленпем через Т.
Теория 1
Рис. 99. Предполагается, что вентиль Т закрыт, как
и на рис. 97.
Обозначим через Fs силу сжатой регулирующей пружины,
действующую сверху вниз на соединительный стержень,
когда диск только прикасается к соплу. Если вначале пре-
небречь небольшой силой P-а, с которой высокое давление
1 Немногочисленные существующие работы по теории редукцион-
ных клапанов носят узко специальный характер п довольно сложны
(например, см. ссылки 1 п 2 в указателе литературы).
8*
действует на диск, получим для состояния равновесия следую-
щие приближенные уравнения:
R • А = Fs,
R = FJA .
(5)
(6)
Здесь Fs зависит толы
сжатия винтом. В этом
оно остается постоянным
Рпс. 99.
> от рода пружины и степени ее
рпблпженпп R не зависит от Р;
шноп степени сжатия регу-
лирующей пружины. Кроме
того, величину R можно про-
извольно изменять; она пря-
мо пропорциональна степени
сжатия пружины винтом.
Эти, как п последующие,
более точные уравнения при-
менимы лишь до тех пор,
пока давление в баллоне Р
не упадет до величины R.
После этого регулирующее
действие клапана прекраща-
ется, R остается равным Р и
обе величины падают вместе.
Прп более точном теоре-
тическом анализе необходимо
принять во внимание неболь-
шую силу, с которой сжатый
газ действует на диск1.
Тогда уравнение равно-
весия принимает следующий
вид:
R . А = Fs + Р • а (7)
Таким образом, R зависит от Р, но любые изменения
R при уменьшении Р можно свести к минимуму, обеспечив
такое положение, при котором наименьшая величина К,, (сила
сжатия пружины) всегда велика по сравнению с Р  а; это
условие должно выполняться даже в том случае, еслп Р —
давление «полного» баллона — Ртт . Условие установки Fs
на величину, которая всегда велика по сравнению с Р-а,
было уже использовано прп обсуждении рпс. 118.
На рис. 99 показаны силы, действующие на соединитель-
ный стержень В, когда Т закрыт и установилось равновесие.
Он помогает получить визуальное представление как о на-
правлении, так и об относительной величине действующих
1 Сила, с которой R действует на дпск h против высокого давления
R, нигде не учитывается.
116
сил. Предполагается, что баллон высокого давления «полон»,
Т . е . Р = Ртох •
Если наппсать уравнение равновесия (7) в виде:
7? = (Гв/Л) + Р.(Я/Л),	(8)
то становится очевидным, что изменение R с уменьшением Р
можно сделать ничтожно малым, используя клапан с пло-
щадью отверстия сопла, которая мала по сравнению с пло-
щадью диафрагмы; величина а/А должна быть достаточно
низкой, чтобы (а/А)-Р было мало по сравнению с R.
Примеры
Многие клапаны, применяемые в практике наркоза и по-
зволяющие регулировать редуцированное давление, не дейст-
вуют при установке R ниже 0,42 кг/см2 (0,41 атм.). В кла-
панах определенного типа радиус диафрагмы равен 2,5 см,
ее площадь А = тг(2,5)2. Сила, с которой газ низкого давле-
ния действует снизу вверх на диафрагму, равна:
R  А =0,42 кг/см2 • л (2,5)2 см2 = 8,56 кг.
В состоянии равновесия, когда вентиль Т закрыт, эта сила
давления должна преодолевать механическую силу сжатой
регулирующей пружины, а также ту силу, с которой газ
высокого давления действует па диск.
В рассматриваемом клапане радиус отверстия сопла равен
0,05 см; его площадь а = ~ (0,05)2 см2.
Отношение а/А здесь равно (0,05)2/2,52= 1/2500, что гораздо
меньше соответствующего отношения в клапане простейшей
конструкции (стр. 110).
Изменение редуцированного давления в зависимости
от давления в баллоне
Количественное выражение изменения R прп снижении Р
можно найти, повторив расчет, произведенный на стр. 110
для простого клапана. Для усовершенствованного клапана
уравнение принимает следующий вид:
(R-R')IR = (а/А) • (Р—Р')/R.	(9)
Опять левая часть дает относительное изменение реду-
цированного давления, когда давление в баллоне падает от
Р до Р'. В отличие от результата, который был ранее найден
для клапана простого типа, относительное изменение редуци-
рованного давления зависит теперь от размеров элементов
клапана а п А п является незначительным, если а/А очень
мало.
117
Кроме того, в знаменателе в правой части уравнения
появляется R; чем больше R, тем меньше величина, выражен-
ная правой частью. Иными словами, относительное падение R
(левая часть уравнения) при расходе газа из баллона тем
меньше, чем больше величина R, па которую установлен
клапан.
Если а/ 1 =1/2500, Р = 126 кг/см* 2, Р' = 42 кг/см2, а пру-
жина 5 установлена на R = 0,56 кг/см2, тогда падение R в
процентах:
100  (R - R') R = 100 • (1,2500) • (84/0,56) = 6%.
Сравните это с уменьшением редуцированного давления
в простом клапане, которое в 10 раз больше (стр. 110).
Изменение редуцированного давления в усовершенствован-
ном клапане, которое происходит прп падении давления в
баллоне, можно также вывести из первоначальных основных
положений.
1. R «полном» баллоне с кислородом давление Р может
иметь максимальную величину:
Ртаг. = 126 кг/см2 (122 атм.).
Сила этого давления, действующая па диск данного кла-
пана:
126 кг/см2 • к (0,05)2 см2 = 1,03 кг.
Из общей силы 8,56 кг, с которой газ низкого давления
в L действует на диафрагму, (8,50—1.03) = 7,53 кг идет
па преодоление механической силы пружины, в то время
как 1,03 кг требуется для закрытия сопла против давления
газа в полном баллоне (Ртах). Та часть радуцпрованного
давления в L, которая обеспечивает эту силу 1,03 кг, опре-
деляется формулой:
1,03 кг 1,03 кг
площадь диафрагмы п(2,5)2см2
Сила остальной части давления (0,42—0,05) кг/см2 =
— 0,37кг/см2 преодолевает силу пружины, которая, как мы
уже показали, равна 7,53 кг.
2. Если баллон наполнен на 1/3, то высокое давление
составляет:
Р = 42 кг'см3 (40,8 атм 2.
Сила, с которой высокое давление газа Р действует на
диск h, равна;
42 кг/см2 • (0,05)2 см2 = 0,34 кг.
,05 кг/см2 =0,049 атм.
118
Часть давления в L, требуемая для закрытия сопла,
теперь составляет:
—0,34 кг—=0,017 кг/см2 (0,010 атм.).
к.(2.5)2 см2
Как и в примере с «полным баллоном», газ в L должен
оказывать давление 0,37 кг/см2 (0,36 атм.), чтобы преодолеть
заданную силу пружины Fs. Но дополнительное давление, тре-
буемое для закрытия сопла, теперь уменьшилось от 0,05 кг/см2
до 0,017 кг/см2. Это уменьшение (0,05 — 0,017) кг/см2 =
0,033 кг/см3 вызывает падение редуцированного давления от
R=0,42 кг/см2 до R' 0,385 кг/см2.
Это изменение R прп падении Р можно было бы вычислить
непосредственно из уравнения 9 (стр. 117):
(R-R') = {alA>-(Р-Р'),	(10)
подставив (а/Л)= 1 2500 н (Р — Р') = (126 — 42) — 84.
Отсюда (R~R') = (1 2500) • 84 = 0,033 кг/см2.
Хотя редукционный клапан этого типа нельзя считать
идеальным, поскольку величина R уменьшается но море
расхода газа из баллона, изменение R значительно снижено
по сравнению с изменением R в клапане простои конструкции,
которое было вычислении на стр. 110 (уравнение 4).
Как мы видим, в этой усовершенствованной конструкции
клапана снижение давления в баллоне от 126 до 42 кг/см2
сопровождается относительным снижением редуцированного
давления:
100 - - и,42 - 0,385)/0,42 = 8%.
Для сравнения можно указать, что в клапане простого
типа редуцированное давление снижается на 66% (уравне-
ние 4, стр. 110).
Повторим опыт, выполненный ранее для клапана простого
типа (стр. 110) при газовом потоке из усовершенствованного
клапана. Вентиль Т опять установлен на расход 1000 см3,мин
прп «полном» баллоне. Когда давление в баллоне надает
до 12,6 кг/см2, величину редуцированного давления можно
найти из уравнения:
R' = R — (а/Л) • (Р —Р') (см. уравнение 10).
R' 0,42-(1/2500)-(126,5-12,6) кг/см2 =
= (0,42 — 0,045) кг/см2 = 0,37 кг/см2.
В то же время величина расхода через Т уменьшилась
бы только до 900 см8/мпн. Поскольку в клинической практике
падение давления от 126,5 до 12,6 кг/см2 занимает очень
много времени, вряд ли при использовании такого редукцион-
ного клапана возникнет необходимость изменять первоначаль-
ную регулировку. Фактически прп расходе газа 1 л /мин
719
потребовалось бы 15 часов, чтобы давление в кислородном
баллоне на 1132 л упало от 126,5 кг/см2 до 12,6 кг/см2.
Если клапан установлен на большие значения давле-
ния 7?, он действует еще лучше, как и предсказывает теория
(стр. 117, уравнение 9). Мы уже видели (стр. 119), что при
установке клапана на 7?=0,42 кг/см2 падение высокого
давления на 66% сопровождается падением редуцированного
давления на 8%. Однако, если еще сильнее сжать регулирую-
щую пружину винтом до 7? = 1,19 кг/см2, падение давления в
баллоне от 126,5 кг/см2 до 42,1 кг/см2 сопровождается паде-
нием редуцированного давления от 1,19 кг/см2 до 1,15 кг/см2.
Здесь падение давления в баллоне на 66% сопровождается
снижением В только на 3%.
Схемы некоторых редукционных клапанов, применяемых
в клинической практике
Схема редукционного клапана, показанная на рис. 96—98,
еще не является схемой клапанов, используемых анестезиоло-
гами; некоторые из этих клапанов подверглись дальнейшим
усовершенствованиям. Одна пз причин этих усовершенство-
ваний становится ясной после тщательного изучения проте-
кания газового потока через редукционный клапан. До спх
пор мы подразумевали, что прп любом повышении расхода газа
за счет открывания вентиля Т диск h занимает положение,
которое обеспечивает постоянный уровень редуцированного дав-
ления. В этом случае мы изменяем величину газового потока
в наркозный аппарат, изменяя сопротивление потоку венти-
лем Т прп заданном «ведущем» давлении R. Можно прибег-
нуть п к другому способу регулировки расхода газа, заменив
вентиль Т постоянным сопротивлением плп сужением и регу-
лируя «ведущее» давление R.
Последний метод изменения скорости газового потока
используется в ряде промышленных редукционных клапанов и
в некоторых странах является вполне обычным для медицин-
ских газовых аппаратов. В этих клапанах винт пружины
легко регулирует расход газа, который ограничивается лишь
диаметром выпускной трубки.
В клапанах того типа, который мы до спх пор рассматри-
вали, попытка перекрыть газовой поток, отвернув регулирую-
щий винт, и таким образом, полностью освободив пружину,
пе увенчается успехом: выход газа, хотя и медленный, будет
продолжаться. Это следует из обсуждения рис. 96 на стр.
113, при котором показано, что очень низкого давления в В
прп закрытом Т достаточно, чтобы перекрыть поток из Н в
L, но при открытом Т давление в L будет стремиться упасть,
газ начнет выходить пз Н в L п наружу через Т; в связи
120
с низким давлением в L поток, как уже говорилось, будет
сравнительно небольшим.
Для прекращения выхода газа через Т, когда регулирую-
щая пружина S полностью освобождена, вводится еще одна
наружная сила, которая действует на диск h против силы
высокого давления газа. Она достаточно велика, чтобы прео-
долеть давление газа в «полном» баллоне Ртах и, резумеется,
достаточна для всех других величин Р.
Рпс. 100.
Эта дополнительная закрывающая сила в разных клапа-
нах обеспечивается двумя различными способами:
I. Установкой второй короткой нажимной пружины, дей-
ствующей против главной регулирующей пружины.
II. Применением упругой металлической диафрагмы; воз-
никающая прп деформации диафрагмы сила упругости оття-
гивает диск клапана, прижимая его к соплу.
Действие клапанов, в которых используется первый спо-
соб, можно уяснить пз двух последующих рисунков.
Рпс. 100. Регулирующая пружина и винт сняты. Вентиль
Т полностью открыт и мог бы быть заменен сужением в вы-
пускной трубке. «Запорная» пружина 5 установлена под
соединительным стержнем В. Когда винтовой клапан на
«полном» баллоне открыт, газ выходит пз Н в L и через
открытый вентиль наружу. Теперь пружина 5 постепенно
сжимается регулирующим винтом, пока она не прижмет диск
к соплу с достаточной силой, чтобы прекратить дальнейший
выход газа из Н вЬ. Давление в L равно нулю, т. е. равно
атмосферному давлению. Это состояние и показано на рпс. 100.
Спла Gs отрегулированной пружины диска 5 равна:
Gs^=a-Pmax	(И)
121
Рпс. 101. Регулирующая пружина s установлена и сжата
вращением винта. Вентиль Т закрыт; вращение регулирую-
щего винта отталкивает h то сопла н сжимает s. Газовый
поток из II в L продолжается до тех пор, пока R не достиг-
нет величины, определяемой установкой регулирующего
винта и техническими данными клапана.
Рпс. 101.
Равновесие сил1 определяется теперь уравнением:
H-A+Gs = Fs + P-a.	(12)
Подставив вместо Gs его значение из уравнения 11, получим:
R- А = Fs + Р  а — Рпюх- а = Fs — (Р,пах — Р) • а (13)
Отсюда находим:
R = (FJA) - (Pmax - Р)  (а/А).	(14)
Сравните это уравнение с уравнением 8. Из уравнения
14 можно заключить, что прп падении давления в баллоне R
подвергается таким же изменениям, как н в более простом
клапане, показанном на рпс. 99.
1 В реальном редукционном клапане поток газа под высоким дав-
лением Р не прекращается полностью, если h прижат к соплу с сплои
а • Р. В результате технических несовершенств (неровности па поверх-
ности диска и т. д.) равнодействующая сила, прижимающая диск к
соплу, должна быть больше, чем а-Р. Фактическая сила может быть
выражена как п (а  Р), где п больше 1 п зависит от степени несовер-
шенства. В уравнения 4—14 можно внести соответствующие поправки,
подставпв вместо а п-а. Изменения II прп падении давления в баллоне
(уравнения 4 и 9) должны быть умножены на п.
J22
Второй способ обеспечения закрытия сопла при полном
освобождении регулирующей пружины 5 и прп открытом
вентиле Т основан на применении специальной диафрагмы.
Неупругая слабо натянутая диафрагма, применяемая в тех
клапанах, которые мы до сих пор рассматривали, заменена
здесь упругой металлической мембраной. «Упругая» означает.
Рпс. 102.
что диафрагма выгибается соразмерно прилагаемой наруж-
ной силе и сама развивает противодействующую силу, про-
порциональную величине ее смещения. В противоположность
этому неупругая слабо натянутая диафрагма под действием
внешних сил перемещается в пределах узкого участка, не
оказывая никакого противодействия; на границах этого участка
она оказывает сопротивление любой прилагаемой к ней силе
без всякого дальнейшего смещения.
Рис. 102. Регулирующий впит этого клапана вывернут до
отказа п пружина S полностью освобождена. Вентиль Т
открыт, включен баллон высокого давления.
Соединительный стержень В видоизменен; на вертикаль-
ной части стержня сидит скользящая муфта со стопорным вин-
том. Расстояние между диафрагмой и диском h можно регули-
ровать, перемещая муфту по стержню и фиксируя ее поло-
жение стопорным впитом.
Если стопорный винт на муфте отвернуть, когда диск h
прижат к соплу, В получит возможность свободно переме-
щаться и металлическая диафрагма примет свою исходную
123
позицию; в этих условиях газ будет выходить пз Н в L п
наружу через Т.
Рпс. 103. Вертикальную часть стержня В несколько оття-
гивают вниз и фиксируют муфту стопорным винтом. Теперь
диафрагма выгнута и стремится занять псходное положение,
увлекая за собой В\ тянущая сила, действующая на В,
Рпс. 103.
пропорциональна степени деформации диафрагмы. Эта сила
прижимает диск к соплу; когда длина В правильно подо-
брана, тянущая сила деформированной диафрагмы будет дос-
таточна для перекрытия газового потока из «полного» бал-
лона. Давление в L опять равно нулю, как и па рпс. 100
(стр. 121).
Рпс. 104. Для установки этого клапана на желаемое реду-
цированное давление вентиль Т закрывают и пружину S
постепенно сжимают вращением регулирующего винта. Под
действием силы сжатой регулирующей пружины происходит
дальнейшая деформация уже выгнутой диафрагмы, п диск
отходит от сопла; поток газа из баллона будет продолжаться
до тех пор, пока сила давления на диафрагму вЬ не преодолеет
Fs\ тогда I перемещается вверх и h плотно прижимается к
соплу. Регулировку можно также произвести при слегка
открытом вентиле Т и прп непрерывном потоке газа пз Н
п наружу через Т.
Если Т закрыт, сила повышающегося давления в L выпрям-
ляет выгнутую диафрагму против силы регулирующей пру-
жины до тех пор, пока В не начнет прижимать диск h к
124
соплу с достаточной силой, чтобы перекрыть поток газа
пз Н. Равновесие здесь опять выражается уравнением 14
(стр. 122).
В редукционном клапане, применяемом в клинической
практике (конструкция I, рпс. 101), определенное продви-
жение регулирующего впита не даст равного сжатия регули-
рующей пружины S, поскольку пружина диска s также
будет сжиматься (в дополнение к ее первоначальному сжа-
тию, стр. 121). В конструкции II (рпс. 104) упругая диафрагма
также будет прогибаться прп затягивании регулирующего
винта. Степень сжатия пружины диска s увеличивается по
мере установки регулирующего винта на более высокие дав-
ления R; таким образом, увеличивается сила, противодей-
ствующая отходу диска от сопла. Практическое значение
этого заключается в том, что пружина диска (плп в кон-
струкции II упругая выгнутая диафрагма) действует как
пружинный тормоз, ограничивающий движения h.
Работа редукционных клапанов при подаче газа
Во всех предшествующих количественных обсуждениях
работы механизма редукционных клапанов мы исходили из
условия равновесия различных сил, действующих в клапане,
когда газовый поток из камеры низкого давления перекрыт
вентилем Т. Первоочередность рассмотрения такого «нерабо-
чего» состояния легко попять, поскольку очень важно, чтобы
давление в L прп постепенном натекании газа не превысило
125
заданную величину R. Такое чрезмерное натекание газа
может вызвать особые трудности, если вентиль Т выполнен
не заодно с клапаном, а присоединен к выпускному отвер-
стию камеры L резиновой трубкой, как это принято в боль-
шинстве современных наркозных аппаратов английского про-
изводства, где вентилем служит игольчатый клапан в ниж-
ней части блока дозиметров.
Однако анестезиологу пе менее интересно знать действие
редукционных клапанов прп подаче газа с различными объем-
ными скоростями. Для обеспечения плавной регулировки
расхода газов в нужном диапазоне идеальный редукционный
клапан при соответствующей установке вентиля Т должен
поддерживать заданную величину R независимо от скорости
газового потока.
Поскольку теоретические основы зависимости давления в
L от различных скоростей потока несколько сложны для
дайной книги, мы ограничимся лишь некоторыми качествен-
ными фактами, относящимися к этой проблеме.
Желательно, чтобы редуцированное давление уменьшалось
лишь на самую незначительную величину при увеличении
потока газа из клапана; поэтому небольшое понижение дав-
ления в L должно вызывать значительное увеличение газового
потока из И в L. Если смещение диафрагмы прп легком
падении давления невелико, диск h также отойдет от сопла
лпип. па небольшое расстояние. В этих условиях достигается
значительное увеличение потока из Н в L, если диаметр
сопла достаточно велик; однако это противоречит принципу
низкой величины отношения а /А (стр. 117). На практике
принимается компромиссное решение.
Для получения больших постоянных объемных скоростей
газового потока рекомендуется применять двухкамерны 1 кла-
пан. Он состоит из двух последовательно соединенных кла-
панов; сравнительно высокое редуцированное давление пер-
вого клапана является входным давлением для второго (стр.
133). Такой клапан также существенно уменьшает изменение
редуцированного давления прп «вменении давления в бал-
лоне.
Редукционные клапаны, имеющиеся в продаже
Теперь можно сравнить рассмотренные схемы с конструк-
цией имеющегося в продаже редукционного клапана (пли
«редуктора»).
На рпс. 105 показан редуктор в разобранном виде с рас-
положением определенных деталей в таком порядке, который
облегчает сравнение с клапаном, изображенным на рпс. 100
и 101. Диафрагма из холста, покрытого резиной I, зажата
между круглыми металлическими пластинками с выпуклы-
126
ми внутренними поверхностями. На рпс. 10г> а виден вы-
ступ на нижней пластинке, с которым сцепляется «соеди-
нительный стержень» В (рпс. 105 б). Стержень В пред-
Рис. 105 а.
ставляет собой втулку с боковым вырезом и с винтовой
резьбой на нижней части. Днскодержатель h ввинчивается в
В снизу и прикасается к соплу высокого давления. Днафраг-
127
ма I фиксирована в корпусе клапана колпачковой муфтой
1 и нарезным зажимным кольцом 2. Пружина диска $ упи-
рается в кольцевой выступ внутри трубки 4. Эта трубка
ввинчивается в нижнюю часть корпуса клапана и прижимает
пружину диска s к дискодержателю h. Цели все расстояния
н сила пружины 5 выбраны правильно, поток газа через
Рпс. 106.
сопло после присоединения баллона со сжатым газом в точке
Н будет перекрыт.
Регулирующая пружина S вставляется в колпачковую
муфту 7; нижним концом она упирается в верхнюю зажимную
пластинку диафрагмы I. Для установки клапана на требуемое
редуцированное давление пружину сжимают, ввинчивая колпа-
чок 3 в нарезную трубку, образующую верхнюю часть муфты 7.
Детали 5 составляют предохранительный клапан для вы-
пуска газа в случае чрезмерного давления, которое может
развиться в камере редуцированного давления L, если меха-
низм редуктора выйдет пз строя.
На рпс. 106, который помогает понять предшествующее
описание, схематически изображен редуктор «Эндьюранс».
Здесь ясно виден механизм предохранительного клапана 5.
Редукционный клапан Адамса (Adams) [3] является совре-
менным вариантом исторического клапана Биэрда (стр. 131).
128
В отличие от других редукторов, рассмотренных в настоящей
главе, этот клапан установлен на определенное редуциро-
ванное давление около 0,42 кг/см2 (0,4 атм.), хотя и допус-
кает небольшую регулировку. Движение диафрагмы пере-
дается на конус Л, заменяющий в данной конструкции диск
редукционным рычажным механизмом.
Рпс. 107.
Рис. 108.
Если давление в L несколько превысит нормальную вели-
чину R, избыточная сила давления, действующая на диа-
фрагму, передается рычажной системой па конус 1г, который
с гораздо большей силой закроет отверстие сопла.
Конструкция клапана Адамса для кислорода, в которой
сопло закрывается стальным конусом, показана на рис. 107
и 108. В некоторых клапанах Адамса для закиси азота сопло
закрывается пластмассовым диском, заделанным в держатель.
Другая особенность клапана Адамса состоит в том, что
он не перекрывает газовый поток пз сопла, если регулирую-
щая пружина 5 не сжата. Неупругая слабо натянутая диа-
фрагма не может выполнять «закрывающую» функцию, как
диафрагма в конструкции II (рис. 103). Небольшая нажим-
ная пружина 8, помещенная под плунжером с конусом h,
не участвует в закрытии сопла. Она служит для того, чтобы
конус h своей верхней частью был постоянно прижат к ниж-
ним рычагам рычажной системы и следовал каждому дви-
жению системы, будучи механически разобщен с ней.
На рис. 107 показано положение рычажной системы, диа-
фрагмы, регулирующей пружины и конуса, когда в камере
9 Физика для анестезиологов
129
L—атмосферное давление, Т открыт, Н отсоединен. Пружина
S уже сжата, но конструкция рычажной системы предотвра-
щает дальнейшее опускание диафрагмы.
Рис. 108. Т закрыт, Н присоединен. Давление в L повы-
шается и поднимает диафрагму, преодолевая силу сжатой
я
Рис. 109.
пружины S. Одновременно нижние
рычаги прижимают конус к соплу,
преодолевая силу высокого давле-
ния газа и силу пружины 8 до пол-
ного перекрытия газового потока.
На рис. 109 показан редук-
ционный клапан Адамса в разо-
бранном виде с поперечным раз-
резом корпуса. Кольцо 5 несет на
себе осевой стержень рычажной
системы В и навинчивается на
трубку 6, которая также служит
направляющей втулкой для плун-
жера с конусом h на нижнем конце.
Боковые отверстия в трубке 6
обеспечивают перепускания газа
из Н в L, как только конус h
отходит от сопла, которое на ри-
сунке окрашено в черный цвет.
Резиновая диафрагма I имеет форму
чашки и надевается на ободок
корпуса, когда рычажная система
В с кольцом 5 и корпусом h опу-
щена до своего рабочего положе-
ния. Трубка 3 с наружной резь-
бой служит регулирующим винтом
и сжимает пружину S при ввин-
чивании в верхний конец кол-
пачка 4.
Пружина 2 упирается в буртик
внутри трубки 3; ее надевают на
стержень, который является про-
должением осевого стержня ры-
чажной системы В над диафраг-
мой и заканчивается резьбой под
гайку 1. Если h отходит от сопла,
В перемещается вниз и пружина 2 сжимается. При этом она
противодействует дальнейшему открыванию сопла и стабили-
зирует движения клапана, устраняя нежелательные механи-
ческие вибрации. Важную часть клапана составляют неболь-
шие дисковые фильтры 7; они изготовлены из тонкой прово-
лочной сетки и защищают от пыли сопло камеры высокого
давления.
130
Эволюция редукционного клапана
Многие конструктивные детали современных редукционных
клапанов известны с давних пор. Последнее десятилетие XIX
столетия ознаменовалось целым «наводнением» новых кон-
струкций. В течение нескольких лет было описано и приме-
нено на практике большинство принципов, используемых в
современных клапанах.
А.	Малый редуктор Бизрда (18»8)
Рис. ПО.
Рис. 110 представляет собой упрощенный вариант ориги-
нальной иллюстрации, приведенной в патенте, п свидетель-
ствует о том, что этот редуктор является прототипом совре-
менного клапана Адамса.
Когда газ поступает в полость низкого давления L, сила
давления, действующая на пластинку /, преодолевает задан-
ную силу регулирующей пружины S и I перемещается вверх.
Рычажная система В соеди-
няет пластинку I с планкой
В, сидящей на верхнем конце
стержня с конусом h. Ниж-
ние концы рычагов выпол-
нены в форме круглых дис-
ков , которые могут вращаться
вокруг эксцентрической оси.
Когда I поднимается, система
рычагов раздвигается и диски
повертываются вокруг осп,
опуская планку Л. Конус Л пе-
ремещается на гораздо мень-
шее расстояние, чем I; со-
гласно теории механических
рычагов, сила, действующая
на В сверху вниз, увеличи-
вается соответственно силе
давления, действующей на I
снизу вверх. Резиновые меха,
служащие стенками камеры
низкого давления, обеспечи-
вают свободу движении пла-
стинки I.
Первоначальная конструк-
ция имеет плотное соединение
между В и эксцентрическими дисками на концах рычагов;
таким образом, конус h следует за каждым движением В.
Редуктор Биэрда до сих пор выпускается промышленно-
стью .
9’
131
Б. Редуктор Сыотера (1890)
Рис. 111 заимствован из оригинала [5] . Как и в некото-
рых других современных редукционных клапанах, конус h
заппрает сопло со стороны баллона высокого давления1.
Жесткая упругая металлическая диафрагма I выполняет
функцию регулирующей пружины; при выгибании диафрагмы
вверх под депствием повышенного давления газа в L сила
упругости действует в противоположном направлении. Длина
соединительного стержня В устанавливается с помощью зажим-
Рис. 111.
ных гаек в центре диафрагмы; она определяет величину дефор-
мации диафрагмы (а вместе с этим и величину противодей-
ствующей силы) перед тем, как h прижимается к седлу
клапана.
Первоначальное описание клапана, принадлежащее Сьютеру,
не оставляет сомнения в том, что в своей «новой кон-
струкции» он преднамеренно избегал применения какой бы
то ни было рычажной системы или резиновой диафрагмы,
которые в то время являлись причиной поломок клапанов
других конструкций.
В.	Редуктор Кларксона (1889)
Это устройство [6] отличалось двумя конструктивными
особенностями, которые используются во многих современных
редукционных клапанах: 1) слабонатянутой неупругой диафраг-
1 Состояние равновесия для клапана этого типа можно найти из
уравнения 8 (стр. 117), подставив вместо плюса минус. Если давление
в баллоне падает ниже начального Ртах, редуцированное давление нес-
колько повысится. Сравнение это с небольшим уменьшением R в кла-
панах тех типов, которые были рассмотрены в теоретическом разделе
этой главы.
132
мой с большими центральными зажимными пластинами и
спиральной регулирующей пружиной;
2) двухкамерным принципом, по которому высокое давле-
ние газа редуцируется в два этапа до низкого давления на
выходе.
Рис. 112 представляет собой упрощенный варпант ориги-
нальной иллюстрации. Действие этого устройства легче всего
понять, рассматривая его как два отдельных редукционных
клапана, заключенных в один корпус. «Низкое» выходное
давление первого клапана является «высоким» входным дав-
лением для второго клапана и обозначается через М (среднее
давление).
Сила, с которой это среднее давление действует на первую
диафрагму Zj, передается с многократным увеличением на
запирающий конус й посредством рычага В^, когда Za сме-
щается вверх на определенное расстояние, рычаг BY передви-
гает h влево на гораздо меньшее расстояние.
Второй плунжер т, регулирующий поступление газа из
камеры среднего давления М в камеру низкого давления L,
соединен непосредственно со второй диафрагмой Z2. Силы
сжатых регулирующих пружин и S2 определяют вели-
чины среднего и низкого редуцированных давлений в клапане.
Нижнюю пружину S2 можно было установить на давле-
нии в L от 610 до 25 мм водяного столба. Давления в М
были в 6—10 раз выше за счет соответствующей установки St.
На рис. 113 представлена упрощенная схема другого двух-
камерного редукционного клапана [7], который был впервые
описан в 1891 г.
133
в этохх второй камере
На баллоне со сжатым газом установлен редуктор Биэрда В.
Вентиль Т связан длинными рычагами с педальной доской
домашних каминных мехов, выполняющих функцию камеры
низкого давления (второй камеры). Величина давления газа
хеляется весом W, установленным
на педальной доске.
Когда газ выходит через кран
на левой стороне мехов, педальная
доска опускается и посредством
системы рычагов постепенно от-
крывает вентиль Т. Газ среднего
давления, выходящий пз клапана
Бпэрда, поступает через резино-
вую трубку в меха, и педальная
доска поднимается до тех пор,
пока Т не закроется.
История редукционного клапана
Внезапный размах в области
конструирования редукционных
клапанов в последние десятилетия
XIX века был непосредственно
связан с возросшей возможностью
приобретения сжатого кислорода
в баллонах и косвенно с требо-
ваниями. касающимися улучшения
публичных лекций1. Лекции с де-
монстрацией диапозитивов завое-
вывали все большую популярность
п профессия демонстратора стала
такой же упрочившейся, как и
профессия современного киноопе-
ратора. В связи с этим выросла
Рис. 113.	необходимость в источниках яркого
света. Такие изобретения, как
кпслородно-водородная горелка Ньюмена (1816) и друммондов
свет 2 Деви и Друммонда (1826), мох ли быть полностью исполь-
зованы лишь после того, как появилась гарантированная ком-
мерческая поставка сжатых газов. Брусох? извести под дейст-
вием горячего пламени излучает яркий свет. Вначале для
этого пользовались одной из кислородно-водородных горелок
1 Болх>шой спрос на надежные редукционные клапаны возник так
же в связи с растущим применением газовой сварки в промышлен-
ности. Для получения устойчивого пламени горелкп необходимо обес-
печить подвод газа при постоянном низком давлении.
2 Друммондов свет получали, накаливая известь в пламени грему-
чего газа (прим ред.).
134
Ньюмена. Позднее начали пропускать кислород над жидким
эфиром. Демонстратор знал хорошо только то, что образую-
щаяся в результате этого смесь горит исключительно горячим
пламенем. Для получения удовлетворительного друммондова
света необходимо было соблюдать два условия:
а)	резервуар и горелка должны содержать газ под срав-
нительно низким давлением, чтобы при перекрытии потока
газа к горелке краном, расположенным около горелки, дав-
ление газа в соединительной трубке не могло разорвать
трубку или сорвать ее с соединительной втулки;
Рис. 114.
б)	газовый поток должен оставаться постоянным при посте-
пенном расходе газа из баллона. Прп создании различных
конструкций редукторов давления ставилась цель обеспечить
постоянный (регулируемый) подвод газа прп низком (реду-
цированном) давлении.
Было бы неверно утверждать, что эта проблема ранее не
существовала. Разработка редукционных клапанов была также
тесно связана с конструированием контейнеров для сжатых
газов, спрос на которые постоянно возрастал.
Еще в 1822 г. «предшественник» современного сжатого
горючего газа (газ «Калор») поставлялся в портативных кон-
тейнерах под давлением 15 атм. (15,5 кг/см2) Кэслоном,
владевшим газовым заводом в Лондоне. Позднее давле-
ние [8] было повышено до 30 атм. (31 кг/см2), и в техни-
ческой литературе того времени появились описания неко-
торых ранних конструкций редукционных клапанов.
Рис. 114. Схема клапана [9], приведенная в патенте
1837 г., выданном Теннесону (Tenneson), французу, постоянно
проживавшему в Лондоне. Клапан закрепляется на баллоне
посредством резьбового соединения В; выпускной канал i ведет
к газовым горелкам, расходующим газ под низким давлением.
Соединительный стержень между диафрагмой и плунжером
135
h заменен здесь горизонтальным рычагом В с шарниром около
правого конца. Плунжер со стальным конусом на нижнем
конце присоединен к правому, короткому плечу рычага. Цент-
ральная пластинка g газонепроницаемой диафрагмы I соеди-
няется с рычагом в точке d; сильная натяжная пружина S
тянет левый конец рычага вниз против силы, направленной
вверх.
Редуцированное давление повышается до тех пор, пока
сила давления, действующая на диафрагму снизу вверх, не
поднимет левое плечо рычага, преодолевая силу натяжения
пружины. Поток газа из баллона высокого давления прекра-
тится, если правое плечо рычага опустится в такое положе-
ние, когда стальной конус прижимается к выпускному отвер-
стию с силой, достаточной для запирания потока.
ЛИТЕРАТУРА
1.	Bailion A. a. Jurion R. Bull. Soc. ring. Soud., 1935, 6.
1645—73.
2.	I b oral 1 A. S. Trans. Amer. Soc. Meeh. Engrs., 1954, 76, 363—73.
3.	Adams F. H. Brit. Pat., 1939, 499 057.
4.	Beard R. R. Brit. Pat., 1888, 13181; Optic, mag. Lant. J., 1891,
2, 118.
5.	Suiter A. Brit. Pat., 1890, 13652; Optic, mag. Lant. J., 1891, 2,118.
6.	Clarkson A. T. Brit. Pat., 1889, 11518; Optic, mag. Lant., J. 1891,
2,118.
7.	Hughes W.C. Optic, mag. Lant. J., 1891, 2, 142.
8.	Gordon D. Repert. Arts. 1823, 43, 275—7.
9.	T e n n e s о n H. Q. Brit. Pat., 1837, 7447; Lond. J. Arts. Sci., 1839,
13, 18—22.
ГЛАВА XII
ЛАМИНАРНЫЙ ПОТОК ЖИДКОСТЕЙ
И ГАЗОВ В ТРУБКАХ
Гидростатическое давление
Рис. 115. Два одинаковых сосуда наполнены водой до
уровня 10 см. Гидростатическое давление на уровне выпуск-
ного отверстия обусловлено весом воды, находящейся выше
отверстия. Давление на любом уровне равно весу располо-
женного над ним водяного столба с площадью поперечного
сечения, равной единице. Так, на рис. 115 вес такого столба
воды равен:
Высота (10 см) • площадь поперечного сечения (1 см2)-
плотность (1 г/см3) = 10 г.
Легко убедиться, что вес воды численно равен высоте
водяного столба. Действительно, гидростатическое давление,
в данном случае 10 г/см2, обычно выражают через высоту
водяного столба, в нашем опыте равную 10 см.
Гидростатическое давление на любой данной глубине дей-
ствует равномерно во всех направлениях.
Рис. 116. Сосуды соединены внизу посредством трубки.
Поток жидкости из одного сосуда в другой отсутствует,
поскольку давления на концах соединительной трубки одина-
ковы .
Рис. 117. Здесь размеры сосудов различны. Уровни воды
над выпускными отверстиями оставлены без изменений. Поток
жидкости из одного сосуда в другой отсутствует.
137
Гидростатическое давление зависит лишь от высоты водя-
ного столба; емкость сосуда на него не влияет.
Рис. 118. Уровень воды в А выше, чем в В, но объем
воды в А меньше. Гидростатическое давление на дне А выше,
чем на дне В. Жидкость течет из _1 в В до тех пор, пока
Л
В
Разность уробнеи

а.
Рис. 118.
ее уровни в двух сосудах, а следовательно, п гидростати-
ческие давления на концах соединительной трубки не станут
равны между собой.
Выводы
1. Жидкость течет по трубке только прп условии разности
давлений на концах трубки.
2. Жидкость течет по трубке в сторону более низкого
давления.
Опыты с потоком жидкости через трубки
Рис. 119. Вода течет нз крана в сосуд; благодаря сливному
отверстию в левой стенке сосуда уровень воды и, следо-
вательно, гидростатическое давление над А поддерживаются
138
на постоянном уровне 20 см. Горизонтальная трубка АВ
имеет длину 50 см и закрыта пробкой в точке В.
К отверстиям горизонтальной трубкп АВ присоединены
вертикальные стеклянные трубкп. Уровень воды в них пока-
зывает гидростатическое давление в тех точках трубки АВ,
где они установлены. Нетрудно видеть, что давление в АВ
одинаково (20 см водяного столба) на всем протяжении трубки.
Рпс. 119.
Величины давления, выраженные в сантиметрах водяного
столба, обычно относятся к барометрическому давлению. Абсо-
лютное давление в трубке АВ равно барометрическому
давлению плюс 20 см водяного столба.
Гидравлическое давление можно выражать в любых дру-
гих единицах. Плотность ртути равна 13,6 г/см3. Поэтому
давление 20 см водяного столба эквивалентно давлению:
20	.
6 = 1,47 см ртутного столба.
Абсолютное давление воды на стенки трубки АВ равно:
760 4- 14,7 ск 775 мм ртутного столба, если опыт проводят
при нормальном давлении воздуха, т. е. 760 мм ртутного
столба.
Рпс. 120. Пробка вынута и вода течет по АВ. Теперь
давление в В ниже, чем в А. Давление представляет потен-
циальную энергию жидкости. Уменьшение давления указы-
вает па расход этой энергии, который в данном случае свя-
зан с трением между частицами воды, текущей по трубке
(стр. 154).
Падение давления между А и В равно 20 см водяного
столба. Давление изменяется линейно на всем протяжении
73.9
трубки. Для выражения величины падения давления на
единицу длины трубки часто употребляется термин «градиент
давления». В этом примере градиент давления равен 0,4 см
водяного столба на 1 см длины трубки.
За полминуты через трубку вытекает 200 см3 воды.
Рис. 121. Сравните с предыдущим опытом. Открыто ниж-
нее отверстие па левой стороне сосуда. Уровень воды над
А снизился вдвое (до 10 см). Градиент давления соответственно
уменьшился и равен теперь 0,4/2 = 0,2 см водяного столба
140
на 1 см длины. Объем воды, вытекающей за то же самое время,
уменьшился в 2 раза, т. е. до 100 см3.
Рис. 122. Установка для опыта не отличается от преды-
дущей, за исключением того, что диаметр трубки АС вдвое
меньше диаметра трубки А В. Объем воды, собираемой за
Рис. 122.
30 секунд, равен 6 см3. Это составляет лишь 1/16 часть объема,
собираемого в предыдущем опыте. Уменьшение диаметра
трубки вдвое привело к сокращению расхода жидкости до
х/16, т. е. в С/г)4 раза.
Если бы диаметр трубки
был уменьшен втрое, объем
протекающей через нее жид-
кости сократился бы до 1 /81,
т. е. в (1/3)4 раза.
В 1839 г. Гаген [1] и
позднее (1840), Пуазейль [2]
установили, что объем жид-
кости , протекающей через
трубку данной длины, изме-
Рис. 123.
няется прямо пропорцио-
нально четвертой степени диаметра трубки.
Рис. 123. Длина горизонтальной трубки по сравнению
с рис. 122 уменьшена вдвое. За счет этого градиент дав-
ления увеличился в два раза. Расход жидкости вдвое боль-
ше, чем на рпс. 122.
Выводы
1. Объемный расход жидкости через прямую трубку посто-
янного диаметра прямо пропорционален градиенту давления
в этой трубке.
2. Объемный расход жидкости прямо пропорцпонален
четвертой степени диаметра трубки.
Эти уравнения имеют силу только для ламинарного потока
(см. стр. 148 и далее).
141
Примечание. Приведенные выше опыты и результаты
идеализированы. Фактически происходит потеря давления на входе
в горизонтальную трубку из сосуда. Кроме того, не принимается в
расчет кинетическая энергия1 жидкости, вытекающей из трубки.
Влияние вязкости иа скорость ламинарного потока2
Одни жидкости текут по данной трубке более легко, чем
другие. Единственное физическое свойство жидкости, которое
влияет на ее ламинарный поток, известно под названием
вязкости.
Коэффициент вязкости многих жидкостей, являющийся
мерой скоростей потока через трубку в стандартных усло-
виях, легко найти 3 в справочниках [3] . Скорость потока
жидкости обратно пропорциональна ее коэффициенту вяз-
кости .
Рис. 124. Давление в точке X остается постоянным,
поскольку давление в воде у нижнего конца вертикальной
трубки поддерживается атмосферным. За 30 секунд через
трубку XY вытекает 200 см3 воды при 37°С.
Рис. 125. Установка для опыта идентична. Вода замене-
на кровью. За то же самое время через трубку выходит 45 см3
крови.
При 37°С абсолютный коэффициент вязкости воды равен
0,007, а крови — 0,028.
Следовательно, объемная скорость потока воды в трубке
будет равна 0,028/0,007 или в 4 раза больше, чем объемная
скорость потока крови [4] в тех же условиях. Этот факт
иллюстрируют приведенные рисунки (200/45^4/1).
1 См. стр. 154.
2 См. стр. 148.
3 См. также таблицу «Физические постоянные» стр. 393.
Вязкость оказывает аналогичное влияние и на скорость
ламинарного потока газа. Скорости ламинарных потоков раз-
личных газов при равных давлениях и через одну и ту же
трубку обратно пропорциональны вязкостям газов. Вязкости
газов, используемых для наркоза, существенно различаются;
скорости потоков различных газов при одинаковых условиях
меняются в широком интервале. Этот факт имеет важное
значение при измерении расхода одного газа ротаметром,
градуированным для другого газа (см. стр. 181).
Вис. 126 н 127. Цилиндрический сосуд наполнен кисло-
родом, другой такой же сосуд — циклопропаном. Поршень
с грузом поддерживает газ при постоянном положительном
давлении. Каждый газ выходит через длинную капиллярную
трубку в атмосферный воздух.
В начале опыта (пунктирная стрелка часов) два поршня
находятся в одинаковом положении (обозначено пунктиром).
Разница между начальным и конечным положением каждого
поршня есть мера объема газа, который вышел через капил-
лярную трубку наружу за промежуток времени, показанный
на часах. Обозначим эти объемы через Vc и Рп.
Вязкость кислорода  Ус
Вязкость циклопропана	Fo
Vc 2,3 п
В показанных опытах — = — . Поэтому вязкость кис-
лорода в 2,3 раза превышает вязкость циклопропана. Фак-
тически вязкости этих газов равны 0,020 и 0,0087. Вязко-
сти различных газов и жидкостей могут оыть выражены отно-
143
сителъно вязкости воды прп 20сС, которая принимается за
единицу. Пользуясь этими показателями, можно сравнить
объемные расходы газов п жидкостей прп данных условиях.
Незначительное влияние вязкости газа на скорость про-
текания газа через отверстие рассматривается на стр. 170.
Следует подчеркнуть, что плотность жидкости пли газа
не влияет на скорость ламинарного потока через трубку.
Например, бензол и оливковое масло имеют почти одинаковые
плотности (0,88 и 0,91), но резко различающиеся коэффици-
енты вязкости (0,65 и 84,0 при 20°С). Расход бензола через
трубку примерно в 130 раз выше, чем расход оливкового масла.
С другой стороны, метиловый спирт и хлороформ имеют
совершенно разные плотности (0,79 и 1,49), но почти оди-
наковые коэффициенты вязкости (0,59 и 0,57). Величины их
расхода через трубку приблизительно равны.
Таким же образом гелии и воздух резко различаются по
плотности, но сходны по вязкости. Скорости движения лами-
нарного потока этих газов одинаковы. Для анестезиолога
данный факт не представляет большого интереса. Когда гелий
используют в клинпке для облегчения затрудненного дыха-
ния, газовый поток является в основном турбулентным', при
перемежающемся потоке потеря давления, связанная с уско-
рением движения газа во время вдоха, зависит от его плот-
ности. О применении гелия в клинической практике см.
стр. 173.
Коэффициент вязкости жидкости уменьшается с повыше-
нием температуры. С другой стороны, вязкость газа увеличи-
вается с повышением температуры, но само изменение гораздо
меньше, чем для жидкости.
144
Законы ламинарного потока
Скорость движения плавного потока жидкости пли газа
через трубку прямо пропорциональна 1) градиенту давления
(общая потеря давления)
определяется как отношение----------------------- , Z) чет-
длина трубкп /
вертой степени диаметра трубки и обратно пропорциональна
3) вязкости жидкости.
Эта зависимость может быть выражена формулой:
__	„	Общая потеря давления 71	1
Объемный расход ----------------------• Диаметр)4------•
Длина трубкп	Вязкость
Это соотношение можно написать в следующем виде:
Потеря давления оо Длица тРУбкп х Вязкость X Объемный расход.
Диаметр4
Эта пропорциональная зависимость может быть выражена
также в виде уравнения:
Потеря давления = f X Вязкость X  ДЛ11па.-_:— х Объемный
(Диаметр)4
расход.	(1)
Приведенные соотношения, которые имеют силу только для
ламинарного потока в трубках, известны под названием закона
Гагепа Пуазепля.
Коэффициент f зависит от выбранных единиц.
А. Для газов удобно выражать:
объемный расход Q в л /мин, потерю давления Р в мм
водяного столба, длину L в см, внутренний диаметр D в см,
вязкость относительно вязкости воды (вязкость воды прини-
мается равной единице),
тогда /=6,94-10 2.
Относительная 1 вязкость воздуха равна 1,8 • 10-2 при
20°С; тогда по закону Гагена—Пуазейля: р = 6,94-10_2-1,8-
• 10-2 - — -<? = 1,25 • 10 3 • — • Q	(2)
Z)4	D4
Пример. Через цилиндрическую трубку длиной 50 см и
внутренним диаметром 1 см пропускают воздух с объемным
расходом 10 л/мин. Найдите потерю давления в трубке.
сю
Р = 1,2 • 10“3 •	• 10 = 0,62 мм водяного столба.
Б. Для жидкостей удобно выражать:
потерю давления р в сантиметрах водяного столба; объемный
расход q в см8/мпн, диаметр d в миллиметрах, тогда коэффи-
циент f= 6,94-10—2.
Относительно вязкости воды ( = 1).
10 Физика для анестезиологов
145
Относительная вязкость воды при 20°С равна 1. Тогда
уравнение, выражающее потерю давления при ламинарном
потоке, принимает следующий вид:
7J = 6,94 • 10 2 •• g	(3)
Примеры-.
Какие давления требуются для пропускания воды с объем-
ным расходом q = 10 см3/мин через:
а)	тонкую трансфузионную иглу: L = 3 см, d=l мм;
б)	иглу для подкожных инъекций: L = 2 см, d=0,3 мм.
Рпс. 128.
Ответы'.
3
а) р = 6,94 •	• —  10 = 2,1 см водяного столба;
2
б) Р = 6,94 • 1О~2 •—;—• 10= 171 см водяного столба, или
0,17 кг/см2.
Практическое применение
Рис. 128. К одинаковым шприцам присоединены иглы
разных размеров. Внутренние диаметры игл относятся между
собой как 1:2. К поршням прилагается одна и та же сила.
Через большую иглу выбрасывается за единицу времени в
16 раз (т. е. 24) больший объем жидкости, чем через малую
иглу.
Если вода из шприцев выталкивает ся одним и тем же
усилием большого пальца, большая игла дает возможность
сделать это в 16 раз быстрее, чем малая. Для выталкивания
146
всей воды из шприца через малую иглу за то же время потре-
бовалась бы сила в 16 раз больше.
Вывод. Если необходимо быстро ввести большое коли-
чество жидкости внутривенно, игла для подкожных инъекций
бесполезна (стр. 167). Помните также, что при использовании
стандартного набора для переливания крови проще увеличить
вдвое диаметр иглы, чем увеличить в 16 раз давление.
ЛИТЕРАТУРА
1.	Hagen G. Ann. Phys., Lpz. 1839, 46, 423—42.
2.	Poiseuille J. L. M. C. R. Acad. Sci., Paris, 1840, 11, 1041—8;
cf. p. 1044 ff.
3.	К a у e G. W. C. a. L a b у T. H. Tables of physical chemical con-
stants, 11th ed. Lond., 1956, cf. p. 35—8.
4.	H о d g m a n C. D. Handbook of chemistry and physics, 37th ed. Cleve-
land, 1955, cf. p. 35—8.
5.	G r e e n H. D. In Glasser, O.: Medical Physics, 2, 241, Chicago, 1950.
io*
ГЛАВА ХШ
ПОТОК ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ
В НАРКОЗНЫХ АППАРАТАХ
Ламинарный и турбулентный потоки
Когда жидкое или газообразное вещество проходит через
трубку, частицы, составляющие это вещество, могут передви-
гаться по линиям, параллельным стенкам трубки. Этот плав-
ный и упорядоченный поток называют ламинарным (рис. 129).
Рис. 130.
Рис. 129.
Если же линии потока непараллельны стенкам трубки,
имеют закругления и разрывы, этот беспорядочный поток
называют турбулентным (рис. 130).
Рис. 131. В поток воды впрыскивают несколько тонких
струек чернил. Чернила текут по прямым линиям, параллель-
ным стенкам трубки, показывая этим, что поток в трубке
является ламинарным.
Рис. 132. Повторяют предыдущий опыт (рис. 131), но
трубка разрезана на две части, которые соединены под пря-
мым углом без изменения просвета трубки. Теперь линии
потока не являются параллельными на всем протяжении
трубки. Такой беспорядочный поток в изгибе трубки носит
название местной турбулентности. Течение жидкости опять
приобретает свой ламинарный характер на некотором рас-
стоянии за причиной турбулентности (практически чер-
нила, конечно, не разделятся снова на прямые линии за
изгибом).
Для протекания данного объема жидкости пли газа через
трубку за данное время необходима определенная разность
давлений на концах трубки.
148
Такая разность давлений есть мера сопротивления, кото-
рое нужно преодолеть, когда жидкость проталкивается или
всасывается через трубку. Некоторое сопротивление всегда
существует независимо от того, является ли поток ламинар-
ным или турбулентным.
Прп ламинарном потоке падение давления пли сопротив-
ление прямо пропорциональны скорости потока (стр. 145).
Однако в тех случаях, когда скорость потока достаточно
Поток
базе/усг а
—
Рпс. 132.
Рис. 131.
велика, чтобы появилась турбулент-
ность, зависимость между сопротив-
лением и скоростью потока уже не
является линейной; в известных
условиях, например, когда внутрен-
няя поверхность трубки шероховата,
возрастает приблизительно как квадрат
потеря давления
скорости потока; график уже не является прямой линией, а
приближается к параболе (см. стр. 172).
Критическая объемная скорость потока
Когда объемная скорость потока (скажем, в литрах в
минуту) жидкости или газа в данной трубке превышает
величину, которая известна под названием «критической
скорости», ламинарный поток превращается в турбулентный
на всем протяжении трубки. Эта критическая скорость потока
изменяется прямо пропорционально внутреннему диаметру
трубки; чем больше диаметр, тем больше объем жидкости
или газа, который можно пропустить через трубку за еди-
ницу времени без возникновения общей турбулентности.
В табл. З1 указаны критические объемные скорости (Qk)
для потока воздуха в комнатных условиях через гладкие
1 Величины, указанные в табл. 3 и 4, являются лишь прибли-
зительными, поскольку переход ламинарного потока в турбулентный
зависит от различных факторов. Расчеты основаны на следующем отно-
шении: критическая скорость (см/сек)Хдиаметр (см) х плотность (г/см2) -
=2000 X вязкость (в абс. единицах).
1-19
трубки с различными внутренними диаметрами D. Если
скорость потока превышает критическую величину, закон
ламинарного потока уже не действует. Например, поток с
расходом 10 л/мин через трубку диаметром 0,5 см будет турбу-
лентным , но этот же поток будет ламинарным, если его пустить
через трубку диаметром 1 см.
Таблица 3
_ Максимальная объемная скорость ламинарного
потока воздуха
D (см)	0,25	0,5	0,75	1,0	1,5	2,0
Qk (л/мни)	3,5	7,1	10,6	14	21	28
В табл. 4 приведено несколько критических объемных
скоростей для потока воды через трубки малых размеров.
По этим величинам определяют, может ли быть ламинарным
поток воды через инъекционную иглу или отсасывающий
катетер. Единицы измерения критической скорости потока qk
и внутреннего диаметра d отличаются от единиц, приня-
тых в табл. 3.
Таблица 4
Максимальная объемная скорость ламинарного
потока воды
d (мм)	0,3	0,5	1	2	5
qk (см3/мин)	28	47	94	188	470
Поток воды через иглу для внутривенных инъекций с
внутренним диаметром 0,5 мм будет ламинарным, если объем-
ный расход не будет превышать 47 см3/мин.
Учитывая различные единицы, принятые в табл. 3 и 4,
можно видеть, что поток воздуха через данную трубку может
быть в 15 раз больше потока воды перед тем, как он перестает
быть ламинарным.
Помимо диаметра трубки, величина критической скорости
потока зависит также от отношения вязкости к плотности.
Для воды это отношение равно 1. Для воздуха отношение
равно 0,018/0,0012 = 15 (см. таблицу в конце книги, в
которой приведены плотности в г/см и относительные вяз-
кости) .
150
Законы, определяющие переход ламинарного потока в
турбулентный, были освещены в работах Рейнольдса [1,2] .
Численный коэффициент в уравнении, связывающем крити-
ческую скорость с диаметром трубки, плотностью и вязко-
стью (подстрочная сноска на стр. 149), известен под назва-
нием критического числа Рейнольдса.
Сопротивление ламинарному и турбулентному потокам
В практике наркоза объемные расходы вдыхаемых газов
часто ниже тех, которые приводят к общей турбулентности.
Однако несколько примеров потерь давления в ламинарном
и турбулентном потоках через трубки покажут возможность
значительного увеличения потерь.
Вблизи критической скорости потока потеря давления
возрастает примерно на 50%, если поток не ламинарный,
а турбулентный.
При скоростях выше критической величины ламинарного
потока не бывает; однако в целях сравнения мы будем пред-
полагать, что ламинарный поток возможен, и что соответст-
вующую потерю давления можноопределитьпо закону Гагена —
Паузейля. При скоростях, вдвое превышающих критичес-
кую величину, фактическая потеря давления в гладких труб-
ках на 150% больше той потери, которая имела бы место при
ламинарном потоке. Если объемный расход в 5 раз выше крити-
ческой величины, сопротивление турбулентному потоку на400%
больше сопротивления воображаемому ламинарному потоку.
При скорости ниже критической величины может возник-
нуть местная турбулентность в результате неровностей на
пути газового потока (см. стр. 149 и 155). Обычными причи-
нами являются сужения или острые углы.
Во время вдоха в легких создается отрицательное давле-
ние (стр. 162). Дыхание даже через открытую эфирную мас-
ку без сокращения минутного дыхательного объема требует
некоторого добавочного внутрилегочного отрицательного давле-
ния. Добавочное отрицательное давление в легких, потреб-
ность в котором появляется при дыхании через любой аппа-
рат, можно использовать как меру для выражения сопротив-
ления аппарата. Для того чтобы сравнить сопротивление
различных аппаратов, нормальное перемежающееся дыхание
можно заменить непрерывным потоком (стр. 158).
Сопротивление дыханию всегда вредно, но легкое сопро-
тивление в течение короткого времени преодолевается нео-
слабленным больным за счет дополнительного усилия с его
стороны. Однако ослабленный больной может оказаться неспо-
собным на это лишнее усилие, и ни расширение, ни сжатие
его легких не будут такими же, как до появления сопроти-
вления дыханию.
151
Сопротивление дыхательного аппарата складывается’ из
ламинарного п турбулентного компонентов. Там, где поток
является ламинарным, сопротивление зависит в основном от
диаметра трубкп, резко повышаясь с уменьшением диаметра.
Сопротивление, связанное с местной турбулентностью, возни-
кает в местах сужений и острых изгибов. Поэтому дыхатель-
ные шланги п соединения должны быть широкими и иметь
такую форму, которая не вызывает местной турбулентности.
Распределение скоростей
1. В ламинарном потоке через трубку линейная скорость
имеет наибольшее значение в центре Уо и падает до нуля
около стенок. Уравнение:
Q = V • площадь	(2)
связывает объемный расход <2 со средней линейной скоростью V,
которая меньше-, чем скорость Vo на осевой линии. Можно
видеть, что:
Г0 = 2.У.	(3)
2. В турбулентном потоке линейные скорости по диа-
метру трубкп изменяются мало, поэтому Fo V .
Рис. 133. Повторяется опыт, показанный на рисунке
120, но здесь дистальный конец трубки круто изогнут в
горизонтальной плоскости. Резкое падение давления, наблю-
даемое в последней вертикальной трубке, показывает потерю
энергии в результате повышенного трения, связанного с
152
местной турбулентностью в изгибе трубки. Эта потеря выра-
жается в уменьшении объема жидкости, проходящей через
трубку в единицу времени (от 200 до 140 см3).
Сопротивление изгиба равно сопротивлению, которое было
бы вызвано добавлением отрезка прямой трубки BD к пер-
воначальной трубке АВ. Конец воображаемой трубки BD
находится в точке пересечения линий, одна пз которых
является продолжением трубки, а другая — продолжением
верхней наклонной линии, показывающей падение давления
в трубке.
Расход жидкости через изогнутую трубку А В на рис.
133 такой же, каким он был бы через прямую трубку АВ
на рис. 120 при добавлении воображаемой прямой трубки
BD. Если длина BD вдвое меньше длины АВ, объемная
скорость потока через изогнутую трубку на рис. 133 состав-
ляет 2/3 объемной скорости потока через прямую трубку
топ же самой длины на рис. 120.
Потеря давления при резком изменении внутреннего
диаметра трубки
Если длина трубки по обе стороны участка местной тур-
булентности невелика, ламинарный поток настолько мал,
что законы, устанавливающие зависимость между размером
трубки, потерей давления и скоростью потока, полностью
изменяются.
Когда жидкость пли газ поступает в трубку из резервуара
или из другой большей трубкп, происходит дополнительная
потеря давления, которая определяется плотностью жид-
кости или газа независимо от того, является ли поток в
трубке турбулентным или ламинарным.
Посмотрим, что происходит, когда всасывающее усилие
приложено к одному концу трубки, а другой конец откры-
вается в атмосферу. В то время как наружный воздух непод-
вижен, воздух внутри трубки находится в движении. «Тро-
гание с места» с последующим ускорением воздушного потока
до конечной скорости требует затраты энергии. Та потеря
давления, о которой говорилось выше, идет на сообщение
кинетической энергии этому движущемуся воздуху.
Потеря давления происходит также при переходе жидко-
сти или газа из узкой трубки в широкую. При выходе потока
из трубки в большой резервуар кинетическая энергия целиком
расходуется на тренпе.
Если линейные скорости V всех частиц потока в трубке
равны, кинетическая энергия выражается формулой:
Н = — • плотность • F2.	(4)
2
153
Для воздуха это уравнение можно написать в следующем
виде:
Н = 2,77 • 10 3 	мм ВОдЯного столба (5)
Отношение в квадратных скобках прямо пропорционально
линейной скорости потока.
Табл. 5, составленная по этой формуле, может оказаться
полезной для определения величины кинетической энергии.
Фактическая потеря давления обычно не равна Н~, эту вели-
чину можно получить, умножив И на численный коэффициент
порядка 1, который зависит от характера потока в трубке
и от изменения диаметра трубки.
Таблица 5
Кинетическая энергия Н и потоке
воздуха, протекающего е, объемной
скоростью Q через трубу диаметром D
Q (л/мин)	10	20	30	60
D (см)	Н (мм водяного столба)			
0,5	4,4	17	40	160
0,75	0,9	3,5	7,8	31
1,0	0,3	1,1	2,5	10
Пример. Воздух выходит из трубки с внутренним диа-
метром 0,75 см в атмосферу. Прп объемном расходе Q =
30 л/мин потеря кинетической энергии будет составлять
около 8 мм водяного столба, если скорости в каждой точке
сечения одинаковы. В ламинарном потоке скорость наиболь-
шая на осевой линии, и можно доказать, что для получения
кинетической энергии Н следует умножить на 2.
Для воды кинетическая энергия больше, чем для воздуха,
пропорциональна отношению их плотностей. При использо-
вании других единиц: Н (см водяного столба), q (см3/мин)
и d (мм) уравнение кинетической энергии для воды прини-
мает следующий вид:
П = 2,35.10“3-
<7 (см3/мпн)] „
—---------- см водяного столоа.
d2 (мм) J
(6)
Пример. Для d = 0,9 мм, ^ = 70 см3/мин из уравнения
получаем 77=17,5 см водяного столба. Если вода выходит
через трансфузионную иглу с просветом 0,9 мм, кинетиче-
ская энергия эквивалентна давлению 17,5 см водяного столба
при условии постоянства скорости по всему поперечному
сечению. Если распределение скоростей является ламинарным,
754
кинетическая энергия будет составлять 2-17,5 = 35 см водя-
ного столба. Такова же п потеря давления, когда вода выхо-
дит из иглы в широкую трубку или сосуд. Этот пример пока-
зывает. что в дополнение к давлению, необходимому для
преодоления сопротивления иглы ламинарному потоку, на
входе в иглу необходимо приложить давление около 35 см
водяного столба для получения объемного расхода 70 см3/мин.
Давление представляет потенциальную энергию текучего
тела. Любое уменьшение давления показывает, что некоторое
количество этой энергии израсходовано. Прп потоке через
трубку с постоянным диаметром происходит падение давления
вдоль трубки независимо от того, является ли поток ламинар-
ным или турбулентным, хотя в последнем случае это падение
больше. В потоках обоих типов энергия рассеивается в виде
тепла при работе против сил трения между частицами жид-
кости или газа. В условиях турбулентности поток часто
прерывается в результате «толкотни» текучих частиц; здесь
расходуется гораздо больше кинетической энергии в виде
тепла и падение давления соответственно возрастает.
Там, где поток является в основном турбулентным, ско-
рость движения жидкости зависит гораздо больше от ее
плотности, чем от вязкости.
Выводы для практики наркоза
Неровности внутренних стенок трубки п резкие изменения
внутреннего диаметра трубок и соединений, особенно сужения,
часто являются причинами перехода ламинарного потока в
турбулентный и потерь кинетической энергии (рис. 134).
Рис. 135. Плавно изогнутая соединительная трубка обес-
печивает более плавный газовый поток и оказывает меньшее
сопротивление, чем трубка, изогнутая под прямым углом.
Для уменьшения усилий, затрачиваемых больным на
дыхание, эпдотрахеальные и другие дыхательные трубки
155
должны быть по возможности короткими, с большим внутрен-
ним диаметром, гладкими стенками, плавными изгибами и
без сужений. Пренебрежение этими факторами повышает
сопротивление газовому потоку и затрудняет дыхание. Даль-
нейшие неблагоприятные эффекты рассматриваются на стр. 234.
Рис. 135.
Рис. 136. Рентгеновский снимок головы больного. Эндо-
трахеальная трубка перегнулась в глотке и вызвала затруд-
нение дыхания. Опасности перегиба можно избежать, приме-
няя трубки соответствующей конструкции [3] .
Рпс. 136.
756
Сопротивление
Сопротивление аппарата газовому потоку при данных
условиях есть разность давлений во впускном и выпускном
отверстиях аппарата. Это сопротивление изменяется в зави-
симости от объема газа, проходящего через аппарат в еди-
ницу времени, и поэтому при характеристике сопротивления
следует указывать объемный расход.
В лаборатории при изме-
рении сопротивления дыханию
в той или пион части аппарата
вместо перемежающегося ды-
хания больного можно исполь-
зовать непрерывный газовый
поток, хотя это и не отве-
чает всем требованиям. Однако
объемная скорость непрерыв-
ного потока должна прибли-
жаться к максимальной объем-
ной скорости воздушного потока
во время нормального вдоха или
выдоха. У взрослого с дыха-
тельным объемом в состоянии
покоя 8 л /мин максимальная
объемная скорость достигает 25 л/мин. У больного при глу-
боком дыхании объемная скорость может достигать 60 л /мин [4].
Рис. 137. Объемная скорость потока газов во время
дыхательного цикла. Больной дышит глубоко.
У человека, находящегося в сознании, прп крайне глу-
боком дыхании можно отметить короткие периоды газового
потока с объемной скоростью до 400 л/мин.
При лабораторном измерении сопротивления непрерыв-
ному потоку газа производится серия опытов при ряде зна-
чений объемных скоростей; полученные разности давлений
для соответствующих объемных скоростей наносятся на гра
фпк (см. график на рпс. 142). График дает возможность
определить сопротивление аппарата при любой объемной
скорости потока.
Последующие опыты показывают сопротивление дыханию,
создаваемое соединительными и эндотрахеальнымп трубками,
причем некоторые пз mix явно малы для взрослого. Дыхание
взрослого заменяется непрерывным газовым потоком с объем-
ной скоростью 25 л/мин.
Рис. 138. Соединительная трубка Роуботэма № 4. Ма-
нометр, градуированный в миллиметрах водяного столба,
показывает давление на проксимальном конце соединительной
трубки Роуботэма (Rowbotham). Здесь давление выше, чем
на дистальном конце (т е. выше атмосферного). Разность
157
давлений, или сопротивление соединительной трубки, состав-
ляет 5 мм водяного столба.
Рис. 139. Соединительная трубка Роуботэма № 4 и
эндотрахеалъная трубка Магилла № 7 (Magill). Сопротивление
соединительной п эндотрахеальной трубки равно 21 мм водя-
ного столба.
Рис. 140. Соединительная трубка Роуботэма № 2 и
эндотрахеалъная трубка Магилла № 7. Эндотрахеальная
трубка такая же, как на рпс. 139; прп использовании соеди-
нительной трубкп № 2 сопротивление равно 68 мм водяного
столба. Это резкое увеличение произошло в результате замены
соединительной трубкп № 4 трубкой № 2.
158
Соединительные трубки Роуботэма выпускаются четырех
размеров. Они отличаются диаметром дистального конца,
который вставляется в эндотрахеальную трубку. Проксималь-
ный конец одинаков для всех размеров. Анестезиолог, кото-
рому подают эндотрахеальную трубку с уже вставленной в
нее соединительной трубкой, должен вынуть последнюю и
убедиться, что она не слишком мала.
Рис. 141. Соединительная трубка Роуботэма № 2 и
эндотрахеалъная трубка Магилла № 5. Когда и без того
узкую эндотрахеальную трубку № 5 используют с узкой
соединительной трубкой № 2, сопротивление достигает очень
высокой величины — 83 мм водяного столба.
Опыты, показанные на рис. 138—141, могут дать чита-
телю лишь качественное представление о зависимости между
сопротивлением и размерами эндотрахеальной и соедини-
тельной трубок.
Общее сопротивление двух частей аппарата не обязательно
должно быть суммой отдельно измеренных сопротивлений
каждой части. Большое влияние па общее сопротивление
оказывает характер соединений между ними.
Сопротивления соединительных трубок
Рис. 142 и 143 иллюстрируют, насколько важно точно
указывать объемный расход при оценке сопротивления соеди-
нительных трубок.
Рис. 142. Сопротивление различных соединительных тру-
бок в зависимости от объемного расхода. Три кривые, обо-
значенные Rb, относятся к соединительным трубкам Роубо-
тэма, размеры которых указаны на таблице в верхнем левом
углу рисунка.
Изучение этих графиков выявляет следующие особенности:
а)	Сопротивление не повышается линейно при увеличении
объемного расхода; кривая сопротивления загибается круто
вверх. Этого и следует ожидать для протоков, которые
столь отличны от «идеальной» трубки (стр. 170).
б)	Прп использовании соединительной трубки Роуботэма
№ 3 вместо трубки № 4 сопротивление резко повышается
примерно на 100%. Например, для <2 = 40 л/мин сопротив-
ления равны 17 и 38 мм водяного столба соответственно.
в)	При замене широкой соединительной трубки Роубо-
тэма плавно изогнутой соединительной трубкой Мэгилла
соответствующего размера падение сопротивления довольно
незначительно прп средних объемных скоростях потока.
При более высоких скоростях (60 л /мин) снижение составляет
около 20% и может иметь некоторое значение для больных
с глубоким дыханием.
1-5S
При измерениях сопротивления соединительных и эндо-
трахеальных трубок (рис. 138—141) манометр присоединяли
к боковому отверстию в подающей трубке. Хотя сопротивле-
нием подающей трубки можно пренебречь, боковое давление
зависит от внутреннего диаметра этой трубки: если он меньше,
линейная скорость и кинетическая энергия увеличиваются,
Рис. 142.
а давление (потенциальная энергия) уменьшается, и на-
оборот. Однако объемный расход и сопротивление соедини-
тельных и эндотрахеальных трубок остаются без изменений.
По этой причине экспериментальная схема, показанная на
рис. 138—141, имеет весьма ограниченную ценность и не
дает возможности легко измерить сопротивления эндотрахе-
альных трубок и соединений.
Для стандартизации измерений сопротивления трубок
предлагается следующий способ [5].
160
Конец трубки (например, эндотрахеальной) вставляют в
большой сосуд; другой конец открывают в атмосферу. Через
второе отверстие в сосуд с известной скоростью впускают
воздух, который выходит через трубку наружу. К третьему
отверстию в стенке сосуда подключают манометр. Благодаря
большому размеру сосуда линейная скорость газа в нем очень
мала и кинетическими эффектами, упомянутыми на стр.
160, можно пренебречь.
Измерения, на основе которых построены графики, пока-
занные на рис. 142 и 143, проводились по этому способу.
Сопротивление эндотрахеальных трубок
На рис. 143 показано сопротивление нескольких эндо-
трахеальных трубок (типа Мэгилла) при объемных расходах
от 20 до 60 л/мин.
а)	График зависимости сопротивления от потока не явля-
ется прямой линией. Кривая сопротивления с увеличением
объемной скорости поднимается более круто, чем прямая
линия. Причина этого заключается в том, что большинство
11 Физика для анестезиологов
161
объемных скоростей превышает «критические» величины (см.
стр. 149) и поток через трубки уже не может быть ламинарным.
б)	Прп переходе к следующей, меньшей по размеру эндо-
трахеальной трубке происходит значительное повышение
сопротивления. Если взять трубки № 8 и № 7, разница сопротив-
лений составит около 30%.
Сравнивая рпс. 142 и 143, можно видеть, что эндотра-
хеальные трубкп большого размера оказывают примерно
такое же сопротивление, как и металлические соединитель-
ные трубкп, которые в них входят. Сопротивление узких
трубок значительно выше, чем сопротивление соответству-
ющих соединителей.
Пользуясь этими количественными результатами, следует
иметь в виду, что индивидуальные сопротивления эндотра-
хеальной трубки и соответствующей соединительной трубкп не
являются аддитивными. Общее сопротивление трубкп с фпк-
162
сированным в ней соединителем обычно меньше, чем сумма
индивидуальных сопротивлений (см. стр. 157).
Можно также доказать, что при уменьшении длины трубки
вдвое ее сопротивление падает менее чем на 50% (напри-
мер, величина падения может составлять только 40%). Это
вытекает из того факта, что общее сопротивление складывается
из потерь, обусловленных вязкостью, и кинетических потерь;
первые пропорциональны длине трубки, тогда как последние
от нее не зависят.
Рпс. 146.
Рпс. 144. Взрослый больной дышит через эндотрахеаль-
пую трубку № 10 и самую большую соединительную трубку
Роуботэма № 4. Максимальное внутриплевральное отрица-
тельное давление, развивающееся во время нормального вдоха,
равно 15 мм ртутного столба.
Рпс. 145. Больной дышит через эндотрахеальную трубку № 6.
Прп максимальном усилии во время вдоха отрицательное
внутриплевральное давление может упасть до 50 мм ртутного
столба. Для вдыхания того же объема воздуха за то же время
через меньшую трубку от больного требуется гораздо боль-
шее усилие. Фактически «отставание» внутрплегочного дав-
ления от внутриплеврального может быть настолько боль-
шим, что легкие не наполняются усилием вдоха.
Рпс. 146. Наркотизирующий газ подается из аппарата
непрерывным потоком. Газы в трубке, ведущей от дыхатель-
ного мешка к маске, поступают в легкие в основном за счет
усилия вдоха. Эту трубку можно рассматривать как продол-
жение дыхательного тракта больного. Ее диаметр должен
быть таким, чтобы сопротивление дыханию было невелико
и
103
или совсем отсутствовало. При достаточном диаметре гофри-
рованных дыхательных шлангов, применяемых в практике
наркоза, любая небольшая разница в их длине имеет лишь
второстепенное значение.
Рис. 147. Если трубка между дыхательным мешком и
больным окажется узкой, создается положение, которое еще
хуже, чем изображенное на рис. 145. Повышенное сопротив-
ление дыханию требует добавочных усилий со стороны боль-
ного и, что еще важнее, вызывает «отставание» внутрплегоч-
Рис. 147.
ного давления от атмосферного со всеми вытекающими из
этого последствиями (стр. 239).
Нам самим приходилось видеть, как больных в бессозна-
тельном состоянии заставляли дышать через трубки, которые
оказывали высокое сопротивление дыханию.
Рис. 148. Заимствован из отличной во всех других отно-
шениях статьи, опубликованной в одном из журналов по
анестезиологии в 1938 г. [6].
Узкая трубка значительной длины соединяет дыхательный
мешок с эндотрахеальноп трубкой. Выдыхательный клапан
находится между пальцами анестезиолога. Другая фотогра-
фия в той же статье показывает, что на эндотрахеальную
трубку надета манжетка для герметичного соединения с
трахеей. Пусть читатель сам попробует подышать некоторое
время через такую трубку; после этого он никогда не станет
подвергать физиологическому насилию своего больного, нахо-
дящегося в бессознательном состоянии.
164
Рпс. 149. Взят пз учебника по хирургии, изданного в 1934 г.
Он изображает способ, принятый в странах европейского
материка. Больной лежит на животе. Используется инга-
Рпс. 148.
Рпс. 149.
лятор Омбреданна (Ombredanne). Комментарии по поводу
диаметра дыхательной трубки излишни.
165
Внутривенное вливание
Воздушная эмболия в результате неправильного
положения зажима
Рпс. 150. Простое устройство для внутривенного вли-
вания в действии. Зажим, регулирующий поток жидкости,
наложен высоко над уровнем иглы. Если зажим закрыть,
Рпс. 150.
Рис. 151.
вес столбика жидкости в трубке ниже капелышцы плюс дав-
ление воздуха в камере капельницы уравновешиваются
атмосферным давлением, действующим на открытый конец
иглы. Очевидно, что давление в трубке непосредственно
под капельницей ниже атмосферного.
166
Рис. 152. Если в трубке оказывается небольшое отвер-
стие, как это показано на рисунке, в нее входит воздух.
Когда зажим открывают, мелкие пузырьки воздуха сливаются
и уносятся потоком переливаемой жидкости к игле. Описаны
случаи, когда воздушная эмболия, вызванная этой причиной,
привела к смерти [7].
Рис. 151. Зажим наложен правильно, почти на уровне
иглы. Воздух в банке сообщается с атмосферой. Давление
на любом уровне в резиновой трубке над зажи-
мом равно атмосферному плюс давление столбика
жидкости над этим уровнем. Поэтому давление
над зажимом выше атмосферного, и если в рези-
новой трубке над зажимом окажется отверстие,
воздух не будет засасываться в трубку; теперь
вместо этого из отверстия будет выталкиваться
жидкость.
е
е
Объемные скорости, получаемые при подаче жид-
кости самотеком
Рис. 153. Простое трансфузионное устройство.
Уровень жидкости в байке на 60 см выше иглы,
которая имеет внутренний диаметр 0,36 мм и
длину 3 см. За 1 минуту через иглу проходит
4,5 см3 жидкости.
Рис. 154. При поднимании банки на высоту
120 см расход жидкости примерно удваивается.
Поток через иглу прямо пропорционален раз-
ности давлений.
Рпс. 155. Банка опущена на исходный уро-
вень (60 см) и первоначальная игла заменена иглой с большим
внутренним диаметром (0,93 мм), но той же длины (3 см).
Теперь расход жидкости в 17 раз больше, чем на рис. 153.
Вывод. Если можно предвидеть необходимость быстрого
введения жидкости во время трансфузии, лучше использовать
иглу с большим просветом, нежели полагаться на повышен-
ное давление.
Сравнение объемных скоростей на рис. 153 и 154 пока-
зывает, что увеличение просвета иглы в 2,5 раза повышает
объемный расход в 17 раз. Если бы энергия давления на
входе в иглу (60 см водяного столба) тратилась на преодо-
ление одного только вязкостного сопротивления в ламинар-
ном потоке, расход жидкости увеличился бы в (2,58)4 = 45 раз.
Однако давление расходуется также на сообщение потоку
кинетической энергии, которая пропорциональна квадрату
линейной скорости потока V через иглу. Расчет показывает,
что в большой игле на кинетическую энергию расходуется
167
более 50% давления на входе или в 6 раз больше, чем в
малой, где практически все давление (60 см водяного столба)
может пойти на преодоление вязкостного сопротивления
Рпс. 153.	Рис. 154.	Рис. 155.
потока. При проверке этих данных с помощью формулы 3
(стр. 145) и формулы 6 (стр. 154) кинетическая энергия,
получаемая из последней формулы, должна быть удвоена
ввиду неравномерного распределения линейных скоростей
в ламинарном потоке (стр. 152).
168
ЛИТЕРАТУРА
1.	Reynolds О. Phil. Trans., 1883, 174, 935—982.
2.	Reynolds О. Papers on mechanical and physical subjects, 2, 51 —105.
Cambr., 1901.
3.	Alsop A. F. Anaesthesia, 1955, 10, 401—402.
4.	Fie is ch A. Pflueg. Arch. ges. Physiol., 1925, 209, 713—722.
5.	Gaensler E. A., Maloney J.V., Bjork V.O. J. Lab. Clin.
Med., 1952, 39, 935—953; cf. fig. 1.
6.	Thomas G. J. Curr. Res. Anesth., 1938, 17, 301—311; cf. p. 308.
7.	Simpson K. Lancet, i, 1942, 697—698.
ГЛАВА XIV
ПОТОК ЖИДКОСТЕЙ II ГАЗОВ ЧЕРЕЗ ОТВЕРСТИЯ
Рис. 156. Словом «трубка» обозначают канал для дви-
жения жидкости или газа, длина которого во много раз
больше диаметра.
Рис. 157. При обратном соотношении, т. е. когда диа-
метр канала превосходит длину, мы имеем дело с «отверстием».
Чем больше диаметр по сравнению с длиной, тем ближе
отверстие к «идеальному». Расход жидкости или газа через
----- т
-.--------- L -------------»
трубки
Рис. 156.
I отверстия
Рис. 157.
отверстие зависит от диаметра или площади поперечного сече-
ния отверстия и разности давлений по ту или другую сторону
отверстия.
Поток жидкости пли газа через отверстие всегда частично
турбулентен; в связи с «толкотней» частиц неизбежна зна-
чительная потеря энергии и, следовательно, давления. В турбу-
лентном потоке важным фактором, определяющим объем-
ную скорость, является не вязкость, а плотность текучего
тела. Чем оно легче (т. е. меньше его плотность), тем больше
объемная скорость при любой данной разности давлений по
ту и другую сторону отверстия1.
На рис. 158—161 показано относительное влияние плот-
ности и вязкости на скорость потока газа через отверстие.
1 Поток через отверстие не следует смешивать с молекулярной
диффузией через поры (см. стр. 223),
170
Циклопропан и кислород, сходные по плотности (42:32),
весьма различны по вязкости (8,7:20). Близость объемных
скоростей потоков этих двух газов при протекании через
одинаковые отверстия в равных условиях указывает на то,
что эффект вязкости ничтожно мал.
Вязкости кислорода и гелия почти одинаковы (20:19),
тогда как их плотности весьма различны (32:4). Опыт пока-
зывает, что за одно и то же время расход гелия через отвер-
стие в 3 раза больше, чем расход кислорода. Отношение
скоростей потоков, выведенное из упрощенной теории этого
процесса, выражается формулой
ЕЦ = 2 8
F4
171
Сравните эти опыты с опытами на рис. 126 и 127 (стр. 143),
которые показывают, что первостепенным фактором, опреде-
ляющим скорость ламинарного потока через трубку, является
вязкость.
На рпс. 162—167 в серии идеализированных опытов пока-
зана взаимосвязь1 между диаметром отверстия, скоростью
Диаметр отверстая/влл]	4
Р о сзг о О !л/мим!	10
Разность Давлений/зи/бод. ст] 32.
50
40
Рис. 162.
Диаметр отверстия/блз/] 4
Рося off /л / ми и/	20
Разность Давлении/мябодст)/2в	50
40
Рис. 163.
газового потока через него и разностью давлении по ту и
другую сторону отверстия.
Рис. 162. Начальный опыт. При диаметре отверстия 4 мм
и разности давлений 32 мм водяного столба расход кисло-
рода через отверстие равен 10 л/мин.
Рпс. 163. Разность давлений в 4 раза больше, чем в
первом опыте. Расход кпелорода увеличился вдвое.
Вывод. Скорость потока прямо пропорциональна квад-
ратному корню из разности давлений.
Рпс. 164. Теперь диаметр отверстия вдвое больше, чем
в первом опыте (рис. 162). При той же самой разности дав-
лений (32 мм водяного столба) расход кислорода увеличился
в 4 раза.
Вывод. Прп данной разности давлений скорость газо-
вого потока прямо пропорциональна квадрату диаметра
отверстия.
Рис. 165. Теперь объемный расход равен 10 л/мин, т. е.
в 4 раза меньше, чем на рис. 164. Разность давлений умень-
шена до 1/16. Этот опыт подтверждает вывод, который мы
сделали на основании опыта, показанного на рпс. 187.
1 Потерю давления при потоке через отверстие в широкой трубе
(или в стенке резервуара) можно приблизительно определить по фор-
муле кинетической энергии (для воздуха уравнение 5, стр. 154), умно-
жив диаметр отверстия D на 0,8. Этот коэффициент дает поправку на
сужение струи сразу же за отверстием перед тем, как она расширяется
до заполнения просвета большой трубы.
172
В двух последующих опытах показано влияние, плотности
газа на скорость потока.
Рис. 166. Воздух проходит через отверстие диаметром
4 мм. Для получения расхода 10 л/мни необходима раз-
ность давлений 28 мм водяного столба.
Диаметр отверстия (в мм/ 8
Расход /л/лам/ ДО
Разность давлений/ллбовст/32
Рис. 164.
Диаметр отверстия/ вми;	8
Рпс. 165.
Диаметр отверстия своим/ 4
Расход ( л / асан/	10
'Ьзность давлений/ммводст/ 28
Рис. 166.
, Диаметр отверстия (бмм/
Расход (л/мин/
Разность Давлений(мм вов.ст/
в
/О
6
Рис. 167.
Рис. 167. Если вместо воздуха через отверстие пропускать
смесь 21% кислорода и 79% гелия, разность давлении, необ-
ходимая для получения тон же скорости потока, теперь умень-
шилась до 8 мм водяного столба, т. е. более чем в 3 раза.
Плотность смеси 21% кислорода и 79% азота (т. е. воз-
духа) равна 1,2 г/л. Прп замене азота гелием плотность
смеси снижается до 0,41. Этот факт используют в клинической
практике. Больные, страдающие от затрудненного дыхания
из-за опухолей в гортани, рубцевания трахеи или астмы,
могут дышать смесью гелия и кпелорода с гораздо меньшими
усилиями, чем воздухом. Такая смесь может помочь боль-
ному преодолеть период острой дыхательной недостаточности.
ГЛАВА XV
ДОЗИМЕТРЫ
Зависимость между скоростью потока, размером отвер-
стия и разностью давлений по ту и другую сторону отверстия
или сужения использована в конструкции двух основных
тппов наркозных дозиметров. В дозиметрах сухого или поплав-
кового типа разность давлении постоянна п компенсирует
вес поплавка, а размер отверстия изменяется в зависимости
от величины потока. В водяном или манометрическом дози-
метре размер отверстия остается постоянным и показателем
расхода газа служит разность давлений, развивающихся по
ту и другую сторону отверстия.
Все общеупотребляемые наркозные дозиметры имеют пли
а) постоянную разность давлений по обе стороны отверстия
пли кольцевого зазора, площадь которого изменяется в зави-
симости от расхода газа, или б) постоянное сужение, создаю-
щее разность давлений до и после него, причем эта раз-
ность также изменяется в зависимости от расхода газа.
Дозиметры с переменным отверстием
Поплавковый дозиметр Кокстера (Coxeter)
Рис. 168. Этот прибор состоит из стеклянного цилиндри-
ческого корпуса с тремя дозиметрами для измерения расхода
кислорода, углекислого газа п закиси азота. Каждый дози-
метр представляет собой вертикальную стеклянную трубку
постоянного диаметра с мелкими отверстиями по всей длине.
В трубке находится легкий поплавок, который плотно приле-
гает к ее стенкам. Когда газ входит в трубку через нижний
конец, поплавок поднимается вверх.
На определенной высоте он останавливается. Теперь
ниже поплавка имеется какое-то количество отверстий, через
которые газ выходит из трубки в наружный стеклянный
цилиндр. В результате этого первоначальное давление,
действовавшее на поплавок, падает до такой величины,
174
которая как раз достаточна для удержания поплавка во
взвешенном состоянии. Прп увеличении газового потока в
дозиметр давление, действующее на поплавок, повышается.
Поплавок поднимается выше, освобождая еще несколько
отверстии для выхода газа, и опять останавливается, когда
Рис. 168.
его пес компенсируется давлением снизу. Расход газа опре-
деляется по делению на трубке, против которого остановился
верх поплавка. Каждая дозиметрическая трубка градуиро-
вана для определенного газа.
Очень похожие дозиметры описал Джослин (Joslin) [1]
еще в 1879 г.
Дозиметр Кокстера относительно неточен. Движению по-
плавка мешает трение со стенками трубки; кроме того, мел-
кие выпускные отверстия могут засориться, а прочистить
их не так легко. Поскольку поплавок передвигается только
скачками от отверстия к отверстию, измерение малых газо-
вых потоков затруднено.
175
Ротаметр
Дозиметры типа ротаметра представляют собой стеклян-
ную трубку, внутри которой свободно передвигается вращаю-
щийся поплавок. Диаметр трубки постепенно увеличивается
снизу вверх. Газ, пропускаемый через трубку, обтекает по-
плавок. Чем выше поплавок, тем больше кольцевой зазор
между поплавком и стенкой трубки (эквивалентный большему
отверстию) и тем больше расход газа.
Рис. 169. Поплавок поднимается в градуированной стек-
лянной трубке потоком газа, в котором он свободно вра-
щается, не прикасаясь к стенкам трубки. Внутренний диа-
метр трубки вверху больше, чем внизу.
176
Принцип действия
Рис. 170. Газовый поток через центральное отверстие
в горизонтальной трубке равен, скажем, 3 л/мин. Сужение в
этом случае имеет такую форму, что его продольный разрез
напоминает разрез поплавка ротаметра. Сопротивление потоку
с расходом 3 л/мин показывается на манометре разностью
давлений 9 мм водяного столба.
Рис. 171. Теперь отверстие, через которое проходит
газ, представляет собой кольцевой зазор между стенками
трубки и предметом, фиксированным в ее центре. Этот пред-
мет не что иное, как уже знакомый нам поплавок ротаметра.
Площадь кольцевого зазора вокруг поплавка равна площади
центрального отверстия на рис. 170. Разность давлений и
здесь равна 9 мм водяного столба при том же объемном рас-
ходе (3 л/мин).
Рис. 172. Трубка, в данном случае установленная вер-
тикально, очень похожа на предыдущую. Разница заключается
в том, что ее внутрений диаметр увеличивается снизу вверх.
Фактически это трубка ротаметра. Поплавок свободно перед-
вигается в трубке и вес его таков, что он точно
уравновешивается подъемной силой, соответ-
ствующей разности давлений 9 мм водяного
столба.
Рис. 173. Поток газа через трубку равен
теперь 8 л /мин. Поплавок поднимается вверх
по конусной трубке увеличивающимся потоком
газа до тех пор, пока кольцевой зазор не
станет достаточно большим, чтобы создать раз-
ность давлений 9 мм водяного столба.
История ротаметра
Принцип устройства ротаметра был описан
Купперсом (Kneppers) в 1908 г.
На рис. 174 показана упрощенная схема
ротаметра. Приводимая ниже выдержка из
патента Купперса [2] позволяет судить, на-
сколько мало за все эти годы изменилась
конструкция прибора.
«Описывается указатель расхода мгновен-
ного действия или газомер ... он включает
в себя конусную трубку . . . поплавок, со-
стоящий из круглых дисков, соединенных
центральным стержнем. В верхнем диске вы-
резаны косые каналы ... и поплавку сооб-
щается быстрое вращательное движение . . .
возможность заклинивания исключена. В этом
12 Физика для анестезиологов
зо-
го-
111
Рис. 174.
указателе расхода эффективная площадь поперечного сечения
увеличивается от одного конца к другому».
Вскоре после этого [3] поплавку придали ту форму,
которую он имеет в настоящее время. Уже в 1910 г. рота-
метры использовали в наркоз-
ных аппаратах для измерения
расхода закиси азота и кисло-
рода; ранняя история ротамет-
ра подробно изложена в работе
Форрегера (Forreger) [4] .С тех
пор ротаметры широко при-
меняются в промышленности,
по по ряду причин, прежде
всего из-за размера, промыш-
ленные ротаметры не вызывали
большого интереса у анесте-
зиологов. И только в 1937 г.,
по предложению Ричарда Солта
(Salt) [5] , они были видоиз-
менены до знакомой нам формы
и сделаны частью наркозного
аппарата.
Конструкция ротаметр а,
применяемого е клинической
практике
Измеряемый газовый поток
идет снизу вверх через спе-
Рис. 175. Блок дозиметров (три
штуки) для измерения расхода ки-
слорода, циклопропана и закиси
азота. Дозиметры для кислорода
и закиси имеют боковые трубки на
тот случай, если потребуется боль-
шая подача этих газов. Боковая
трубка в кислородном дозиметре
предусмотрена весьма разумно, по-
скольку кислород всегда может ис-
требоваться прп оказании неотлож-
ной помощи. Что касается пока-
занного здесь дозиметра для закиси
азота, то он и без того может изме-
рять расходы до 10 л/мил, а веро-
ятность того, что потребуется еще
более высокая подача газа, чрез-
вычайно мала.
циально изготовленную стек-
лянную трубку, ось которой
должна быть в вертикальном
положении. Трубка имеет фор-
му удлиненного конуса с более
широким диаметром наверху.
Поплавок, изготовляемый
обычно из алюминия,имеет го-
ловку, диаметр которой неско-
лько больше диаметра стерж-
ня; в ней вырезаны каналы
специальной формы. Струя га-
за, входящего в трубку рота-
метра через нижний конец,
поднимает поплавок. Газ об
текает поплавок и сообщает
ему вращательное движение вокруг вертикальной оси, по-
скольку головка с косыми каналами действует как система
лопастей. Таким образом, поплавок перемещается в газовой
178
Рпс. 176. Показание счи-
тывается по верхнему
краю поплавка. Верхнее
положение поплавка в
кислородном дозиметре
соответствует расходу
700 см3/мин. Каждый
прпбор градуирован для
определенного газа. Из-
мерение расхода газа до-
зиметром для другого
газа обсуждается на
стр. 182.
подушке, п погрешности в результате трения со стенками
трубки устраняются.
Потеря давления, связанная с присутствием поплавка,
постоянна для всех положений поплавка в трубке; основная
потеря определяется только весом поплавка. Чем больше
открыт регулирующий вентиль, тем выше поднимается попла-
вок и тем больше пространство для
выхода газа между поплавком и стен-
ками трубки.
Если трубка смонтирована строго
вертикально, эти дозиметры дают по-
казания с точностью ±2%. Не исклю-
чена возможность, что анестезиолог
захочет измерить ротаметром, градуи-
рованным для одного газа, расход
другого газа. Действительно, через
ротаметр для СО2 нередко пропускают
циклопропан, ошибочно полагая, что
показания одинаково точны для любого
газа. По-видимому, это основано на
следующем предположении: раз плот-
ности этих газов почти одинаковы, то
для любого из них годится одна и та
же градуировка.
Другое распространенное мнение
состоит в том, что при пропускании
более легкого газа (скажем, О2) через
ротаметр, градуированный на более
тяжелый газ (например, N2O), расход
газа обязательно будет больше, чем
показывает поплавок.
отверстия, плотность
Теория
На скорость потока газа через
данное сужение влияют такие харак-
теристики газа, как плотность и вяз-
кость. Сужение в наркозном дозиметре
может иметь форму отверстия пли труб-
ки (стр. 170).
Если сужение принимает форму
газа как фактор, определяющий расход газа через сужение,
имеет гораздо большее значение, чем вязкость. Действительно
для идеального отверстия с постоянной разностью давлений
ио ту и другую сторону применимы следующие формулы:
Объемная скорость потока газа
1
((плотность газа)
(1)
12 *
179
и если газ А пропускается через идеальное отверстие в изме-
рителе, градуированном на газ В
______Фактический расход газа А________ 1/Плотность газа В ™
Расход, показываемый измерителем для В f Плотность газа А ' '
Если плотности двух газов одинаковы, правая часть уравне-
ния равна единице, показывая этим, что расход, определен-
ный по измерителю, и фактический расход равны между
собой.
Рис. 177.
С другой стороны, если сужение имеет форму трубки,
первостепенным фактором, определяющим скорость потока,
является вязкость, в то время как влиянием плотности можно
пренебречь.
Рассмотрим характер сужения в ротаметре.
Зазор между головкой поплавка и трубкой ротаметра
имеет форму кольца (рис. 177, а, в) и может считаться экви-
валентным круговому каналу с той же площадью попереч-
ного сечения (рпс. 177, с). Этот рисунок выполнен не в
масштабе.
Рис. 178—181 выполнены в масштабе; на них показан
очень малый зазор между головкой поплавка и стенкой
трубки ротаметра, особенно в ее нижней части. Поплавок
и полость трубки следует поддерживать в абсолютной чистоте;
во время измерений прибор должен находиться в вертикаль-
ном положении. Только прп соблюдении этих условий рота-
метр будет давать точные показания.
Рис. 180. Прп слабых потоках газа поплавок находится
в нижнем конце трубки и диаметр эквивалентного канала
меньше его длины. Иными словами, сужение имеет форму
трубки (рпс. 181).
Рпс. 178. По мере повышения расхода газа поплавок подни-
мается и диаметр эквивалентного канала соответственно уве-
личивается. Длина сужения остается, конечно, постоянной.
180
Прп больших расходах газа, когда поплавок находится около
верхнего конца трубки, диаметр эквивалентного канала равен
его длине; сужение по своей форме приближается к отверстию
(рпс. 179).
Поэтому, когда поплавок вращается в нижней части трубки,
вязкость газа как фактор, определяющий скорость потока
Рпс. 178.
Рис. 180.
Рпс. 179.
Рис. 181.
через измеритель, имеет гораздо большее значение, чем
плотность. При больших скоростях потока более важную
роль играет плотность.
Опыты
Эти выводы хорошо иллюстрируются последующими рисун-
ками .
Ротаметры на рис. 182 (и 184) представляют удлиненные
отрезки нижней части соответствующих измерителей, пока-
занных справа на рис. 183 (и 185).
181
Гелий и кислород имеют почти одинаковые вязкости, но
их плотности значительно различаются (0,17 и 1,33 г/л).
При малых скоростях потока, когда преобладающее влияние
Рпс. 184.
Рис. 185.
оказывает вязкость, расход гелия можно измерять с допусти-
мой точностью кислородным ротаметром (рис. 182). При
больших скоростях потока (рпс. 183) первостепенное значе-
ние приобретает плотность. В этом опыте отношение факти-
ческого расхода к показываемому равно 2:1.
182
Если бы эквивалентный канал, через который проходят
газы, был идеальным отверстием, то отношение фактического
расхода гелия к расходу, показываемому кислородным рота-
метром, равнялось бы:
/ЁЗЗ _ 2,8 _
V 0,17 ~ 1
Плотности циклопропана и углекислого газа мало отли-
чаются друг от друга (42 и 44), но вязкости этих газов весьма
различны (0,6 и 1). Прп малой скорости потока циклопропана
юсо-
ЗОО
ид/лин
СрМв
Фактический рас- ход С3Ир ; 6 см3/мин	Положение поплоб- \ка б ротамет- ре для углекис- лого газа	7ООО- 500-	Циклопропан	t	Фактический рас- ход СО? S см-/мин	Положение поп - лобка б рота- метре для циклопропана
1ООО 750 500 400 300 гоо	700 560 ' 350 гоо гго 130		Г ft		юоо 750 500 . 400 300 гоо 100	1100 ООО его 5го 400 зго гоо
			300 см^/лш СО?	V		
Рпс. 186.
Рпс. 187.
(рпс. 184) положение поплавка в ротаметре для СО2 показы-
вает величину, которая значительно ниже фактического
расхода. Истинный расход на 60% выше. Прп высоких
скоростях потока относительное расхождение гораздо меньше.
На рис. 185 погрешность составляет лишь 20%.
В таблицах на рпс. 186—193 представлены результаты
дальнейших опытов. Приводится фактический и измеренный
расход газа прп пропускании его через дозиметр, градуиро-
ванный для другого газа. Можно видеть, что с помощью
одного множителя нельзя преобразовать показание дозиметра
в фактическую величину расхода.
Вязкости и плотности многих широко употребляемых
газов приведены в таблице на стр. 393. Она дает чита-
телю представление о том, какая из характеристик газа —
вязкость пли плотность — оказывает большее влияние в
опытах, показанных в таблицах на стр. 183—185.
183
1осо- бое-	I I			Фоктиаеский рос код 0g б см3 / мин	Оомлсение лоп- лавра б рота - метре для	I I I	/ООО - 500-	а с л оРод			Роктиаескид рас - под Оз О6 б см3/ мил	Оололсемие поп- лавка в рота - метре бла кислорода
				юоо 750	/370 1030			к I IЛ. /7< О			/000 750	670 4SO
	I			500	740			и			Soo	360
				400	600			л			400	330
	300 Г-Л3/Л1М Ог			300 гоо 700	470 310 190			300 CM3/MJH Ср К о			зоо гоо	/70 90
Рис. 188.	Рис. 189.
WOO J 300 -	% Ч		•L ч. ь $ ц	Лоложение поп- лавка .6 рота- метре для кислорода	юоо- 500-	i §		® §	Лол алеете лап- лавка в рола метре для /г 	в !
										
	I V		юоо	890				/ООО	1/60	
	и		750	040				750	870	
	V		500	400				500	600	
	V		400	300		fr		400	450	
	300		300	240		300		300	330	
			гоо	150		cjh3/mh	ч	200	200	
	со?					Сг		700	юо	
Рис. 190.
Рис. 191.
Рис. 194. Портативный аппарат Хейдбринка
для наркоза циклопропаном с кислородом, с
патроном Уотерса.
Дозиметр Хендбрпнка
Конусная трубка Z изготовлена пз металла. Показания
считываются не у нижнего, а у верхнего конца стержня,
входящего в стеклянную трубку. Внутренний профиль трубки
не является простым конусом; он подобран таким образом,
Рис. 195. Дози-
метр для кислоро-
да. Показывается
расход кислорода
чуть ниже
300 см3/мин.
что может давать широкий диапазон пока-
зании. Шкала, изображенная на рисунке,
имеет высоту всего лишь 76 мм, тем не менее
показывает расход от 50 до 15 000 см3/см.
Дозиметр Хейдбрпика принципиально
не отличается от измерителен, описанных
Шамруа [6] в 1868 г., и от более позднего
«карманного» газомера [7] (рпс. 194).
Дозиметр Коннела (Connell)
Дозиметры монтируются в наклонном
положении. Здесь используется конусная
стеклянная трубка, но вместо поплавка
индикатором служит пара шариков из
нержавеющей стали. Шарпкп перекатыва-
ются вверх по трубке под действием струи
газа до тех пор, пока разность давлений
ниже п выше шариков не уравновесит
их вес.
Разность давлений обусловлена потерей
давления в газовом потоке в результате
местной турбулентности и эффектов вязкости
в пространстве между шариками н стенками
трубки. Каждую трубку градуируют от-
дельно, п расход газа считывается со шкалы
в точке соприкосновения шариков. При ис-
пользовании одного шарика могут возник-
нуть вибрации, тогда как пара шариков
обеспечивает устойчивость (рпс. 195).
Внутренняя поверхность трубки из ту-
гоплавкого стекла пришлифована с высокой
точностью. Продольное сечение трубки в
отличие от простого конуса ротаметра имеет
сложный профиль, что дает возможность измерять одним
дозиметром длиной около 150 мм как большие, так и малые
объемные расходы (сравните с дозиметром Хейдбрпика).
В нижней части трубки внутренний диаметр увели-
чивается лишь на 0,01 мм на каждый сантиметр длины.
По заводским данным, нижняя часть дозиметра (длиной
72 мм) дает показания с точностью до 10 см3/мин. В верх-
756
ней части трубки конусный профиль принимает форму
параболы. Эта часть градуирована на высокие объемные
расходы, которые применяют для наркоза с непрерывным по-
током газа и для оживления.
Рис. 196.
Рис. 197.
Дозиметр Коннеля, показанный на рис. 196—199, был
введен в практику в 1930 г.
Рпс. 196. «Стратосферный» наркозный аппарат Коннеля.
Рис. 197. Верх аппарата крупным пла-
ном. Дыхательный мешок имеет форму
гармоники. Дозиметры расположены в
центре. Слева находятся вентили двух кис-
лородных баллонов, справа — вентили бал-
лонов с циклопропаном и закисью азота и
эфнрница.
Рпс. 198. Дозиметр Коннеля в том поло-
жении, в котором он виден анестезиологу.
Расход кислорода равен 300 см3/мин.
Рис. 199. Дозиметр Коннеля (вид сбоку).
Конусность трубки показана не в масштабе.
В дозиметре Коннеля использован тот
же принцип, что и в шариковом измери-
теле, изобретенном Альфредом Эвиигом
(Ewing) в 1876 г. Этот прибор был скон-
струирован для измерения расхода жид-
костей. Стеклянная трубка имела незначи-
Рис. 198.
187
тельную конусность; в одном случае ее внутренний диа-
метр увеличивался от 10 мм на нижнем конце до 11 мм на
верхнем конце на длине 100 см; диаметр шарика был
равен 9,5 мм.
Эвинг исследовал влияние плотности и вязкости жидкости
на перепад давления, который поддерживает шарик в опре-
деленном положении при данной скорости потока.
Рпс. 200.
Прп сравнении рис. 199 с рис. 200, заимствованным в
упрощенном виде из работы Эвинга [8], нетрудно заметить
сходство двух дозиметров. Измеритель Коннеля можно спра-
ведливо назвать миниатюрным двухшариковым вариантом
измерителя Эвинга.
Дозиметры с постоянным отверстием
Манометрический дозиметр
На рис. 202 показан дозиметр с постоянным отверстием,
в котором использован манометр Бурдона (Bourdon). Газ из
баллона проходит через узкое отверстие С. Давление, разви-
вающееся проксимально к отверстию, передается в гибкую
металлическую трубку Бурдона с овальным сечением, которая
стремится выпрямиться (сравните с рис. 203). Положение
188
индикаторной стрелки изменяется в зависимости от давления
в трубке Бурдона; шкала градуирована в единицах расхода
газа через сужение С. В этом измерителе манометр пока-
Рпс. 201. Блок дозиметров манометрического типа
конструкции Хейдбрипка.
зывает разность давлении между проксимальной стороной
сужения и атмосферой. Это в сущности равносильно измерению
разности давлений по обе стороны
отверстия, поскольку в практике
наркоза давление на дистальной
стороне очень близко к атмосфер-
ному.
Дозиметр этого типа оказался
непригодным для измерения малых
объемных расходов.
Для получения давлений, доста-
точных для выпрямления трубки
Бурдона, используется очень малое
отверстие С, которое оказывает не-
обходимое сопротивление газовому
потоку. Если происходит частичная
закупорка отверстия, показания
прибора возрастают, тогда как в
действительности расход уменьша-
ется; при полной закупорке отвер-
стия прибор продолжает показывать
Рис. 202.
расход газа.
189
Наоборот, если отверстие С увеличить путем прочистки
пли прпшабривания, расход газа увеличится, но из-за умень-
шения сопротивления потоку показания прибора снизятся.
Рпс. 203. Вставка: овальное
поперечное сечение гибкой
трубки до ее раздувания.
Водяпой дозиметр
Рис. 204. Газ проходит через
постоянное отверстие; возникающая
в результате этого разность давлений
по обе стороны отверстия измеряется
водяным манометром. Чем больше
расход газа, тем больше разность
давлении по обе стороны отверстия.
В случае «идеального» отверстия
разность давлений прямо пропор-
циональна квадрату скорости потока
(см. стр. 172).
Рис. 205. На практике верхнее по течению (или прокси-
мальное) колено U-образной трубки погружено в воздухо-
непроницаемый стеклянный сосуд с водой; от второго колена
оставлено лишь отверстие. Измеритель градуируют, пропу-
ская через центральное отверстие газ с известной скоростью
и отмечая на шкале соответствующие уровни воды в верти-
кальной трубке.
Отверстия, используемые в наркозных дозиметрах этого
типа, по размеру не больше отверстия жиклера. Они имеют
два явных недостатка:
1) отверстие легко засоряется. В этом случае через отвер-
стие будет проходить гораздо меньше раза, чем это показы-
вается на шкале;
2) деления шкалы расположены близко друг к другу на
участке, соответствующем малым расходам газа, и далеко
190
друг от друга на участке, соответствующем большим расходам
(рис. 20G слева и рпс. 210). Это противоречит требованиям
клинической практики.
Дозиметры с капиллярным сужением
Это затруднение было преодолено путем замены централь-
ного отверстия отрезком капиллярной трубки (9, 10). В ре-
зультате шкала становится почти линейной (рис. 206, справа).
Рис. 207. Газ идет из А в В через узкую капиллярную
трубку С I. Капиллярная трубка представляет большое со-
противление, поэтому трубке D нарастает давление; уровень
воды в ней понижается, показывая расход на левой шкале.
Этот прибор [10] обладает еще одним преимуществом.
В нем имеется вторая, более широкая капиллярная трубка.
Когда вентиль Т открыт, газ идет через обе капиллярные
трубки, встречая гораздо меньшее сопротивление. Теперь
данная величина снижения уровня в трубке D соответствует
гораздо большему расходу и показывает его на правой шкале.
Таким образом, одним и тем же прибором можно с достаточной
точностью измерять как малые, так п большие скорости потока.
191
Дозиметр Фореггера
Рис. 208. Схема дози-
метра Фореггера.
Рис. 208. Газ из баллона через игольчатый клапан посту-
пает в трубку А, затем идет через сужение С в смесительную
камеру D и оттуда к больному (см. стрелки). Сужение ока-
зывает сопротивление газовому потоку; поэтому в С создается
перепад давлений, который зависит от
величины расхода газа. Чем быстрее поток
газа, тем больше разность давлений;
иными словами, тем больше сила, необ-
ходимая для проталкивания газа через С.
Разность давлений измеряется расстоя-
нием между снизившимся уровнем воды
в трубке Т в уровнем воды в главном
сосуде. Нижний конец трубкп Т сооб-
щается с главным сосудом, образуя таким
путем U-образную трубку, колена которой
имеют совершенно разные площади сече-
ния. Любое изменение уровня в граду-
ированной смотровой трубке не сопрово-
ждается существенным изменением уровнч
в главном сосуде. Трубка Т соответствует
проксимальному колену U-образной труб-
ки на рис. 204, а главный сосуд с
водой — дистальному колену. Главный
сосуд сделан из металла, а трубка Т
изготовлена из прозрачного материала
и на ней нанесена шкала, которая гра-
дуирована в единицах расхода газа. Если
смотреть спереди (рис. 209), на главном
сосуде сразу же позади различных трубок
будут видны тонкие цветные полоски,
которые облегчают отсчет показаний. Например, на рпс. 210
видно, что используется только кислород, который расхо-
дуется со скоростью 300 см3/мин.
Сужение в этом приборе имеет больший диаметр, чем в
измерителе с трубкой Бурдона, так как водяной манометр
позволяет точно измерять меньшие разности давлений. Опас-
ность засорения суженного участка Здесь меньше.
i
Дозиметр с водяным затвором
Каждый дозиметр [11] состоит из металлической трубки.
На практике два или три дозиметра для измерения расхода
различных газов помещают в один со(]уд, наполненный водой
до уровня горизонтальной металлической пластинки, свя-
зывающей трубки. Часть трубки, г^кходящаяся под водой,
имеет 5 мелких отверстий, расположчшых одно под другим.
192
Пропускаемый через трубку газ выходит через эти отверстия,
барботирует через воду и отводится через верхнюю насадку.
Чем больше скорость потока газа, тем больше число отвер-
стий, через которые газ выходит в воду. Таким образом,
можно приблизительно определять расход газа путем подсчета
числа отверстий, через которые выходят пузырьки газа.
Рпс. 209. Наркозный аппарат
Фореггера.
Рис. 210. Блок дозиметров
Фореггера, вид спереди.
Каждый дозиметр градуируется отдельно и к каждому
сосуду прикреплена табличка с указанием расхода, соответ-
ствующего каждому числу отверстий, через которые газ
выходит в воду. Расход закиси азота для данного числа
отверстий отличается от расхода кислорода. Это частично
объясняется разницей плотностей указанных двух газов.
Этот метод непригоден для измерения высоких объемных
скоростей потока газа, так как он вызвал бы волнение воды.
Для предотвращения чрезмерного барботажа па трубке для
подачи N2O предусмотрен кран Т, с помощью которого газ
можно пропускать обходным путем с расходом около 5 л/мин,
минуя водяной дозиметр. Трубка для закиси азота находится
в сосуде справа, перепускной кран Т расположен в верхней
части трубки. В горизонтальном положении кран закрыт,
в вертикальном, как это показано на рис. 211, — открыт.
Прп умеренных расходах закиси азота кран оставляют в гори-
зонтальном (закрытом) положении, но когда газа требуется
больше, чем проходит через 5 отверстий дозиметра, кран
13 Физика для анестезиологов
193
ставят в вертикальное (открытое) положение. Теперь газ
идет по пути наименьшего сопротивления и барботаж прекра-
щается, если только не увеличивать газовый поток игольчатым
клапаном.
При всей своей неточности это единственный дозиметр,
который позволяет непосредственно видеть объем газов, пода-
Рпс. 211. Дозиметр с
водяным затвором в
увеличенном виде.
Гис. 212. Путь га-
зов через дозиметр
к больному.
ваемых больному; единственным прямым признаком газового
потока через другие дозиметры является вращение поплавка
в ротаметре.
ЛИТЕРАТУРА
1.	Joslin G. Brit. Pat., 1879, 2428; cf. fig. 6.
2.	Kiippers K. German Pat., 1908, 215225.
3.	Anon. Chemikerzig., 1910, 34, 725.
4.	Foregger R. Brit. J. Anaesth., 1952, 24, 187—95.
5.	Macintosh R. R. Lancet, ii, 1941, 718.
6.	Chameroy A. M. French Pat., 1868, 80129; cf. PI. XIV, fig. 1.
7.	F r e n z e 1 P. Das Gas (in Hartleben’s Cliemisch Technische Bibliotek
259, 56—8; cf. fig. 26). Wien, 1902.
8.	Ewing J. Proc. roy. Soc. Edinb., 1924—1925, 45, 308—21.
9.	Schofield R. K. Proc. R. Soc. Med., 1937—1938, 31, 443—5.
10.	Pask E. A. Lancet, ii, 1940, 680—1.
11.	Wellesley G. Brit. Pat., 1930, 331050; cf. fig. 2.

ГЛАВА XVI
ИНЖЕКТОР И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
Поток жидкостей и газов через сужение в трубке
Рис. 213 и 214. Повторяется опыт, описанный на стр. 139,
но с использованием очень длинной горизонтальной трубки,
поэтому перепад давления на единицу длины невелик.
В одном месте трубка плавно сужается, а затем опять расши-
ряется до своего первоначального диаметра. Уровни воды в
вертикальных трубках показывают, что давление воды в
суженном месте значительно ниже, чем по ту7 или иную сто-
рону от него. Это давление зависит от скорости потока жид-
кости через суженное место. В описываемом опыте скорость
потока такова, что давление только чуть выше атмосфер-
ного. Путем увеличения объемной скорости потока через
трубку низкое положительное давление можно еще более
уменьшить. Когда скорость потока достаточно велика, давле-
ние в суженном месте падает ниже атмосферного пли, иными
словами, становится отрицательным; теперь вместо выталки-
вания воды в вертикальную трубку через нее всасывается
воздух (см. рпс. 219 на стр. 199).
Рис. 215. С изображает плавное сужение в стеклянной
трубке (сравните с рис. 214). Объемная скорость потока на
13*
195
всем протяжении трубки одинакова. Длина стрелок в А
показывает расстояние, покрываемое водой за 1 секунду,
т. е. линейную скорость воды в этом месте.
Длина стрелок изображает среднюю скорость, вычислен-
v	Объемная скорость потока
ную по формуле: --------------------------- • Стрелки пзо-
Площадь поперечного сечеппя
бражалн бы фактическую скорость только при протекании
Рис. 214.
идеальной, т. е. свободной от трения, жидкости. В действи-
тельности же при ламинарном потоке скорость, максимальная
в центре трубки, уменьшается до нуля у ее стенок (стр. 152).
Поэтому объем воды, содержащейся в заштрихованном
участке, представляет объемную скорость потока воды в трубке.
Рис. 215.
Поскольку объемная скорость одинакова на всем протя-
жении трубки, длина стрелок в суженном месте С такова,
что объем заштрихованной части С равеп объему А. Можно
видеть, что скорость воды наибольшая в самой узкой части
трубки.
Зависимость между скоростями воды и площадями попе-
речного сечения (в А и С) выражается отношением:
Скорость потока воды в А _ Площадь поперечного ссчеппя С
Скорость потока воды в С Площадь поперечного сечения А
196
Если диаметр тр убьп в С вдвое меньше, чем в А, площадь
поперечного сечения в С в четыре раза меньше, чем в А.
Поэтому скорость потока в С в четыре раза больше, чем А.
Из зависимости между скоростями и давлениями в С и
Л следует, что давление ниже всего там, где скорость наи-
большая. Этот факт можно использовать для измерения ско-
рости потока по разности давлений между Л п С. Повышение
скорости потока в два раза увеличивает разность давлений в
четыре раза.
Трубка Вентури
По мере перехода жидкости из сужения в более широкую
часть трубки ее скорость постепенно падает. Это сопровож-
дается постепенным увеличением давления, что хорошо иллю-
стрируется рис. 216, заимствованным из оригинальной работы
Вентури, опубликованной в 1797 г.
В 1738 г. Даниил Бернулли сформулировал законы для
потока жидкостей и газов через трубку неодинакового сече-
ния. Он показал, что давление жидкости или газа меньше
там, где скорость их больше (рис. 214). Около 60 лет спустя
Вентури (Venturi) показал, что для получения давления потока
жидкости или газа, которое значительно превышало бы давле-
ние в суженной части (рис. 216), необходимо очень постепен-
ное расширение трубки сразу же после сужения. В его опы-
тах трубка переставала выполнять указанную функцию, если
угол конуса превышал 15°.
В трубке соответствующего профпля можно создать силь-
ное отрицательное давление в суженной части. Вентури опи-
сывает опыт, при котором через трубку с входным диаметром
38 мм протекала вода с расходом 283 л/мин. В суженном
месте (диаметр 34 мм) создавалось	_______
отрицательное давление 114 мм	—-
ртутного столба. В 50 мм за этим
местом отрицательное давление
составляло всего лишь 38 мм ртут-	|Г~----1Г-_____
пого столба.	•
В трубке Вентури скорость и
давление тесно связаны между
собой. Перепад давления II между	Lf|— |i|-------J
А и С приблизительно опреде-	=1
ляется уравнением 6 на стр. 154,
если площадь сечеппя в С значп-	Рпс. 216.
тельно меньше, чем в А. Таким
образом, объемную скорость потока можно определить путем
измерения этого перепада давления. Через 80 лет после опу-
бликования работы Вентури американский инженер Гершель
(Herschel) вставил трубку Вентури в трубку для измерения рас-
797
хода воды. С тех пор этот принцип измерения высоких ско-
ростей потока воды стал в технике стандартным.
Конструкция трубки Вентури такова, что давление после
суженного участка (вниз по течению) восстанавливается почти
до того уровня, который оно имело до суженного участка
Рис. 217.
(вверх по течению). Это показывает, что местная турбулент-
ность невелика. Перепад давления, отмечаемый около сужен-
ного участка, связан с временным превращением энергии
давления в увеличенную кинетическую энергию (скорость).
Вниз по течению (от суженного участка) происходит посте-
пенное обратное превращение кинетической энергии в энер-
гию давления.
Тот факт, что давление в трубе меньше всего там, где
скорость потока жидкости наибольшая, находит простое
физическое объяснение.
Рпс. 217. От нижней части большого сосуда с жидкостью
отходит труба. Поток жидкости через трубу перекрыт кра-
ном и жидкость неподвижна. Вся энергия жидкости в трубе
находится в форме энергии давления, которая зависит от
гидростатического давления жидкости в большом сосуде.
Уровень жидкости в вертикальной трубке, сообщающейся с
атмосферой, показывает величину давления в трубе и явля-
ется мерой общей энергии жидкости в состоянии покоя.
Рпс. 218. На протяжении всего этого опыта уровень жид-
кости в большом сосуде и, следовательно, гидростатическое
давление па входе в трубу постоянны. Кран открыт и жид-
кость течет через трубу. Вскоре скорость потока становится
постоянной. В дополнение к энергии давления жидкость в
результате своего движения приобретает теперь кинетическую
энергию. Поскольку общая энергия на единицу объема неиз-
бежно остается постоянной, кинетическая энергия образуется
за счет энергии давления. На уменьшение энергии давления
указывает снижение уровня жидкости в вертикальной трубке.
Рис. 219. Труба видоизменена, как это показано на
рисунке. Для измерения давления служат две вертикальные
трубки. Положение первой трубки то же, что и на преды-
795
дущем рисунке; она вставлена в широкую часть трубы. Вто-
рая трубка вставлена в узкую часть.
Поскольку объемный расход на всем протяжении этой ком-
бинированной трубы одинаков, линейная скорость жидкости
в узкой части должна быть больше, чем в широкой (стр. 196).
Ясно, что жидкость обладает большей кинетической
энергией в узкой части трубы. Любое увеличение кинетиче-
ской энергии в узкой части трубы неизбежно сопровождается
уменьшением энергии давления в этой части. Когда скорость
в узком участке достаточно велика, давление падает ниже
атмосферного. Если это происходит, воздух вталкивается
атмосферным давлением в трубу через вертикальную трубку.
Рассматривая все эти вопросы, мы не учитывали вязко-
сти жидкости. Влияние вязкости выражается в потере энер-
гии, которая переходит в теплоту трения при движении
потока по прямым трубам, а также прп любом изменении дна
метра трубы. В идеальной невязкой жидкости происходит
не потеря энергии, а превращение энергии давления в кине-
тическую энергию и наоборот.
Эволюция инжектора
Рпс. 220. Газовый поток проходит через сужение в трубке.
Первый манометр показывает положительное давление (т. е.
выше атмосферного), второй манометр, установленный в сужен-
1Ь9
ном месте, — отрицательное. Длина стрелок изображает сред-
ние линейные скорости газа в различных точках вдоль трубки.
Рис. 221. Трубка несколько видоизменена, но принцип
действия тот же. Манометр в суженной части заменен боко-
Рис. 220.
вой впускной трубкой. Поскольку давление здесь ниже атмо-
сферного, воздух всасывается (пли увлекается) в трубку,
увеличивая поток газа.
Рис. 222. Трубка подвергнута дальнейшим видоизмене-
ниям. Суженная часть заменена соплом. Часть трубкп, распо-
ложенная вниз по потоку от сопла и имеющая особую форму,
известна под названием диффузора.
Рис. 223. Инжектор. Нетрудно проследить его эволюцию
начиная с рис. 221.
В инжекторе соответствующей конструкции конечный
состав смесп не зависит от объемного расхода «ведущего» газа
200
и определяется лишь размером впускного (всасывающего)
канала. Здесь этот размер регулируется вентилем.
Функция конусного диффузора заключается в том, чтобы
снижать турбулентность, когда поток газа замедляется в
расширяющейся трубке, превращать как можно больше кине
тической энергии в энергию давления, увлекать большой
объем газа и обеспечивать независимость этого объема от
колебаний сопротивления или давления дистально к диффу-
зору. Такие условия создаются при переходе газовой смеси
из инжектора в дыхательный мешок.
Увлечение газа есть результат не только всасывающего
эффекта быстрой струи «ведущего» газа т, но и его движу-
щей силы, действующей на неподвижный газ, окружающий
сопло.
История создания инжектора
Впервые всасывающие свойства быстрой струи, направ-
ляемой через сопло, были использованы в 1827 г. в патрубке
для тяги в дымовой трубе паровоза. Отработанный пар
выпускался через сопло в трубе для всасывания воздуха
через топку с целью ускорить сгорание топлива. Это устрой-
ство имело лишь умеренный успех, но когда внутреннюю
часть дымовой трубы начали выполнять в форме трубкп Вен-
тури (около 1850 г.), оно стало очень эффективным.
Создателем инжектора следует считать Джеймса Томсона
(Thomson), брата лорда Кельвина. В 1852 г. он сконструиро-
вал свой водоструйный насос, в котором быстрая струя воды
выбрасывается через сопло в трубку Вентури соответствую-
щей формы, теперь называемую диффузором. Эта простая и
в то же время эффективная комбинация дала возможность
дренировать большие объемы воды в низменных районах.
1 Факт сжимаемости газов не учитывается, хотя оп имеет сущест-
венно важное значение для конструкции инжектора, если газ подается
к соплу под высоким давлением.
201
Применение инжектора для подачи газовых смесей
постоянного состава
Рис. 224. Кислород из баллона выходит через сопло
инжектора со скоростью 4 л/мин (левый поплавок). Кран
трубки для всасывания воздуха (правый поплавок) закрыт.
Рис. 225. Кран полностью открыт. Правый поплавок этого
дозиметра показывает, что за 1 минуту всасывается 1 л воз-
202
духа. Смесь, выходящая из диффузора, состоит из 4 объемов
кислорода п 1 объема воздуха; концентрация кислорода в
ней равна: 100 (4 + 0,2):5 = 84%.
Рис. 226. Поток кислорода увеличен до 8 л/мин. Это
вызывает всасывание 2 л воздуха в минуту. Несмотря на
изменение расхода ведущего газа, процентный состав смеси,
выходящей из диффузора, оста-
ется постоянным: 100(8 4-0,4):
: Ю = 84%.
В рассматриваемых памп ин-
жекторных устройствах конеч-
ный состав смеси зависит от сте-
пени открытия крапа на трубке
для всасывания воздуха и от
конструкции аппарата. Прп
закрытом кране вокруг сопла
все еще создается отрицатель-
ное давление, но прп этом
не происходит никакого вса-
сывания и «ведущий» газ вы-
ходит в чистом виде. По мере
постепенного открывания крана
всасывается все большее коли-
чество воздуха г.
Простым примером может
служить горелка Вупзепа. Ка-
менноугольный газ проходит
через сопло, расположенное в
основании горелки. Когда бо-
ковое отверстие закрыто, воз-
дух не всасывается. Каменноугольный газ горит желтым
пламенем. Когда боковое отверстие открыто (рпс. 227), про-
исходит всасывание воздуха п смесь горит характерным
горячим сипим пламенем. Конечный состав смеси каменно-
угольного газа и воздуха зависит в основном от степени откры-
тия бокового отверстия, а не от установки газового крана.
Наркотические смеси
Первую ссылку в литературе по анестезиологии [1] на
применение инжектора можно найти в описании аппарата,
запатентованного Марстоном (Marston) [2] в 1898 г.
Этот аппарат, упрощенная схема которого показана на
рпс. 228, включал в себя и другие остроумные решения,
основанные на глубоком знании физики. Дыхательный мешок
1 В инжекторе соответствующей конструкции «ведущий» газ может
увлекать такое количество воздуха, которое в 20 раз превышает его
собственный объем
203
уже тогда не представлял собой ничего нового, а металлическая
напорная камера была всего лишь компактной модификацией
громоздкой камеры Кловера (рпс. 4), содержимое которой,
находясь под атмосферным давлением, быстро истощалось.
Новизна аппарата заключалась в инжекторе п кране,
который регулировал количество всасываемого воздуха; таким
Рпс. 228.
образом, концентрация и крепость наркотизирующих паров,
подаваемых больному, была известна и могла произвольно
регулироваться. Этот аппарат был предназначен в основном
для хлороформа, по его можно было использовать и для
подачи паров любого другого жидкого анестетпка.
Металлический баллон имеет емкость 15 л. Исходя из
графика на рис. 50, прп комнатной температуре 19'С макси-
мальное парциальное давление паров хлороформа в воздухе
равно 150 мм ртутного столба. Для насыщения 15 л воздуха
в баллоне парами хлороформа требуется ввестп и испарить
10 см3 жидкого хлороформа. На этом этапе давление в баллоне
равно 1 атм. и концентрация паров хлороформа1 составляет:
150
----• 100 = 20%. Прп дальнейшем нагнетании воздуха в
760
1 Для упрощения расчета мы предполагаем, что объем воздуха,
эквивалентный объему паров хлороформа, вышел из баллона.
204
баллон давление в нем повышается, парциальное давление
паров хлороформа остается прежним. Когда манометр пока-
зывает 2 атм. (абсолютное давление), концентрация паров
150
хлороформа равна:	•100=10%. Если путем дальней-
шего нагнетания поднять давление до 5 атм., концентра-
150
цпя паров хлороформа становится равной:	' Ю0 = 4%.
На этом этапе объем воздуха в баллоне в 5 раз больше (75 л),
чем при атмосферном давлении.
Если теперь открыть кран Р, из сопла будет выходить
4% пары хлороформа. Регулятор отверстия для всасывания
воздуха очень прост; он имеет соответствующую градуировку,
поэтому пары, выходящие из баллона, могут быть разведены
воздухом в известных пропорциях. Когда кран полностью
открыт, на один объем выходящего через сопло газа всасыва-
ется 9 объемов воздуха. Таким образом, путем перестановки
регулятора можно получать смесь паров хлороформа и воз-
духа в концентрацпп от 4 до 0,4%.
Дистально к инжектору в аппарате Марстона нетрудно
узнать неотъемлемые части любого аппарата с непрерывным
потоком — дыхательный мешок п широкий дыхательный шланг.
Сравните с рис. 272 на стр. 245.
Кислородная терапия
Рпс. 229. Кислород из баллона выходит через сопло
инжектора [3] . Кацал для всасывания воздуха закрыт пово-
ротным диском, в котором просверлены отверстия различных
размеров. Повертывая диск, можно получить совпадение
любого отверстия с всасывающим каналом.
На этом рисунке диск стоит в таком положении, когда
индикатор указывает па 40. Здесь всасывающий капал сов-
падает с самым большим отверстием и поэтому всасывается
максимальное количество воздуха. Прп такой установке один
объем кпелорода увлекает три объема воздуха и выходящая
смесь содержит 40% кпелорода. Диск можно повертывать
до совпадения любого более мелкого отверстия с отверстием
для всасывания воздуха: тогда объем засасываемого воздуха
будет соответственно меньше. Если диск повернут в такое
положение, когда индикатор указывает на 100, всасывающее
отверстие полностью закрыто и через диффузор выходит
чистый кислород. Когда диск установлен, то цифра, на кото-
рую указывает индикатор, дает концентрацию кпелорода в
смеси, выходящей из инжектора. Эта концентрация не зави-
сит от изменений скорости потока кпелорода из баллона.
Прп использовании этого метода подачи кислорода применяют
205
Кислород
дыхательный мешок с невозвратными клапанами (рис. 230).
Дозиметр не требуется: расход газа установлен на такую
величину, чтобы поддерживать мешок в умеренно наполнен-
ном состоянии. Если подача кислорода прекращается, это
становится сразу же заметным по «спущенному» мешку.
Данный метод имеет и другие преимущества. Можно пода-
вать больному кислород в любой требуемой концентрации,
а при желании постепенно «отучать» его от высоких концен-
траций, переводя на более низкие. Повторного вдыхания
здесь нет.
Аппарат для анальгезии смесью закиси азота
и воздуха [4]
Закись азота из баллона выходит перемежающимся потоком
через сопло, увлекая воздух через отверстие, размер которого
таков, что конечная смесь закиси азота и воздуха содержит
50% воздуха. Смесь проходит в резиновую камеру, из кото-

Рпс. 232.
рой ее вдыхает больной. Внутри камеры имеются два рычага,
которые под действием пружины стремятся разойтись в сто-
роны и закрыть сопло. Для противодействия этой пружине
в камере необходимо получить отрицательное давление
порядка нескольких миллиметров водяного столба. Это отри-
цательное давление создается вдыхательным усилием больного.
Рис. 231. При вдохе камера спадает, рычаги сближаются,
преодолевая силу пружины, и диск отходит от сопла, освобож-
207
дая выход для газа. Воздух всасывается и смесь идет к
больному.
Рпс. 232. Когда вдох прекращается, камера наполняется
газовой смесью. Теперь пружина может раздвинуть рычаги;
диск поднимается н закрывает сопло Газ выходит только
после вдоха; если снять маску с лица, подача закиси азота
автоматически прекращается.
Портативный отсасывающий аппарат
Принцип инжектора используется для отсасывания уже
около 100 лет, причем ведущей средой является пар или вода.
Саер (Saher) и Солт (Salt) [5] применили этот принцип
в отсасывающем аппарате для наркозных целей, используя
сжатый газ. Таким путем всегда
можно получить отсасывание,
имея под рукой баллон с кис-
лородом или другим сжатым
газом. Авторы использовали
этот портативный отсасываю-
щий аппарат для оказания не-
отложной помощи в больничных
палатах, где не было других
средств отсасывания.
Рис. 233. Отсасывающий
аппарат в собранном виде. Под
баллоном виден ножной регу-
лятор. На двух последующих
рисунках показаны отдельные
узлы аппарата.
Рпс. 233.
Рис. 234.
Рис. 234. Ножной регулятор инжектора. Кислород выходит
лишь тогда, когда пружина сжата ногой. Как только опе-
ратор поднимает ногу, отсасывание прекращается.
208
Рис. 235. Принцип действия аппарата. Кислород, выхо-
дящий через сопло инжектора, увлекает воздух. В сосуде
создается вакуум. Отсасываемая через трубку жидкость соби-
рается в сосуде. При давлении кислорода, подаваемого к
соплу инжектора, 3,16 кг/см2 (3 атм.) можно получить отри-
Рис. 235.
цательное давление — 400 мм водяного столба, расход кисло-
рода при этом составляет около 20 л /мин.
Кислородная палатка Хейдбрпика
Рис. 236. Кислород подается через сопло инжектора. Под
действием создаваемого таким образом отрицательного давле-
ния воздух и другие газы отсасываются пз палатки. Угле-
кислый газ поглощается патронной известью, а водяной
пар конденсируется в баке со льдом. Кислород и воздух
вновь поступают в палатку в охлажденном и сухом виде.
Завод-изготовитель заявляет, что инжектор прекрасно обес-
печивает циркуляцию воздуха в палатке. По заводским дан-
ным, расход кислорода через сопло инжектора, составляющий
всего 3 л/мин, достаточен для циркуляции объема воздуха,
в 40 раз превышающего эту величину. Если расход кислорода
увеличить до 5 л/мин, скорость циркуляции станет в 50
раз больше скорости потока кислорода.
Рассмотренные нами различные примеры использования
инжектора отражают лишь небольшую часть тех многочислен-
14 Физика для анестезиологов
209
ных возможностей этого устройства, которые применяются в
наркозных и других связанных с ними медицинских аппара-
тах. Например, во многих современных наркозных аппаратах
инжектор является составной частью механических респира-
торов, которые обеспечивают фазы как положительного, так
п отрицательного давления.
Рис. 236. Дозиметр с водяным затвором.
ЛИТЕРАТУРА
1.	Marston R. The anaesthetist’s pocket companion, p. 48 ff. Leicester,
1899.
2.	Marston R. Brit. Pat., 1898, 17237.
3.	Cowan S. L. a. Mitchell J. V. Brit. Med. J. i, T18—9, 1942.
4.	T a ] 1 e у H. A. E. Brit. J. Anaesth., 1942—3, 18, 81—7 ; cf. p. 82.
5.	S a h e r N. F. a. Salt R. Brit. med. J. i, 1943, 790.
6.	M u s h i n W. W. a. Rendell-Baker L. The principles of thoracic
anaesthesia, p. 82. Oxford, 1953.
ГЛАВА XVII
РАСТВОРЕНИЕ ГАЗОВ
Газы поглощаются жидкостями. Это доказывают такие
повседневные явления, как:
а)	выделение пузырьков воздуха, поглощенного водой,
прп нагревании ее, скажем, до 60°С;
б)	способность рыб жить в воде;
в)	выделение поглощенного углекислого газа в сифоне с
содовой водой прп нажиме па рукоятку, когда струя воды
выбрасывается из крана и давление в сифоне понижа-
ется.
Когда газ находится в контакте с жидкостью, молекулы
газа в своем непрерывном движении наталкиваются па по-
верхность жидкости. Некоторые из них смешиваются с моле-
кулами жидкости или, как мы говорим, растворяются.
Рис. 237. Кислород под давлением в 1 атм. (абсолютное
давление) впускают в сосуд, наполненный на 9/10 недавно
прокипяченной (и поэтому свободной от воздуха) водой прп
20°С. Некоторое количество газа растворяется в воде, и после
того, как установилось равновесие, давление кислорода падает
от 1 до 3/4 атм.
Рис. 238. Здесь начальное давление кислорода, находя-
щегося в контакте с водой, равно 2 атм., т. е. вдвое выше,
чем на рис. 237. Падение давления в 2 раза больше, чем в
предыдущем опыте; это показывает, что кислорода раствори-
лось в 2 раза больше.
Рис. 239. Повторяется опыт, показанный на рис. 237,
по температура воды уже не 20, а 40°С. Количество раство-
ренного кислорода меньше. Предполагается, что манометры
показывают абсолютное давление.
Вывод. Количество газа, которое поглощается в жид-
кости, прямо пропорционально давлению этого газа (закон
Генри). Это количество зависит от температуры жидкости:
чем выше температура, тем меньше газа переходит в рас-
твор.
211
Насыщенные растворы газов
Прп любой дайной температуре и давлении газ раство-
ряется в данной жидкости только до определенной степени.
Когда газ больше не растворяется в жидкости, наступает
состояние равновесия между газом над жидкостью и газом,
Рис. 237.
Рпс. 238.
Рпс. 239.
растворенным в ней. В этом случае говорят, что жидкость
полностью насыщена газом прп дайной температуре п давле-
нии и давление газа в растворе 1 равно парциальному давле-
нию газа над жидкостью, с которой он находится в равно-
весии.
Пример. Парциальное давление кпелорода в легочных
альвеолах равно 100 мм ртутного столба. Если предполагать,
1 Для обозначения парциального давления газа, растворенного в
жидкости, авторы пользуются термином «напряжение» (tension) газа
в жидкости. Прп переводе мы отказались от этого мало распространен-
ного термина (прим. род.).
212
что кислород в крови, прошедшей через легкие, находится
в равновесии с альвеолярными газами т, его давление равно
100 мм ртутного столба.
Это определение «давления» растворенного газа дает ключ
к методу измерения давления газа (скажем, кпелорода) в
жидкости (скажем, крови). Небольшие объемы крови приво-
дят в контакт с кислородом, находящимся под различными
известными давлениями, пока не подбирают такое давление,
при котором кислород ии входит в кровь, пи выходит из
нее. В этом случае кислород, растворенный в кровп, находится
в равновесии с кислородом, который служит индикатором.
Тогда давление кпелорода в крови равно давлению кпелорода,
с которым кровь находится в контакте.
Определение давления кислорода в пробе крови
Рпс. 240, а. Порцию пробы кровп помещают в колбу,
которую соединяют с закрытым шарообразным сосудом,
содержащим кислород под давлением 40 мм ртутного
столба.
Рис. 240,6. Кран открыт и газообразный кислород при-
ходит в контакт с кровью. Давление кпелорода повышается
до 50 мм ртутного столба и кровь становится более темной.
Кислород перешел из крови в верхний сосуд.
Рпс. 241, а. Для другой порции пробы кровп берут кис-
лород под давлением 120 мм ртутного столба.
Рис. 241, в. Когда кран открывают, давление в сосуде
с кислородом падает до 110 мм ртутного столба. Кислород
перешел из верхнего сосуда в кровь.
Рпс. 242, а и в. Пробу крови приводят в контакт с кис-
лородом под давлением 90 мм ртутного столба. Когда откры-
вают кран, давление не изменяется. Кислород в кровп нахо-
дится в равновесии с кислородом в верхнем сосуде. Следо-
вательно, давление кпелорода в кровп равно 90 мм ртутного
столба.
Прп равной температуре и давлении в любой данной
жидкости различные газы растворяются в разной степени
(табл. 7).
Мерой количества газа, которое растворяется в данной
жидкости, является «коэффициент растворимости» газа в этой
жидкости 1 2. Величины его для различных газов в воде даны
на стр. 393.
1 Полного равновесия может и не быть из-за неравномерной вен-
тиляции легких и по другим причинам [1].
2 Правильнее употреблять название «козффициент абсорбции-»,
которое происходит от латинского слова absorbtio — поглощение.
Соответственно растворение газа в жидкости, с которой он химически
не взаимодействует, называется абсорбцией (прпм. ред.).
213
Рис. 242.
Существует много коэффициентов растворимости. Обще-
принятым коэффициентом считается объем газа (в кубических
сантиметрах при нормальной температуре п давлении), кото-
рый растворяется в 100 см3 растворителя, когда парциаль-
ное давление газа равно 1 атм.
Коэффициент растворимости уменьшается с повышением
температуры, которую поэтому всегда следует указывать.
Рис. 243.
Рпс. 244.
Рис. 243. 800 см3 воды при температуре тела, находясь
в контакте с азотом под давлением 1 кг/см2 (около 1 атм.),
растворяют 11,2 см3 азота.
Таблица 7
Растворимость газов в воде
Газ (растворенный в воде)	Коэффициент раствори- мости при	
	о°с	40°С
Кислород 		4,9	2,3
Азот		2,4	1,2
Углекислый газ1 		170	53
1 Этот высокий коэффициент обусловлен химической
реакцией СО2 с водой, при которой образуется угольная
кислота.
215
Рпс. 244. Прп тех же самых условиях растворяется 21,5 см1 * 3
кислорода. Прп 37°С коэффициенты растворимости азота
и кислорода в воде относятся друг к другу как 11,2 к 21,5.
Интересно сравнить вес газа (скажем, кислорода), раство-
ренного в воде, с весом твердого тела.
Кислород в легочных альвеолах имеет парциальное давле-
ние 100 мм ртутного столба. При этом давлении в 100 см3
воды растворяется 0,3 см3 кислорода. Поскольку плотность
кислорода равна 1,3 г/л, вес кислорода, который растворя-
ется в 100 см3 воды, равен: 0,3-(1,3:1000) = 0,0004 г. Серно-
кислый барий считается «нерастворимым». Фактически в 100см3
воды растворяется 0,0003 г.
Кислород растворяется одинаково в плазме и в воде.
Поразительно, что постоянная концентрация 0,0004г кисло-
рода па 100 см3 плазмы достаточна для доставки всего кисло-
рода, который необходим для метаболизма тела. Это воз-
можно за счет: 1) неисчерпаемых запасов кислорода в гемо-
глобине и 2) тесного контакта между плазмой и тканевыми
клетками и малых расстояний диффузии кислорода в клетки.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
1. Кислородная терапия
Парциальное давление кислорода в альвеолах, когда
воздухом дышат на уровне моря, равно 100 мм ртутного
столба. В этих условиях артериальная кровь содержит 20 см3
кислорода на 100 см3 крови. Из них 19,7 см3 связаны с ге-
моглобином в красных кровяных тельцах, а остальные
0,3 см3 растворены в плазме. График на рпс. 62 показывает,
что при парциальном давлении кислорода в альвеолах 100 мм
ртутпого столба гемоглобин в крови, выходящей пз легких,
практически насыщен кислородом, если опять предполагать,
что установилось равновесие (стр. 212). Поэтому любое повы-
шение парциального давления кислорода в альвеолах может
привести лишь к очень небольшому увеличению количества
кислорода, переносимого гемоглобином.
Однако .количество кислорода, растворенного в плазме,
прямо пропорционально парциальному давлению кислорода,
находящегося в контакте с плазмой, т.е. в альвеолах. При
дыхании чистым кислородом парциальное давление кислорода
в альвеолах может повыситься от 100 почти до 700 мм ртут-
ного столба. В результате количество кислорода, раство-
ренного в плазме, увеличивается в 7 раз — от 0,3 до 2,1 см3
кислорода на 100 см3 крови. Увеличение общего количества
кислорода, переносимого кровью, составляет лишь 10%. Тем
не менее увеличение ^количества растворенного кислорода
имеет большое значение, поскольку перепое кислорода из
крови в ткани происходит путем диффузии, а скорость этого
процесса прямо пропорциональна разности давленмй кисло-
рода в плазме и тканях.
2.	Ингаляции кислородом для лечения вздутия живота
Тот факт, что газы в теле стремятся прийти в равновесие
с газами в крови, Файн [2] использовал для разработки цен-
ного лечебного метода.
Послеоперационное вздутие живота причиняет страдания
больному п может стать серьезным осложнением. Из-за непри-
ятного ощущения в животе больной глотает воздух, который
в результате кишечной атонии скапливается в кишках. Это
усугубляет неприятное ощущение, больной продолжает гло-
тать воздух и в результате образуется порочный круг. Газы
в кишечнике и крови стремятся прийти в равновесие. Кисло-
род переходит пз кишечника в венозную кровь, где его давле-
ние ниже. Однако давление азота в крови по существу такое
же, как и в кишечнике, поэтому условий для перехода нет.
Вздутие может принять опасные размеры.
В обычных условиях скопившийся в кишечнике азот
может выходить только через концы пищеварительного тракта.
Однако если больной дышит чистым кислородом, парциальное
давление азота в альвеолах быстро падает. Давление азота
в крови уменьшается. Теперь азот переходит из кишечника
в кровь, а оттуда в альвеолы, п живот спадает. В течение
нескольких часов можно получить поразительные резуль-
таты .
Точно таким же образом ингаляция кислородом часто
излечивает головную боль, которая может появиться после
аэроэнцефалографпп. В этом случае воздух вводят в желу-
дочки мозга, чтобы получить их контур для последующей
рентгенографии. Причиной головной боли считают остаточный
азот, рассасывание которого ускоряется кислородной ингаля-
цией [3] .
3.	Воздушная эмболия
Азот растворен в тканях и крови. Его давление в них
уравновешено парциальным давлением азота в альвеолах,
которое на уровне моря составляет около 570 мм ртутного
столба.
Летчик при подъеме испытывает на себе постепенное пони-
жение атмосферного давления. Одновременно происходит
соответствующее падение парциального давления азота в аль-
217
веолах его легких. Даже при медленном подъеме азот, раство-
ренный в теле, не успевает прийти в равновесие с азотом в
альвеолах. Благодаря медленной диффузии и более высокой
растворимости азота в жировых тканях азот в тканях, осо-
бенно в жировых, отстает от азота в крови и еще более от
азота в легочных альвеолах. Ткани перенасыщаются газом.
Начиная с 5500 м и выше в тканях образуются пузырьки
азота, особенно в тканях с высоким содержанием жира и
слабым кровоснабжением. На высоте более 9000 м пузырьки
азота могут образоваться в крови.
Наличие пузырьков в тканях и сосудах вызывает симптомы,
которые зависят от места расположения пузырьков. Быстрый
спуск в короткое время устраняет эти симптомы, так как
азот вновь растворяется.
То же явление, называемое в этом случае болезнью сжатого
воздуха или кессонной болезнью, может явиться следствием
работы в кессоне или подводной работы в водолазном ска-
фандре на больших глубинах. Здесь воздухом дышат под
давлением до 10 атм. (эта цифра соответствует глубине 90 м).
Дыхание воздухом при очень высоких давлениях, во время
которого парциальное давление азота в альвеолах может
повыситься до нескольких тысяч миллиметров ртутного столба,
приводит к большому увеличению количества азота, раство-
ряемого в тканях.
При декомпрессии содержание азота в альвеолах снижается,
но снижение уровня азота в тканях и кровп происходит
более медленно. Когда давление падает более чем вдвое, в
тканях п крови могут появиться пузырьки азота. Поэтому
на практике декомпрессию производят постепенно, в несколько
этапов. Водолаза помещают в воздушную камеру п он остается
там в условиях постоянного давления до тех пор, пока его
ткани п воздух в альвеолах не приблизятся к состоянию
равновесия. Затем давление в камере снижают, причем за
один раз оно не должно снижаться более чем вдвое. В случае
появления симптомов кессонной болезни немедленно произво-
дится рекомпресспя.
4.	Ингаляция наркотическими газами при положительных
давлениях
Оксигенацию больного нельзя существенно улучшить путем
повышения давления, прп котором вдыхается наркотическая
смесь т. Высказывалось мнение, что во время газокпело-
1 Последующее обсуждение не следует смешивать с выводами,
полученными Бертом (Bert) [5] в 1879 г. В его опытах больной поме-
щался в камеру, где давление было значительно выше атмосферного.
218
родного наркоза повышение давления хотя бы на 20 мм ртут-
ного столба может сделать достаточной такую концентрацию
кпелорода в смеси, которой раньше не хватало. Это мнение
не подтверждается ни практикой, ни анализом соответствую-
щих физических явлении.
Рассмотрим смесь из 12% кпелорода н 88% закиси
азота.
Прп дыхании в условиях атмосферного давления парциаль-
12
ное давление кпелорода в этой смеси равно:	• 760 = 91 мм
ртутного столба.
Парциальное давление кпелорода в альвеолах [6] равно
35 мм ртутного столба.
При дыхании смесью, давление которой на 20 мм ртутного
столба выше атмосферного (780 мм ртутного столба), пар-
12
циальное давление кислорода равно • 780=94 мм ртутного
столба.
Полагая линейную зависимость между давлениями вды-
хаемого и альвеолярного кислорода в этом узком диапазоне,
парциальное давление кислорода в альвеолах равно:
94
- .35=36 мм ртутного столба.
91
Парциальное давление кислорода в альвеолах повысилось
от 35 до 36 мм ртутпого столба, т. е. на 1/35.
Следовательно, увеличение количества растворенного кис-
1
лорода равно: — • 0,3 см3 = 0,009 см3 па 100 см3 крови.
За
График на рис. 62 показывает, что увеличение количества
кислорода, связываемого гемоглобином, при повышении дав-
ления кпелорода от 35 до 36 мм ртутного столба, также явля-
ется ничтожно малым.
В обычных клинических условиях не рекомендуется пода-
вать больному наркотические газы при положительных давле-
ниях выше 30 мм ртутного столба.
Чрезмерное положительное давление в легких оказывает
нежелательные физиологические эффекты на кровообраще-
ние [7] .
В современной клинической практике улучшения оксигена-
ции следует добиться не повышением давления газовой смеси,
а увеличением концентрации кислорода во вдыхаемой смеси.
Парциальные давления всех компонентов выдыхаемо!! смеси были повы
пгены. Таким путем оксигенацию можно было значительно улучшить.
Прп этом разпость давлении между альвеолярными газами и окружа-
ющим воздухом была пе больше, чем в норме, и кровообращение не
ухудшалось.
219
ЛИТЕРАТУРА
1.	Riley R. L. et al. J. Appl. Physiol., 1951, 4, 102—120.
2.	Fine J. et al. Ann. Surg., 1936, 103, 375—387.
3.	Schwab R. S. et al. J. nerv. ment. Dis., 1936, 84, 316—320.
4.	Armstrong H. G. Principles and practice of aviation medicine,
2 nd ed., London, 1943, p. 356 ff.
5.	D u n c u m В. M. The development of inhalation anaesthesia, London,
1947, p. 360 ff.
6.	Macintosh R. R. a. Bannister F. B. Essentials of general
anaesthesia, 5th ed., Oxford, 1952, p. 55.
7.	Hubay C. A. et al. Anesthesiology, 1954, 15, 445—461.
ГЛАВА XVIII
ДИФФУЗИЯ и осмос
Молекулярное движение
В отличие от молекул твердого тела молекулы в жидкостях
пли газах свободно передвигаются по всему объему вещества.
Путь каждой молекулы (рпс. 1) имеет форму ломаной линии
в результате частых столкновений с другими молекулами,
но движение происходит во всех направлениях и практически
не зависит от силы тяжести. Время, за которое молекула
проходит определенное расстояние на своем зигзагообразном
пути, зависит от близости ее соседей. Чем ближе друг к
другу находятся молекулы, тем больше число столкновений
между ними и тем больше времени требуется молекуле,
чтобы пройти определенное расстояние в данном направле-
нии. На беговой дорожке спринтер может пробежать 100
метров за 10,1 секунды. Для преодоления такой же дистан-
ции на переполненном людьми тротуаре времени требуется
гораздо больше и оно определяется в основном количеством
столкновений на пути.
В комнатных условиях межмолекулярные расстояния в
газах относительно велики и молекулы покрывают значи-
тельные расстояния за короткое время, поскольку число
столкновений между ними сравнительно мало. Представле-
ние о больших межмолекулярпых пространствах в газе по
сравнению с жидкостью дают следующие факты.
Как мы уже видели (стр. 16), 1 см3 жидкого эфира пре-
вращается в 220 см3 паров эфира при нормальной темпера-
туре и давлении; 1 см3 хлорэтила превращается в 340 см3
паров в комнатных условиях. Молекулы, которые вначале
занимали 1 см3, теперь рассеяны на пространстве 340 см3.
Если взять воду, то разница между объемами жидкости
и пара еще больше. 1 см3 воды превращается в 1600 см3
водяного пара прп точке кипения. Молекулы занимают лишь
1/еоо часть объема пара; все остальное является межмоле-
кулярным пространством. Расстояние между молекулами в
221
этом паре равно \/1600 или приблизительно в 12 раз больше,
чем в жидкости, из которой он образовался.
В газе молекула не обязательно сталкивается со своим
ближайшим соседом. Среднее расстояние («средняя длина
свободного пробега»), покрываемое молекулой между двумя
столкновениями, во много раз больше, чем межмолекулярный
промежуток. При нормальной температуре и давлении число
Лошмидта А = 2,68-1019 молекул/см3 (см. стр. 13). Поэтому
среднее расстояние между двумя соседними молекулами опре-
деляется по формуле 1/|/L см, что равняется 33 А 1 2. Сред-
няя длина свободного пробега молекулы азота в этих условиях
составляет около 1000 А (подстрочная сноска на стр. 10), т. е.
в 30 раз больше среднего расстояния между молекулами.
Диффузия в газах и жидкостях [1]
Рис. 245. а) Сосуд, содержащий кислород (красные
точки), поставлен вверх дном на сосуд с углекислым газом
(синие точки). Оба газа имеют одинаковое давление. Сосуды
разделены пластинкой. Сосуд, содержащий более легкий пз
двух газов, помещен сверху, поэтому сила тяжести будет
стремиться сохранять разделение газов после удаления пла-
стинки .
б)	Пластинка удалена; через 4 минуты 25% каждого газа
проникло в другой газ путем диффузии.
в)	Через 9 минут 50% каждого газа смешалось с.другим
газом.
г)	Через 20 минут происходит смешивание газов на 75%.
Это молекулярное смешивание, плп диффузия, происходит
несмотря на противодействие силы тяжести.
Ри	с. 240. Повторяется предыдущий опыт, но вместо газов
используются жидкости.
а)	Верхний сосуд содержит воду, нижний — 5% раствор
глюкозы в воде (удельный вес = 1,024) 2.
б)	Стеклянная пластинка удалена; для перехода 25% моле-
кул каждой жидкости в другую жидкость требуется месяц.
в)	Смешивание на 50% происходит через 6 месяцев.
г)	Для смешивания на 75% потребовался год.
Этот процесс молекулярного смешивания называется диф-
фузией.
1 А — ангстрем, 1 А = 10— 8 см-
2 Уделыгый нес этого раствора часто дается как 1024, т. е. в 1000
раз больше. Эта величина основана па системе единиц МКС (метр-кпло-
грамм-секуида), согласно которой удельный вес чистой воды равен
1000 (килограмм на кубический метр).
222
Рпс. 245 и 246 показывают, что в газах прп нормальных
давлениях диффузия происходит во много раз быстрее, чем
в жидкостях.
В альвеолах вдыхаемый воздух легко диффундирует в
остаточный воздух. Прп спинномозговой анестезии диффузия
молекул анестезирующего вещества в спинномозговой жид-
Рис. 24 G.
кости происходит настолько медленно, что она не играет
никакой роли в распространении анестетика по спинномозго-
вому каналу. Фактически распространение обезболивающего
раствора в спинномозговой жидкости объясняется конвекцион-
ными течениями, которые образуются в результате действия
силы тяжести, механического смешивания прп инъекции плп
барботаже [2] плп артериальной пульсации.
Законы, управляющие диффузией
Чем больше разность концентраций растворенного веще-
ства в двух соседних слоях раствора, тем большее количество
вещества диффундирует в единицу времени пз слоя с большей
концентрацией в слой с меньшей концентрацией.
Согласно закону Фика (Fick) скорость диффузии прямо
пропорциональна градиенту концентрации, т. е. изменению
концентрации на единицу длины в направлении диффузии.
Диффузия из мест более высокой концентрации в места более
низкой концентрации происходит и в газах, но здесь этот
процесс лучше охарактеризовать следующим образом: ско-
рость диффузии газа в смеси прямо пропорциональна разности
223
парциальных давлений газа в двух соседних слоях смеси.
Это же положение применимо к газу, диффундирующему через
жидкость. Концентрация газа в жидкости выражается через
его давление (стр. 21.3).
При вдохе воздух втягивается до самых мелких бронхов.
Оттуда, из мест -высокого парциального давления кислорода,
этот газ диффундирует в альвеолы, а затем через мембрану
в венозную кровь, т. е. в среду с низким давлением кисло-
рода. Диффузии азота не происходит, поскольку парциальное
давление этого газа в альвеолах равно давлению его в
крови1.
Согласно кинетической теории газов, скорость молекул в
газе обратно пропорциональна квадратному корню из моле-
кулярного веса. Диффузия зависит от молекулярного дви-
жения; действительно, скорости диффузии газов при равных
парциальных давлениях через пористую керамическую пере-
городку или через определенные мембраны обратно пропор-
циональны квадратным корням из их молекулярных весов
(закон Грэхема).
Пример
Молекулярный вес кислорода равен 32; углекислого
газа — 44.
Скорость диффузии кислорода
Скорость диффузии углекислого газа
1/44
1/32
6,63	1,2
5,65 — 1
Таким образом, кислород диффундирует через сухую по-
ристую перегородку на 20% быстрее, чем углекислый газ.
Сравнение диффузии с потоком
Законы, управляющие потоком жидкости пли газа через
отверстие, по следует смешивать с законами, относящимися
к диффузии через мелкие поры. Основная разница между
этими двумя процессами заключается в том, что поток через
отверстие определяется плотностью, а диффузия через поры —
молекулярным весом жидкости или газа.
Между этими двумя процессами может иметь место ложная
аналогия, когда газы находятся прп атмосферном давлении,
поскольку в этом случае плотность прямо пропорциональна
1 Смсшпвапис молекул происходит даже прп нулевом градиенте
концентрации. Однако в этом случае равные числа молекул диффун-
дируют в обоих направлениях через любую воображаемую зону, по-
этому «полезное перемещение» через нес равно пулю.
224
Рис. 245.

молекулярному весу; пропорциональную зависимость для
потока:
_ 1
объемная скорость потока	—
^ПЛОТНОСТЬ
можно написать как:
- 1
объемная скорость потока 00 —	— .
^'молекулярный вес
Специфический пример для жидкостей еще более разъ-
ясняет это положение.
Если воду и жидкий эфир пропускать через одинаковые
отверстия под равными давлениями, эфир будет течь быстрее,
чем вода, потому что объемная скорость потока через отвер-
стие обратно пропорциональна квадратному корню из плот-
ности жидкости. Плотность эфира равна 0,74, плотность
воды — 1. Но молекулярный вес эфира гораздо больше, чем
молекулярный вес воды (74 : 18) и поэтому в соответствии с
законом Грэхема эфир диффундировал бы через пористую
перегородку более медленно, чем вода.
Диффузия через перегородки и мембраны
Газы не только свободно диффундируют в сосуде, как
это показано на рпс. 245, но могут проникать и через пере-
городки типа мембран. Скорости диффузии газов могут зави-
сеть от характера мембраны. В некоторых случаях разница
поразительна. Так, азот и углекислый газ диффундируют
через керамическую перегородку со сравнимыми скоростями.
В то же время резиновая камера почти непроницаема для
азота, тогда как углекислый газ диффундирует через ее
стенки с измеряемой скоростью.
Прп диффузии газа через водяную пленку следует учиты-
вать еще один фактор — растворимость газа в воде. Скорость
диффузии газа не только обратно пропорциональна квадрат-
ному корню пз молекулярного веса, но также прямо пропор-
циональна растворимости газа в жидкости.
Альвеолярная мембрана, всегда влажная, может рассма-
триваться как водяная пленка. Благодаря высокой раствори-
мости СО2 в воде диффузия этого газа происходит с большой
скоростью. Малая разность давлений по обе стороны альвео-
лярной мембраны достаточна для удовлетворительного выде-
ления СО2.
Полупроницаемые мембраны
Когда молекулы жидкости или газа проходят через тон-
кую пластинку, последнюю обычно называют мембраной.
Если мембрана пропускает те или иные молекулы, говорят,
что сна проницаема для этих молекул. Так, пергамент про-
15 Физика для анестезиологов
225
ницаем для воды, резина — для углекислого газа, филь-
тровальная бумага проницаема для газов и большинства
жидкостей и веществ, растворенных в них.
Диффузия пли молекулярное смешивание может происхо-
дить через проницаемую мембрану, по обе стороны которой
суммарные давления равны. Этот процесс следует отличать
от «молярного» перехода жидкости пли газа, который обусло-
влен разностью гидростатических давлений по обе стороны
мембраны. Эти два процесса могут происходить одновременно.
На рис. 257 мембрана, проницаемая только для воды,
разделяет два солевых раствора различных концентрации.
Молекулы воды проходят через мембрану в обоих на-
правлениях, но большее число их проходит из более слабого
раствора в более сильный; в конечном итоге концентрации
по обе стороны мембраны равны.
Мембрана, показанная на рпс. 43, проницаема для всех
веществ, используемых в этом опыте.
Следует четко уяснить, что диффузия является молеку-
лярным движением и ее нельзя смешивать с молярным дви-
жением, для которого необходимо приложение какой-то
внешней силы, например силы тяжести. Примером молярного
движения является фильтрация.
Мембраны различаются по своей проницаемости для
растворенных молекул п их растворителей. Некоторые (напри-
мер, фильтровальная бумага) полностью проницаемы для
всех растворенных веществ и их растворителей. Другие
пропускают только молекулы определенных веществ — отсюда
название полупроницаемые мембраны. Некоторые из них
препятствуют проходу всех растворенных молекул и пропус-
кают только растворители.
Пергамент определенного сорта является полупроницаемо!!
мембраной. Он проницаем для воды, но не пропускает трост-
никового сахара в растворе. Однако соль в растворе он
пропускает. Такая избирательность в данном случае объяс-
няется, по-видимому, меньшими размерами ионов соли.
Другие мембраны, например оболочки красных кровяных
телец, проницаемы для ионов натрия, но не пропускают ионов
калия. Здесь имеет значение какой-то иной фактор, поскольку
размеры этих ионов одинаковы.
Резиновая камера [3] может рассматриваться как полупрони-
цаемая мембрана, поскольку она пропускает СО2, но практически
непроницаема для таких газов, как кислород пли закись азота.
Осмос
Рис. 247. 1% раствор глюкозы налит в сосуд, дном кото-
рого служит полупроницаемая мембрана, проницаемая для
молекул воды, но не пропускающая молекул глюкозы. Этот
226
сосуд помещают в больший сосуд, содержащий воду. Моле-
кулы воды проходят через полупроницаемую мембрану и
разбавляют раствор глюкозы. Сосуд с глюкозой постепенно
погружается в воду, поскольку количество жидкости в нем
увеличивается. Переход воды из наружного сосуда во внут-
ренний сосуд с глюкозой прекращается, когда уровень
раствора глюкозы достигает определенной высоты.
Рпс. 248. Установилось равновесие. Разность гидроста-
тических давлений по обе стороны мембраны достаточна,
чтобы предотвратить дальнейшее проникновение воды в
раствор глюкозы, который уже сильно разбавлен.
В следующем опыте 1% раствор глюкозы также отделен
полупроницаемой мембраной от воды в наружном сосуде.
Стремлению воды пройти через мембрану п разбавить раствор
глюкозы противодействует давление ртутного столба, про-
талкиваемого вверх по капиллярной трубке. В начале опыта
наблюдается переход воды в уже полный сосуд с глюкозой.
Это небольшое увеличение объема вызывает поднятие ртути
в дистальном колене U-образной трубкп.
Рис. 249. Начало опыта. Полный сосуд с глюкозой сооб-
щается с U-образной трубкой, содержащей ртуть. Про-
ксимальное колено U-образной трубки в одном месте расши-
рено, чтобы образовать резервуар для ртути. Вытеснение
небольшого количества ртути из резервуара приводит к боль-
шому подъему ртутного столба в дистальном колене градуи-
рованной капиллярной трубкп.
Раствор глюкозы находится при атмосферном давлении,
на что указывают равные уровни ртути.
Рис. 250. Конец опыта. Когда устанавливается рав-
новесие, вода уже не проходит через мембрану в раствор
глюкозы и давление в сосуде с глюкозой больше не повы-
шается .
Можно видеть, что на этом этапе столб ртути имеет высоту
1000 мм. Иными словами, чтобы преодолеть стремление воды
227
проникнуть через полупроницаемую мембрану в раствор
глюкозы, необходимо давление 1000 мм ртутного столба.
Рис. 251. Схема полупроницаемой мембраны с молеку-
лами чистого растворителя (скажем, воды) с одной сторо-
ны и молекулами как воды, так и растворенного вещества
Мл. рт.ст
/ООО —
760 —
(например, глюкозы) с другой стороны. Обе жидкости произ-
водят одинаковые гидростатические давления. Полупроницае-
мая мембрана свободно пропускает молекулы воды, но не
пропускает молекул глюкозы. Вода свободно проходит
через мембрану в обоих направлениях, но, благодаря тому
что со стороны чистой воды к мембране подходит большее
число молекул воды, чем со стороны раствора, через мембрану
в раствор их проходит больше, чем в обратном направлении.
Процесс продолжается до тех пор, пока раствор не станет
бесконечно разбавленным. Эта миграция молекул растворите-
ля через мембрану называется осмосом.
На рпс. 248 и 250 показано, что переход чистого рас-
творителя в раствор можно предотвратить давлением, при-
228
лапаемым к раствору. Давление, которого как раз достаточ-
но для остановки этого перехода, известно под назвавши
осмотического давления раствора.
Изотонические растворы
Рис. 252. Находясь в растворе, моле-
кулы многих веществ распадаются на
ионы («дпссоцпруют») и каждый ион ведет
себя как отдельная частица. Например,
NaCI расщепляется на ионы Na+ и С1—.
Рис. 253. Другие вещества не дпссо-
цпруют, п их молекулы остаются мель-
чайшими частицами вещества в растворе.
В эту группу входят глюкоза и многие
другие органические соединения.
Молярным раствором вещества назы-
вается такой раствор, который содержит
1 моль вещества, растворенный в 1 л
конечного раствора1. Его можно приго-
товить, поместив 1 моль растворяемого
вещества в мерный сосуд и наполнив пос-
ледний водой (растворителем) до отмет-
ки 1 л.
Рис. 254. 29 г соли (NaCI—молеку-
лярный вес 58), растворенные в таком
количестве воды, чтобы получился 1 л
раствора, даютО,5—молярный (0,5М) рас-
твор соли.
Рис. 255. Поскольку молекулярный вес
безводной глюкозы (С6Н12О6) равен 180,
молярный раствор глюкозы содержит 180 г
Лолупроницаелгая
перегородка
Рпс. 251.
глюкозы на 1 л.
Рпс. 256. Осмотическое давление раствора зависит только
от числа частиц, растворенных в 1 л, а не от свойств раство-
ренного вещества2. Молярный раствор глюкозы и 0,5 М
раствор соли содержат равные количества частиц. Поэтому
осмотические давления этих двух растворов одинаковы.
При ОС 1 моль вещества, которое не диссоциирует
в растворе, например раствор глюкозы в 22,4 л воды, ока-
1 Определяемая таким образом молярность изменяется в зависи-
мости от температуры в результате расширения раствора прп нагре-
вании. Поэтому часто предпочитают выражать концентрации растворов
числом грамм-молекул растворенного вещества на 1000 г растворителя.
Выраженные подобным образом концентрации, известные под названием
моляльпых, не зависят от температуры.
2 Это положение в строгом смысле применимо только к очень
разбавленным растворам.
229
зывает осмотическое давление, равное 1 атм. Прп таких
разведениях осмотическое давление любого вещества прямо
пропорционально его концентрации, и уравнение, связываю-
щее давление и концентрацию, в данном случае такое же,
как и для идеального газа. Тем не менее давление газа
и осмотическое давление, строго говоря, явления несравнимые.
Молекула алористого
кат рая (PaCCJ
Молекула глюкозы
( Cgf^ieOp)
Рпс. 252.
Рпс. 253.
Рис. 257. Мешок из полупроницаемой мембраны содер-
жит 500 см3 0,5 М раствора хлористого натрия. Он погружен
в такое же количество одномолярного раствора той же самой
соли. Вода выходит из мешка в окружающий раствор. Мешок
сжимается и в конечном итоге концентрации соли в наружном
растворе и внутри мешка становятся одинаковыми (0,75 М).
Рис. 258. Здесь одномолярный раствор глюкозы в мешке
(желтый цвет) погружен в одномолярный раствор хлористого
натрия (зеленый). Вода выходит из раствора глюкозы в
солевой раствор; ни глюкоза, ни соль не могут пройти через
полупроницаемую мембрану. Осмотическое равновесие дости-
гается, когда мешок содержит 1,5 М раствор глюкозы, а
концентрация раствора хлористого натрия равна 0,75 М.
Рис. 259. Одномолярный раствор глюкозы в мешке окру-
жен 0,5 М раствором хлористого натрия. Вода по переходит
из одного раствора в другой, поскольку осмотические дав-
ления растворов равны между собой.
Гемолиз
Если каплю крови разбавить дистиллированной водой,
красные кровяные тельца разбухают, оболочки лопаются и
содержащийся в них пигмент выделяется наружу. В клини-
ческой практике эритроцит служит стандартом осмотического
давления и по отношению к нему дистиллированная вода
или даже 0,3% физиологический раствор являются гипото-
ническими. Прп добавлении к эритроцитам 10% физиологи-
ческого раствора вода из них вытягивается и они сжимаются.
Такой раствор является гипертоническим.
230
'глюкоза
Рис. 254.
Молярный
растбор
глюкозь
Рис. 256.
Рис. 257.
Рпс. 258.
Рис. 259.
Опытным путем установлено, что 0,9% физиологический
раствор или 5% раствор глюкозы являются изотоническими.
Тот факт, что эти растворы оказывают одно и то же осмо-
тическое давление, подтверждается следующими расчетами1.
0,9% раствор NaCl=9 г NaCl в 1 л раствора;
58 г NaCl в 1 л образуют одномолярный раствор.
9
Следовательно, 9 г образуют:—=0,15 М раствор.
58
5% раствор глюкозы = 50 г глюкозы в 1 л раствора; 180 г
глюкозы в1л образуют одпомолярный раствор. Следовательно,
50
50 г образуют:	= 0,28	0,3 М раствор.
Подкожные инъекции изотонического солевого раствора
пли раствора глюкозы безболезненны, тогда как инъекция
дистиллированной воды вызывает резкую боль, что может
легко проверить сам читатель.
Циркуляторный объем
В живом организме такие мембраны, как стенки капил-
ляров и оболочки тканевых клеток, проницаемы для большин-
ства веществ, растворенных в крови. Например, ионы хлора
(С1~) проходят через мембрану эритроцита в любом направ-
лении (диффузия) и конечным результатом является переход
из места высокой концентрации в сторону низкой. Однако
эти живые перегородки в то же время непроницаемы для
частиц других веществ (например, стенка эритроцита непро-
ницаема для ионов калия), и когда такие частицы име-
ются по одну пли по обе стороны мембраны, возникают явле-
ния осмоса. В организме этот процесс происходит одновре-
менно с диффузией, поскольку абсолютной непроницаемости
не бывает.
Стенка капилляра относительно непроницаема для суль-
фата натрия. Поэтому данную соль применяют внутривенно
для создания гпдремип. Первый эффект от введения сульфата
натрия заключается в повышении осмотического давления
крови; вода вытекает из тканей и происходит диурез. Однако
сульфат натрия хотя и медленно, но все же диффундирует
через капиллярную стенку и постепенно его концентрации
вне сосудов и внутри сосудов становятся одинаковыми.
«Осмотическая диффузия» — комбинированный термин, ха-
рактеризующий совместный процесс осмоса и диффузии,
который происходит одновременно во всех тех случаях,
когда в тело вводится соль.
1 См. также рис. 256.
231
Трансфузия
Для поддержания эффективного кровообращения сущест-
венно важен достаточный внутрисосудистый объем. Капилляр-
ные стенки проницаемы для всех веществ, обычно растворен-
ных в крови, за исключением белков (сывороточный глобулин
и альбумин). Механизм, посредством которого вещества
внутри и вне кровяного русла поддерживаются в равновесии,
тонко сбаланспрован. Давление фильтрации в капиллярах
(т..е. разность между кровяным и тканевым давлением)
выталкивает воду и кристаллоиды из капилляров путем филь-
трации, тогда как осмотическое давление (25—30 мм ртутного
столба) коллоидов (сывороточного глобулина и альбумина)
действует как всасывающая сила. Повышение кровяного дав-
ления может привести к увеличению количества экстравас-
кулярной жидкости.
Соль и глюкоза легко проходят через капиллярную стенку;
таким образом, вскоре устанавливается равновесие этих кри-
сталлоидов по обе стороны стенки. Вливание их не играет
большой роли в поддержании циркуляторного объема. Су-
щественно важным фактором является целостность сосудов,
переносящих кровь. Механизм регулировки жидкостного рав-
новесия тела легко нарушается травмой, необдуманной транс-
фузией, длительной аноксией и заболеванием. Все это увели-
чивает проницаемость капиллярных стенок вплоть до про-
пускания белков крови.
Повышенная проницаемость капилляров и пониженный
циркуляторный объем являются существенными признаками
«шока», но причина это или следствие шока — пока еще не
выяснено.
Для выхода из этого порочного круга необходимо безот-
лагательное переливание крови или плазмы. Любое улучше-
ние кровообращения и оксигенации может положить начало
восстановлению функции капилляров. Промедление же может
привести к необратимым повреждениям капиллярных стенок,
которые останутся проницаемыми для белков. Тогда уже
невозможно поддержать необходимый объем крови и доста-
точное кровообращение. В этих критических условиях пере-
ливаемая жидкость, даже кровь, не остается в сосудах;
происходит отек тканей, включая легкие.
Фильтрация
Многие мембраны (например, обычная фильтровальная
бумага) пропускают все растворенные вещества, не изменяя
их состояния, а оказывая лишь сопротивление их переходу,
для которого, таким образом, требуется только разность
давлений. Этот процесс фильтрации не зависит от концен-
трации веществ по обе стороны мембраны.
232
Подобно осмосу и диффузии (стр. 231), осмос и фильтрация
часто происходят одновременно. Та или иная мембрана может
свободно пропускать одни вещества и быть непроницаемой
для других.
При наличии разности гидростатических давлений по обе
стороны мембраны и растворитель, и молекулы, для ко-
торых мембрана проницаема, проходят через нее путем
фильтрации.
Проходу воды посредством этого процесса препятствует
осмотическое давление веществ, остающихся позади (т. е. не
проходящих через мембрану), которое «тянет» воду в проти-
воположном направлении. Давление фильтрации есть раз-
ность гидростатических давлений по обе стороны мембраны,
и оно должно быть больше, чем осмотическое давление до
начала фильтрации.
Функция почек
В здоровом организме почечный клубочек является как
полупроницаемой, так и фильтрующей мембраной, которая
препятствует проходу коллоидов, но фильтрует соли и многие
другие вещества в потоке крови.
Скорость фильтрации зависит от разности давлений между
двумя сторонами мембраны и, следовательно, от кровяного
давления.
Осмотическое давление коллоидов крови равно 30 мм
ртутного столба. Известно, что для преодоления сопротив-
ления почечных канальцев и остальной части мочевыводящего
тракта требуется давление 30—40 мм ртутного столба. По-
этому для функции почек требуется кровяное давление выше
70 мм ртутного столба.
Опасность длительного упадка кровяного давления оче-
видна .
Рис. 2G0, а — Два сосуда разделены перегородкой. Ле-
вый сосуд содержит раствор солей (хлористый натрий, моче-
вина и т. д.), для которых перегородка проницаема. Вес
поршня и гидростатическое давление жидкости обеспечивают
давление фильтрации, которое заставляет раствор проходить
через перегородку в неизмененном состоянии в правый сосуд
и вытекать через выпускное отверстие с определенной ско-
ростью .
в — Коллоид (глобулин), для которого перегородка непро-
ницаема, добавляется к раствору до тех пор, пока кон-
центрация глобулина не станет эквивалентна общей кон-
центрации коллоидов крови.
Осмотическое давление, обусловленное коллоидом, проти-
водействует давлению фильтрации. Отсутствие перехода жид-
233
кости через перегородку показывает, что осмотическое давление
больше.
с — К поршню прилагается спла, которая повышает
давление в левом сосуде на 30 мм ртутпого столба. Раствор,
содержащий соли, пропускаемые перегородкой, проходит
через нее с такой же скоростью, как в а. Осмотическое дав-
ление коллоида преодолено добавочным давлением 30 мм ртут-
ного столба.
Рис. 261, а — В правый сосуд вставлен поршень и к нему
приложена спла, создающая давление 40 мм ртутного столба.
Переход жидкости через перегородку прекращается, даже
если давление в левом сосуде повысить на 20 мм по сравне-
нию с предыдущим опытом.
в — Для противодействия давлению 40 мм ртутного столба
в правом сосуде и для обеспечения тока жидкости давление
в левом сосуде должно быть повышено на 40 мм по сравнению
с тем, которое указано на рис. 260, с. Жидкость опять про-
ходит через перегородку с той же скоростью, что и на рис.
260, с.
Рис. 261, в может служить схемой функции почки. Пере-
городка изображает клубочковую мембрану, левый сосуд —
234
артериальную кровь, а правый сосуд — мочевыводящнй тракт
с постоянным противодавлением около 40 мм ртутного столба.
Для просачивания мочи в мочевыводящпп тракт требу-
ется минимальное кровяное давление около 70 мм ртутного
столба.
SOmm рт.ст.
а	6
Рис. 261.
Отек легких
Во время вдоха давление в легких ниже атмосферного п
действует во всех направлениях. Это отрицательное давление
стремится втянуть в альвеолы как воздух через трахею, так
и жидкость из капилляров. В нормальных условиях дыха-
тельные пути свободно пропускают воздух, поэтому не созда-
ется высокое отрицательное давление. Разность между давле-
нием крови в капиллярах и отрицательным давлением в
альвеолах меньше, чем осмотическое давление коллоидов в
капиллярах, и поэтому жидкость не может просачиваться в
альвеолы. Однако если проход воздуха через дыхательные
пути по какой-либо причине затруднен, при вдыхательном
усилии в легких может развиться повышенное отрицательное
давление. В результате давление фильтрации может оказаться
достаточно большим, чтобы перегнать жидкость из легочных
капилляров в альвеолы. Если закупорка дыхательных путей
носит длительный характер, развивается отек легких.
Больной с недостаточностью левой половины сердца уже
имеет повышенное давление в легочных капиллярах (см.
давление фильтрации, стр. 232). В таком случае даже кратко-
временное затруднение дыхания может привести к гибельным
последствиям.
Особенно пагубны результаты закупорки дыхательных путей
у больного в состоянии шока, когда стенки капилляров
повреждены и проницаемы для веществ, которых они в нор-
мальных условиях не пропускают. Вскоре развивается отек
легких.
23.5
juju боди ел?
Рис. 262.
Рис. 263.
Рис. 262, А — Большой сосуд в форме колокола с хорошо
пригнанной пробкой имеет дно в виде резиновой диафрагмы.
Водяной манометр показывает, что давление внутри сосуда
равно атмосферному.
Б — Диафрагму оттягивают вниз, пока в сосуде не созда-
ется отрицательное давление — 130 мм водяного столба.
В — Когда выталкивают пробку, в сосуд врывается воздух
и давление внутри сосуда снова становится атмосферным.
Рис. 263. Модель нормального вдоха. Теперь сосуд изо-
бражает грудную клетку, а трубка и эластичный мешок
заменяют трахею и легкие.
А — Давление в мешке, измеряемое манометром слева,
равно атмосферному. Некоторое количество воздуха уже
выкачено из пространства между стенками сосуда и мешком
и в сосуде создано отрицательное давление — 65 мм водяного
столба. Оно представляет отрицательное внутриплевральное
давление, которое всегда существует в начале нормального
вдоха. Величина этого отрицательного давления как раз
достаточна для преодоления упругой отдачи легких, пред-
ставленных здесь эластичным мешком \ который иначе под-
вергся бы полному опаданию.
Б — Вдох — диафрагма опускается. Отрицательное вну-
триплевральное давление повышается и вскоре достигает
—100 мм водяного столба. Однако, поскольку воздух свободно
проходит в легкие, енутрилегочное отицательное давление
никогда не превышает нескольких миллиметров водяного
столба.
В — Высшая точка вдоха. Внутриплевральное давление
падает до —130 мм водяного столба, тогда как внутрилегоч-
ное давление вскоре опять становится равным атмосферному.
Повышенное внутриплевральное отрицательное давление необ-
ходимо для преодоления увеличенного напряжения эластич-
ной ткани легких, возникающего при их расширении.
После выдоха происходит расслабление диафрагмы и упру-
гая отдача эластичной ткани легкого; положение опять ста-
новится таким же, как и в начале вдоха (А).
Результат дыхания через эндотрахеалъную трубку
недостаточного диаметра
Рис. 264. Три рисунка, такие же как и на рис. 263,
изображают вдох через нормальный свободный дыхательный
тракт.
Рпс. 265. Здесь вдыхаемый воздух должен пройти через
эндотрахеалъную трубку недостаточного диаметра. Проход
1 Еслп бы мешок был достаточно большим и неупругим, он рас-
ширялся бы до тех пор, пока давление снаружи не стало бы равным
давлению внутри мешка, т. е. атмосферному давлению.
237
воздуха вокруг трубки предотвращен раздутой манжеткой.
Показан капилляр на альвеолярной стенке.
А — Начало вдоха; Б — ранняя стадия вдоха.
Рис. 264 (свободное дыхание) показывает, что когда вну-
триплевральное отрицательное давление достигает —100 мм
водяного столба, внутрплегочное давление отклоняется, хотя и
не намного, от давления наружной атмосферы (левый манометр).
Это объясняется тем, что воздух свободно проходит в легкие.
На рис. 265 диафрагма опускается, но в результате сопро-
тивления узкой эндотрахеальной трубки воздух не может
свободно проходить в легкие. В этом опыте отрицательное
внутриплевральное давление на данном этапе достигает 200 мм
водяного столба, а внутрплегочное давление падает до
—50 мм водяного столба.
В — Высшая точка вдоха.
Прп закупорке дыхательных путей отрицательное внутри-
плевральное давление падает до —260 мм водяного столба,
а отрицательное внутрплегочное давление — до —100 мм
водяного столба. Как следствие недостаточного диаметра
трубки требуется значительное дополнительное усилие для
более полного расширения легких в течение того времени,
которое обычно занимает вдох.
Последствия закупорки дыхательных путей
Дополнительная работа мышц для расширения грудной
клетки отнюдь не единственное зло, с которым больной вынуж-
ден примириться. Повышенное отрицательное внутрплегочное
давление может оказаться достаточным для нарушения тон-
кого равновесия, благодаря которому жидкость задерживается
в легочных капиллярах. Эта тенденция изображена пунк-
тирными стрелками на рпс. 265, В. Отек легких на почве
указанного явления рассмотрен на стр. 235.
Окончательные последствия для больного зависят от того,
находится ли он в состоянии шока или нет, от степени
закупорки п продолжительности этой нежелаемой ситуации.
Так, мы видели здорового молодого человека, который пере-
нес умеренную закупорку дыхательных путей, длившуюся
20 минут, без заметных вредных последствий, но нам известны
смертные случаи, вызванные отеком легких после продол-
жительных операций, когда подозревалась закупорка дыха-
тельных путей.
Если надо использовать эндотрахеальную трубку, она
должна иметь возможно больший диаметр. Если имеется
сомнение относительно достаточности диаметра трубки, сле-
дует ввести дополнительный воздуховод через рот с таким
расчетом, чтобы еще какое-то количество воздуха могло вды-
хаться через пространство между наружной поверхностью
трубки и голосовыми связками (рис. 266). Таким образом,
можно сделать вывод: анестезиолог не должен использовать
надувную манжетку на эндотрахеальной трубке слишком малого
диаметра.
После того как эндотрахеальная трубка введена, хорошее
представление о том, достаточно ли свободно проходит воздух,
дает наблюдение за движениями грудной стенки во время
дыхания. При недостаточном диаметре трубки дыхательные
239
движения аналогичны тем, которые наблюдаются при затруд-
ненном дыхании по любой другой причине. Диафрагма опус-
кается, но поскольку воздух не может свободно проходить
в легкие, создается ненормальное положение, когда прп вдохе
грудная стенка не поднимается, а втягивается.
Этот парадокс объясняется следующим фактом: поскольку
воздух не может втягиваться свободно в легкие, развивается
Рис. 266.
большое внутригрудное отрицательное давление и грудная
стенка под действием давления наружного воздуха западает.
Затрудненное дыхание у взрослого можно обнаружить по
западению межреберных и надключичных пространств, тогда
как у ребенка с гибкой грудной клеткой может втягиваться
вся грудная стенка. Если анестезиолог не отнесется к делу
достаточно серьезно, это парадоксальное дыхание па почве
закупорки дыхательных путей можно спутать с аномальным
дыханием, которое вызывается параличом межреберпых мышц
и является признаком глубокого наркоза; со времен Сноу
(Snow) [4] это явление несколько раз вновь открывали
последующие поколения анестезиологов.
Эндотрахеальные трубкп могут принести большую пользу,
но их часто применяют без всякой необходимости и во вред
больному. Их ценность в известных случаях, включая опера-
ции на голове, шее и органах грудной полости, несомненна.
Во многих других случаях опи используются лишь потому,
что анестезиолог по желает брать на себя лишний труд,
связанный с поддержанием других воздухоносных путей, или
считает, что раз он ввел эндотрахеальную трубку, то ничего
плохого уже не случится. Введение эндотрахеальной трубкп
вовсе он означает достаточность оксигенации. Мы знаем слу-
чай, когда анестезиолога вернули из соседней комнаты пз-за
того, что неожиданно кончился кислород в баллоне. Может
произойти перегиб самой эндотрахеальной трубки (рпс. 136);
известны случаи закупорки ее кровяным сгустком. Введение
эндотрахеальной трубкп отнюдь не освобождает апестезио-
240
лога от бесспорной обязанности уделять больному все свое
внимание.
Дыхание через эндотрахеальную трубку редко бывает
столь же легким, как дыхание через нормальные дыхательные
пути. Гораздо чаще, конечно, применяют трубкп недостаточ-
ного размера. В такпх случаях затруднение дыхания можно
устранить очень простым приемом: надо извлечь трубку и
дать больному возможность дышать нормально.
ЛИТЕРАТУРА
1.	Smit h A. S. Ind. Eng. Chem., 1934, 26, 1167.
2.	Macintosh R. Lumbar puncture a. spinal analg., 2nd ed., p. 124,
Edinb., 1957.
3.	Am его n gen G. J. van. J. Appl. Physics., 1946, 17, cf. p. 976,
Table I.
4.	S n о w J. On chloroform and other anaesthetics, London, 1858, p. 42.
16 Физика для анестезиологов
ГЛАВА XIX
ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА
НЕКОТОРЫХ НАРКОЗНЫХ АППАРАТОВ
Эволюция аппарата для наркоза закисью азота
Примерно до 1870 г. закись азота приходилось изготов-
лять на месте, поскольку приобрести этот газ коммерчес-
ким путем было невозможно. Его изготовляли, нагревая
нитрат аммония в стеклянной реторте с последующим удале-
нием более грубых примесей путем промывки газа в различ-
ных реагентах. Готовый газ собирали под легким положитель-
ным давлением в большом газгольдере, из которого он
мог затем вдыхаться больным.
Рис. 267. Старый аппарат для наркоза закисью азота,
сконструированный Спрейгом (Sprague) примерно в 1863 г. [1] .
Газообразная закись азота, вырабатываемая в реторте
слева, пропускается через промывные сосуды и затем вды-
хается через специальный мундштук, который на рисунке
назван ингалятором.
Промывные сосуды 1 и 2 содержат раствор закиси железа
для удаления токсических окисей азота. В сосуде 3 находятся
палочки из гидроокиси калия для удаления хлора, образую-
щегося из примесей в нитрате аммония. Газ хранится в
резервуаре, из которого он вдыхается больным.
В 1868 г. английские предприниматели Кокстер (Coxeter)
и Барт (Barth) начали изготовлять жидкий газ на продажу,
поставляя его в баллонах. Популярность этого анестетика
сразу же возросла. Чистота газа была гарантирована, и,
поскольку баллон с жидкой закисью азота был в 400 раз
меньше того объема газа, который он давал, транспорти-
ровка не представляла никаких трудностей.
Сжижение закиси азота не сразу сделало аппарат для
введения этого газа менее громоздким. Как мы увидим далее,
существенной частью всех наркозных аппаратов в прошлом
и настоящем является резервуар того или иного рода. Какое-
то время эту функцию продолжали выполнять громоздкие,
богато украшенные газгольдеры, наполняемые при необхо-
242
димости из баллона со сжатой закисью азота (рис. 268).
Из такого резервуара с газообразной закисью азота больной
мог без труда наполнять свои легкие.
Рис. 268. Газгольдер наполняется по мере надобности из
баллона с жидкой закисью азота (слева). Больной вдыхает
Рис. 267.
из этого резервуара. Впереди резервуара видны маска и
широкий дыхательный шланг.
Рис. 269. Баллон со сжатой закисью азота подвешен под
резервуаром. Широкий дыхательный шланг свернут в петлю
впереди баллона.
В том же самом году, в котором было начато производство
жидкой закиси азота в баллонах, Кэттлин (Cattlin) ввел
в практику более удобный резервуар для газа в форме рези-
нового мешка. Однако потребовалось еще некоторое время,
чтобы этот мешок вытеснил громоздкий и неподвижный газ-
гольдер .
46 *
243

Рис. 270.
Рис. 270. Ранний образец транспортабельного аппарата
для наркоза закисью азота [2] с резервуаром в виде
мешка: «для удобства переноса в дом больного пли на
большие расстояния используется металлический футляр,
обшитый сафьяном и до-
статочно большой, чтобы
вмещать не только баллон,
но также дыхательный ме-
шок, ингалятор и шланг».
Громоздкий газгольдер усту-
пил место более подвижному
резервуару в форме резино-
вой камеры, который напол-
няется из баллона в течение
всего периода наркоза п из
которого больной вдыхает
газовую смесь. Обратите вни-
мание на узкую трубку между
баллоном п мешком и на ши-
рокую дыхательную трубку.
При сравнении рис. 270 с
рпс. 272 обнаруживается тож-
дество мешка Кэттлпна и
дыхательного мешка совре-
менных аппа ратов, который
когда-то неправильно назы-
вали мешком «повторного
вдыхания» \
Рис. 271. Аппарат для
наркоза закисью азота (1912).
Здесь дыхательный мешок
случайно оказался около
маски. Он функционировал
бы ничуть не хуже, если бы
был расположен около бал-
Рпс. 271.
лопов, при том условии, что дыхательная трубка, ведущая
от мешка к больному, была бы достаточно широка, чтобы
оказывать лишь самое незначительное сопротивление дыханию.
В умелых руках этот аппарат дает хорошие результаты
прп мелких хирургических операциях. Расход газа регули-
руется ножным клавишным рычагом; в случае длительного
введения наркотической смеси требуемый кислород берут из
вдыхаемого воздуха, поднимая время от времени маску
с лица.
1 Хотя и можно было поставить крап около маски (рпс. 270 и
271), чтобы происходило повторное вдыхание, основная функция мешка
состояла в том, чтобы служить резервуаром.
245
При всей желательности улучшения примитивной аппара-
туры никакие технические усовершенствования не заменят
знаний и опыта анестезиолога. Лучше этот простои аппарат
в руках опытного специалиста, чем самые совершенные аппа-
раты для газокислородного наркоза в неопытных руках.
Устройство наркозного аппарата с полуоткрытой системой
дыхания
Рис. 272. Газокислородный аппарат в своей простейшей
форме состоит из баллона с закисью азота и второго баллона
с кислородом, соединенных резиновыми трубками с дыхатель-
ным мешком. Последний соединяется широкой резиновой
трубкой с маской, около которой находится выдыхательный
клапан. Газы втягиваются из мешка через дыхательный шланг
главным образом вдыхательным усилием больного. Поэтому
дыхательный шланг должен быть достаточно широким, чтобы
не оказывать чрезмерного сопротивления вдоху. Внутренний
диаметр дыхательного шланга стандартной длины должен быть
не менее 2 см.
Функция дыхательного мешка
Если взрослый с дыхательным объемом 500 см3 делает
14 вдохов в минуту, его минутный дыхательный объем равен
7 л. В процессе дыхания больной вдыхает попеременно и
основная часть вдоха обычно занимает по времени лишь около
г/3 дыхательного цикла х. Поэтому во время вдоха объемная ско-
1 Продолжительность входа газов в легкие и выхода из легких
во время вдоха и выдоха почти одинакова (стр. 157). Эффективное время
вдоха, в течение которого происходит основная часть вдоха, составляет
около Va цикла.
246
рость потока газов в легкие больного равна в среднем 21 л /мин.
Во время наркоза этот быстрый, но перемежающийся приток
воздуха в легкие больного необходимо обеспечить пли непре-
рывным газовым потоком к маске со скоростью не менее 21 л /мин,
или, как это принято в современной практике, присоедине-
нием к наркозной системе резервуара, который постоянно
пополняется непрерывным потоком газов из баллонов с более
низкой скоростью 7 л/мин.
Для выведения всего углекислого газа в наружный воздух
необходима подача свежнх газов с определенным минималь-
ным объемным расходом [3,4] .
Взрослый больной в состоянии покоя потребляет в сред-
нем около 250 см3 кислорода в минуту. Если принять дыха-
тельный коэффициент 0,9, соответствующая отдача СО2 равна
225 см3. Если известно, что содержание СО2 в выдыхаемом
воздухе равно 4%, то общий объем выдыхаемых газов равен:
--- - 225 см3 = около () л. Это и есть минимальный объем
4
свежих газов, который должен вдыхаться для выведения всего
выдыхаемого углекислого газа и поддержания постоянного
давления СО2 в альвеолах.
Во время наркоза с применением аппарата Бойля выды-
хаемые газы проходят через выдыхательный клапан. Если
через клапан каждую минуту должно проходить по меньшей
мере 6 л выдыхаемых газов, ясно, что подача больному све-
жих газов из баллонов должна составлять не менее 6 л/мин.
При меньшей подаче неизбежно происходит повторное вдыха-
ние, ибо некоторое количество СО2 смешивается с вдыхае-
мыми газами. На практике подача свежих газов всегда дол-
жна превышать минутный дыхательный объем больного. Для
взрослого суммарный объемный расход при подаче закиси
азота и кислорода должен составлять не менее 7 л/мин.
Для ребенка этот расход можно сократить, но он всегда
должен значительно превышать его минутный дыхательный
объем.
Ни прп каких обстоятельствах, даже когда дело касается
маленького ребенка, не рекомендуется уменьшать общий объ-
емный расход подаваемых газов ниже 4 л/мин.
Редукционные клапаны
Рис. 273. Оборудование баллонов со сжатым газом редук-
ционными клапанами явилось значительным достижением,
которое не только облегчало регулировку расхода газа под
высоким давлением, но и позволяло поддерживать постоян-
ный расход газа при любой данной установке вентиля на
дозиметре независимо от колебаний давления внутри баллона.
247
Благодаря этому устранялась также необходимость в громозд-
ких соединительных трубках высокого давления между бал-
лоном и дозиметром.
Принципы действия редукционных клапанов подробно рас-
смотрены в главе XI.
Дозиметры
Дозиметры были установлены на аппаратах для подачи
больному из баллона точно заданных газовых смесей с желае-
мой объемной скоростью.
Рпс. 274.
Рис. 274. Регулирующий вентиль на нижнем конце дози-
метра обычно представляет собой простои игольчатый кла-
пан. Прп этой системе редукционные клапаны существенно
необходимы. Давление, на которое их устанавливают, не
должно превышать 0,7 кг/см2 (0,7 атм.), если трубки соеди-
нены способом простого надевания. В противном случае при
закрытии игольчатого клапана дозиметра трубку может сор-
вать. Это устройство дешевле, чем трубки высокого давления
24Я
и соединительные муфты, необходимые при давлении 4,2 кг/см2
(4 атм.), на которое обычно устанавливают редукционный
клапан Маккессона.
Подобно спидометру автомобиля, дозиметр носит характер
полезного усовершенствования; ни тот, ни другой не явля-
ется абсолютно необходимым, но оба они способствуют повы-
шению безопасности. Оба эти прибора могут давать неточные
показания. Подобно тому, как хороший водитель руковод-
ствуется больше собственным чувством скорости, чем спидо-
метром, хороший анестезиолог руководствуется скорее состоя-
нием своего больного, нежели показаниями дозиметра. Если
нет оснований подозревать затрудненное дыхание, синюшный
больной требует больше кислорода, каковы бы ни были пока-
зания дозиметров.
Жидкие анестетики
Рпс. 275. В современных наркозных аппаратах имеются
специальные сосуды для испарения жидких анестетиков, на-
пример эфира, впнестена, хлороформа, галотена. Каждый
испаритель снабжен краном, который позволяет пропускать
Рис. 275.
выходящие пз дозиметров газы плп через испаритель, пли
обходным путем. Механизм, посредством которого это осу-
ществляется, показан на стр. 251.
Аппарат Бойля в комплекте
Добавление запасных баллонов с кислородом и закисью
азота к аппарату, показанному па рпс. 275, завершает эту
серию иллюстрации.
249
На рис. 276 английские читатели без труда узнают вез-
десущии аппарат Бойля. Теперь понятен тот путь, по кото-
рому шло его постепенное развитие. Многие другие наркозные
аппараты с непрерывным потоком имеют различные инди-
видуальные усовершенствования, но действуют на тех же
общих принципах.
Рис. 276.
Испарители для жидких анестетиков
Метод регулировки концентрации наркотических паров,
выходящих из испарителей в аппарате Бойля, состоит в сле-
дующем .
Рпс. 277. Прямой проход газов из дозиметров к больному
предотвращается глухой перегородкой в горизонтальной ротор-
ной трубке. Когда рукоятка крана повернута вниз (рпс. 277),
газовый поток минует испаритель.
Рис. 278. Когда рукоятка крана повернута вверх, вся
газовая смесь идет через сосуд, содержащий жидкий анес-
тетик.
Крап можно установить в любом промежуточном поло-
жении; оно определяет, какая часть общего объема проходя-
щих газов пропускается через эфпрнпцу. Это один из способов
регулировки концентрации паров эфпра, подаваемых боль-
ному .
Имеются п другие средства регулировки концентрации
паров эфпра. Все газы, пропускаемые через эфпрнпцу (рпс. 278),
перед тем как попасть в пространство над поверхностью
жидкого анестетика, должны пройти через U-образную метал-
лическую трубку U. На открытый конец трубкп U падет
250
Рпс. 279.
Рпс. 280. Испаритель Бойля.
металлический колпачок Н, положение которого регулируется
посредством прикрепленного к нему стрежня R.
Рис. 279. По мере опускания колпачка путь, по кото-
рому должны следовать газы, проходит все ближе и ближе
к поверхности жидкого эфира. Наконец, когда открытый
конец колпачка погружается в жидкость, газы па своем
пути к выходу должны барботировать через жидкий эфир.
Когда кран открыт и колпачок опущен до отказа, весь газо-
вый поток барботирует через максимальный слой эфпра;
таким путем достигается максимальная концентрация выхо-
дящих паров эфпра.
Рис. 280. Действие этих двух испарителей основано на
одном и том же принципе, но они имеют следующие различия:
1) испаритель для хлороформа меньше, чем эфирница;
2) испаритель для хлороформа обычно зеленый, тогда как
эфирница имеет янтарный цвет; 3) эфирница может быть
погружена в металлический сосуд с тепловатой водой для
подвода тепла, расходуемого на испарение жпдкого эфпра
(стр. 37).
Ранний образец испарителя типа Бойля
Принцип так называемого боплевского испарителя был
фактически использован Уоллером в его количественном
.	хлороформном аппарате [5] лет
Рпс. 281.
за пятнадцать до введения в прак-
тику аппарата Бойля [б].
Рпс. 281. Конструкция испа-
рителя Уоллера для жидких ане-
стетиков .
Поворотом ручки С воздух из
ножного насоса направлялся в
центральную трубку Т. Когда
стержень L поднимали, воздух
проходил над уровнем жидкости;
когда стержень опускали, как это
показано па рисунке, воздух бар-
ботировал через жидкость.
Современный испаритель Бой-
ля мог бы лишь выиграть, поза-
имствовав механизм плавной ре-
гулировки, используемый в испа-
рителе Уоллера.
Испаритель аппарата Бойля
совершенно непригоден для работы
в закрытой системе, поскольку
узкие газовые каналы оказывали
бы недопустимо высокое сопро-
252
тивленве дыханию. В аппарате Бойля сопротивление эфпрницы
преодолевается давлением газов пз баллонов. После выхода
из испарителей газы накапливаются в дыхательном мешке.
Резиновый шланг, соединяющий этот мешок с маской, до-
статочно широк; таким образом, больной испытывает мини-
мальное сопротивление дыханию.
Эфмрпицы в дыхательных системах
Площадь поверхности жидкого эфпра, приходящая в кон-
такт с газами, пропускаемыми через эфирницу, может быть
значительно увеличена путем использования фитилей.
Рпс. 282. Фитильная эфирница типа Маккессона (McKesson)
с ручкой-индикатором в положении «выключено». Дыхатель-
ные газы идут через широкую трубку прямо к больному,
минуя эфирницу.
/
Рпс. 282.	Рис. 283.	Рис. 284.
Рпс. 283. Промежуточное положение. Часть газов идет
прямо к больному, остальная часть — в пспарптельницу,
где она пропускается через марлю, смоченную эфиром.
Рпс. 284. Когда ручка повернута в положение «вклю-
чено», весь газовый поток идет через эфирницу.
Хлопчатобумажная марля, сложенная в два пли три слоя
и зажатая между двумя слоями медной сетки, глубоко погру-
жена в жидкость в эфпрнпце. Благодаря явлениям капилляр-
ности жидкий эфир поднимается вверх по фптплю и газы,
пропускаемые через испаритель, приходят в тесный кон-
такт с большой поверхностью эфира. Широкий канал для
253
прохода газа оказывает ничтожно малое сопротивление дыха-
нию и поэтому данный тип испарителя подходит для всех
видов наркозных аппаратов: с закрытой системой, с пере-
межающимся пли с непрерывным потоком. Фитиль не должен
являться непроницаемым барьером для газов. Влажный
фитиль может оказывать значительное сопротивление.
В эфирнице на абсорбере
Кокстера — Машина (Coxeter
— Mushin) [7] устранены два
пз тех недостатков, которые
иногда обнаруживаются в
эфпрнпцах других аппаратов
с закрытой системой, а имен-
но: сопротивление дыханию
со стороны фитилей пли
марли и постепенное умень-
шение испарения эфпра, когда
вода конденсируется на хо-
лодных фитилях и препят-
ствует капиллярному под-
нятию жидкого эфира. Эти
недостатки преодолены путем
полного отказа от фитилей.
Несмотря на это, достигается
хороший контакт между жид-
костью п газовым потоком,
который благодаря направ-
ляющим перегородкам нес-
колько раз соприкасается с
поверхностью жидкого эфпра.
Корпус эфирнпцы сделан пз
меди, что способствует эффективному подводу тепла от
остальной части аппарата (рис. 285).
Капельный метод подачи эфпра ведет свое начало от самого
раннего периода наркоза.
Рпс. 286. В 1847 г. Мортон (Morton) запатентовал ингаля-
тор, основанный на принципе капельницы [8]. Приводим
выдержку пз патента: «количество жидкости, требуемое для
поддержания необходимой подачи газов... во время ингаля-
ции можно регулировать... клапаном... в зависимости от
обстоятельств».
Со времен Мортона и до наших дней наркозные аппараты
оборудуют эфирными капельницами того или иного типа.
Общий принцип их действий показан на рпс. 287.
Этот метод добавления жидкого анестетика в закрытую
систему не так прост, как может показаться на первый взгляд.
В отличие от других описанных испарителей здесь эфир
может вводиться в систему независимо от того, дышит боль-
25/
ной плп нет. Если больной по какой-либо причине задержи-
вает дыхание, а эфир продолжает капать, последующее вды-
хание скопившихся паров высокой концентрации может выз-
Рпс. 286.
Риг. 287.
вать сильнейший кашель плп спазм гортани. Плавное веде-
ние наркоза требует тщательной регулировки скорости паде-
ния капель эфпра.
ЛИТЕРАТУРА
1.	Duncum В. М. The development of inhalation anaesthesia, p. 275,
fig. 68, Oxf., 1947.
2.	Guilford S. H. Nitrous oxide, Philad., 1887, p. 40
3.	Molyneux L. a. P a s k E. A. Brit. J. Anaesth., 1951. 23, 81—91.
4.	Mapleson AV. W. Brit. J. Anaesth., 1954, 26, 323—332.
5.	AV a 11 e r A. D. B.AI.A. report of the special chloroform commission,
Lond., 1911, p 45.
6.	В о у 1 e II. E. G. Lancet, 1919, 1, 226.
7.	Mush in AV. \V Brit. J. Anaesth., 1943, 18, 96—111.
8.	Gould A. A. a. Morton AV. T. G. U. S. Pat., 1847. 5365.
ГЛАВА XX
ВЗРЫВЫ
1. ОКИСЛЕНИЕ, ГОРЕНИЕ И ПЛАМЯ
Горючие анестетики
Ряд летучих анестетиков и многие другие близкие к ним
соединения, повседневно используемые в химических лабо-
раториях и и промышленности, входят в большую группу
горючих веществ, пары которых образуют с воздухом пли
кислородом «воспламеняемые» смеси. Некоторые из них начи-
нают гореть лишь прп определенной высокой температуре,
тогда как другие могут постепенно изменять свой характер в
условиях хранения прп комнатной температуре и затем неожи-
данно взорваться под влиянием самого незначительного фак-
тора. Промышленным рабочим, шахтерам и ученым хорошо
известна опасность, связанная с воспламеняемостью таких
веществ. Накоплен обширный материал, касающийся взрывов
в этих условиях и мер предосторожности против воспламе-
нения горючих смесей.
Ученых, занимающихся вопросами техники безопасности
в промышленности, и анестезиологов, заинтересованных в
предупреждении взрывов, часто поражает самоуспокоенность
персонала операционной, порожденная незнанием взрывных
свойств анестетиков. Совершенно иное положение на произ-
водстве, связанном с опасностью взрывов, где даже самые
малоквалифицированные рабочие обычно хорошо знакомы с
правилами, несоблюдение которых сопряжено с опасностью
воспламенения горючих смесей. Общая распространенная
неосведомленность персонала операционной в отношении не
только воспламеняемых анестетиков, но и других горючих
веществ достойна сожаления, если учесть обширную, хотя
и не всегда точную литературу по этому вопросу. В после-
дующих главах мы излагаем лишь самые основные сведения
по взрывам с целью подготовить читателя к изучению более
специализированных работ [1, 2] по этому вопросу.
256
Химическая связь
Во многих реакциях между газами начальная смесь (реа-
генты) и конечная смесь (продукты) состоят из нормальных
молекул. Молекула (стр. 9) состоит из атомов, связанных
между собой сильным взаимным притяжением. Перед тем как
образовать молекулу, атомы проявляют высокую реактивность
и притягивают друг друга при сближении. Однако один атом
может притянуть (связать) лишь ограниченное число других
атомов и образовать с ними ограниченное число связей [3] .
Так, углерод (С) может связать только 4 атома водорода
(Н), образуя молекулу метана (СН4). Выражаясь химическим
языком, углерод четырехвалентен и образует четыре простых
связи с одновалентными атомами водорода. Попробуем грубо
представить такие связи, мысленно наделив атом руками,
количество которых соответствует его валентности. В одной
связи С—Н рука Н схватывает одну из рук С. В молекуле
метана каждая из четырех рук С прочно схватывает одну
руку каждого Н:
Н
Н С—н
i
н
Важнейшая особенность химической связи этого типа
состоит в том, что после образования связи участвующие в ней
атомы уже не притягивают других атомов или молекул,
а отталкивают их. После того как один С и четыре Н крепко
взялись за руки, они отталкивают локтями всех посторонних.
В молекуле воды (Н2О или Н —О -Н) двухвалентный атом
кислорода (—О—) взялся за руки с двумя одновалентными
атомами водорода (—Н). Несмотря на очень сильное притя-
жение между атомами О и Н в молекуле воды, она с силой
отталкивает приближающуюся к ней другую молекулу воды,
когда расстояние между ними становится меньше определен-
ной минимальной величины, известной под названием диаметра
столкновения.
Химические реакции
Выражение
WX + YZ->WY + XZ
характеризует определенную химическую реакцию, в кото-
рой реагенты (молекулы WX и YZ) превращаются в продукты
реакции (молекулы WY и XZ). Буквы ТГ, X, Y, Z обозначают
атомы х, из которых состоят молекулы реагирующих веществ
и продуктов.
1 Пли группы атомов, не распадающиеся во время реакции.
1 i Физика для анестезиологов
257
Эта схема показывает, что химическую реакцию можно
также рассматривать как перестановку связей между ато-
мами. В реагирующих веществах связи WX и FZ прочно
соединяют соответствующие пары атомов. Когда молекула
WX приближается к молекуле, YZ, взаимное отталкивание
происходит уже на таком расстоянии между центрами моле-
кул , которое часто в несколько раз больше расстояния W—X
(или Y—Z) между атомами внутри соответствующих моле-
кул. В образовавшихся молекулах (WY и XZ) атомы нашли
себе новых партнеров; расстояние между W и Y ^теперь сов-
сем мало и оба они остаются тесно связанными в молекуле
WY. Атом X теперь является частью молекулы XZ и при
столкновении с молекулой WY атом X уже не может тесно
сблизиться с W- иными словами, молекулы WY и XZ при
столкновении отталкиваются друг от друга.
Теплота реакции и энергия связи
Образование связи между атомами сопровождается выде-
лением энергии. Наоборот, разрыв связи требует притока
энергии извне.
Пример
В молекуле водорода (Н—Н) простая связь между двумя
атомами водорода обладает большим запасом энергии: для
диссоциации всех молекул одного моля газообразного водо-
рода на атомы необходимо сообщить извне 103,2 ккал. Вели-
чину этой энергии диссоциации можно более четко уяснить
из следующего сравнения: диссоциация 2 г молекул водорода
на атомы водорода требует такого же количества энергии,
как нагревание 1000 г воды от 0сС до точки кипения.
Мы рассматривали ранее химическую реакцию как пере-
становку связей между отдельными атомами, составляющими
молекулы реагирующих веществ и продуктов. Поэтому ясно
без доказательств, что разность между энергиями связи про-
дуктов и реагентов определяет, выделяется пли поглощается
тепло во время этой реакции. Если сумма энергий связи
продуктов больше, чем сумма энергий связи исходных ве-
ществ, разность выделится в виде тепла; эта реакция назы-
вается экзотермической.
Пример: реакция водорода с газообразным хлором
Общая схема этой реакции представлена на стр. 256. Под-
ставив вместо W и X атомы 7/, а вместо К и Z атомы С1,
получим:
Н2 + С12-> 2 • НС1 + 2 • 22 ккал.
25S
Если один моль водорода и один моль хлора образуют
при соединении два моля газообразного хлористого водорода,
выделяется количество тепла, равное 2-22 ккал. Разделив
обе части этого химического уравнения на 2, получим справа
один моль НС1, и соответствующий тепловой эффект реакции
становится равным 22 ккал.
Как мы уже видели, энергия связи Н—Н равна 103,2
ккал/моль. Атомы С1 в молекуле хлора связаны менее прочно
и соответствующая энергия связи равна 57. В молекуле про-
дукта (НС1) между атомами Н и С1 существует сильное
взаимное притяжение и энергия связи почти такая же, как в
Н2, т. е. 103 ккал/моль. При образовании одного моля НС1
пз половины моля Н2 п половины моля С12 имеет место сле-
дующее повышение энергии связи:
103- - • 103,2 - -  57 = 22,9.
2	2
Эта теоретическая величина хорошо согласуется с измерен-
ной теплотой реакции указанного процесса Положительный
результат (+22 ккал/моль) показывает, что в данной реакции
(экзотермической) выделяется тепло.
Реакции с кислородом (окисление) [4]
Наиболее распространенная химическая реакция в при-
роде — это реакция между кислородом и другими молеку-
лами, известная как окисление. Большинство окислительных
реакций сопровождается выделением 1 энергии в форме тепла
и относится поэтому к разряду экзотермических.
Окислительные процессы дают энергию, необходимую и
для поддержания жизни, и для движения паровоза. Как п
в случае обычных химических реакций, мы можем рассматри-
вать реакцию кислорода с другими молекулами как пере-
группировку атомов, ведущую к более устойчивым соеди-
нениям (молекулы продукта) и сопровождающуюся выделе-
нием тепла. При окислении водорода образуются молекулы
воды (Н2О), в которых два атома водорода соединены про-
стыми связями с одним атомом кислорода (Ц. 0—Н).
Химическое уравнение:
2-Н2 + О2 — 2-Н2О
можно объяснить как разрыв связей между атомами Н в
молекулах Н2, между атомами О в молекуле О2 п образование
1 Однако существует несколько окислительных процессов, во вре-
мя которых тепло не выделяется, а поглощается. Одной из таких эндо-
термических реакций является образование закиси азота пз молекул
азота и кислорода; для образования одного моля N2O реагирующие
вещества должны получить извне более 19 ккал.
17
259
Новых связей между одним О и двумя Н в каждой из двух
молекул воды:
сумма двух энергий связи О—Н в одной молекуле Н2О —
218 ккал /моль энергия связи одной молекулы Н2 — 103,2
ккал /моль, и энергия связи одной молекулы О2—117 ккал /моль.
Тогда разность между энергиями связи в продуктах и реа-
гентах :
2 - 218 - 2 - 103,2-117 = 114 (или 2-57).
Из этого следует, что на каждый моль водяного пара, обра-
зуемого при окислении водорода, должно выделяться 57 ккал.
Горение
Вскоре мы увидим, что окисление водорода является обычно
быстрым процессом, во время которого смесь нагревается до
высоких температур. Теплота реакции таких окислительных
процессов более широко известна под названием теплоты
сгорания х. Экспериментальная величина теплоты сгорания,
выделяемой при образовании 1 моля Н2О, составляет около
58 ккал. Соответствующее уравнение химической реакции имеет
следующий вид:
Н2 + — О2 —> Н2О (г) + 58 ккал.
2
Как и во всех других химических формулах горения,
здесь важно указать агрегатное состояние различных моле-
кул. В данном случае ясно, что реагирующие вещества (Н2,О2)
являются газами. Предполагается, что реакция даст про-
дукт (Н2О) в виде паров, на что указывает буква г (газ).
Это различие имеет некоторое значение, поскольку теп-
лота сгорания часто дается для жидкой воды как конечного
продукта. Тогда величина теплоты сгорания увеличивается
за счет выделения скрытой теплоты испарения воды во время
ее конденсации (10,5 ккал на один моль конденсированной
воды).
Поэтому теплота сгорания одного моля водорода в жидкую
воду составляет: 58 + 10,5 = 68,5 ккал/моль. В данном про-
цессе 2 г водорода и 1/2 • 32= 16 г кислорода окисляются в 18 г
жидкой воды. Поэтому при образовании 1 г жидкой; воды
выделяется 68,5/18=3,8 ккал или 3800 кал. Сравните это
1 Горение можно определить как реакцию между кислородом п
молекулами горючих веществ, которая дает в качестве продуктов
Н2О л СО2. С другой стороны, окисление может давать разнообразные
сложные продукты (например, от эфпра до альдегидов), которые затем
могут и сами окисляться при различных условиях. С этой точки зрения
сгорание можно рассматривать как полное окисление молекулы.
260
большое количество тепла с количеством тепла, необходимым
для нагревания 1 г этой же воды от 0°С до точки кипения.
Можно легко показать, что большая часть воды, образуе-
мой сгоранием, конденсируется в жидкость прп охлаждении
продуктов реакции до комнатной температуры.
Пример
Предположим, что исходная смесь из одного моля Н2 и
1/2 моля 02 производит общее давление, равное 1 атм. При
комнатной температуре один моль идеального газа произ-
водит давление в 1 атм., когда он занимает объем, равный
24 л. Поэтому 3/2 моля реагирующих веществ находятся в
сосуде емкостью 3/2-24 л. Один моль воображаемого водя-
ного пара, образованного при сгорании и охлажденного до
комнатной температуры, производил бы давление, равное 1 атм.
в объеме 24 л; в сосуде объемом 3 /2 - 24 л он производил бы
давление ——— = 2/3 атм. Однако при комнатной темпе-
ратуре давление насыщенного водяного пара составляет лишь
около 1/30 атм., и большая часть водяного пара конденси-
руется в жидкость (2/3—1/30 = 19/30 из первоначальных 2/3, или
63% общего количества пара).
Механизм окислительных реакций
К счастью, при комнатной температуре для реакции между
кислородом и другими горючими молекулами недостаточно
одного лишь контакта. Прп соприкосновении куска сахара
с кислородом в воздухе самовозгорания сахара не происходит.
Однако тот же кусок сахара можно без труда подвергнуть
окислению тканевыми клетками, получив при этом значи-
тельное количество тепла (теплота сгорания 1 г глюкозы
= 3,7 ккал). Точно так же уголь можно без риска держать
на открытом воздухе при нормальной температуре, хотя мы
легко окисляем его в каминах для получения тепла (1 кг
углерода при окислении в СО2 дает 7800 ккал).
Несмотря на близкое химическое сродство между кислоро-
дом и молекулами, содержащими атомы углерода и водорода
(на что указывает выделение большого количества тепла при
их сгорании), реакция между ними с измеряемой скоростью
происходит лишь при известных условиях. Например, в
смеси паров эфира и кпелорода при комнатной температуре
молекулы эфира и кпелорода взаимно отталкиваются при
столкновениях. Эта зона отталкивания образует неосязаемый
барьер вокруг каждой молекулы; реакция (горение) может
произойти лишь после того, как этот барьер будет преодолен
и отталкивание перейдет в сильное взаимное притяжение.
261
Один из способов преодоления этого отталкивающего барь-
ера и вызывания реакции заключается в возбуждении очень
сильных столкновений между молекулами кислорода и горю-
чих веществ. Как слабые, так и сильные столкновения про-
исходят в газе прп любой температуре, по число сильных
столкновений (с высокой энергией) быстро возрастает с по-
вышением температуры. Энергия, которую необходимо сооб-
щить сталкивающимся молекулам для того, чтобы началась
реакция, известна под названием энергии активации. При
экзотермических процессах горения, которые мы рассматри-
ваем, эта энергия вновь выделяется в ходе реакции.
Возвращаясь к общей схеме реакции:
WX + YZ -^WY + XZ,
мы знаем теперь из предыдущего обсуждения, что полная
диссоциация
WX (-> W + X) и YZ (— Y + Z)
могла бы сразу же привести к очень быстрому соединению
атомов и образованию молекул продуктов реакции: WY и XZ.
Однако энергия активации, вообще говоря, гораздо ниже
суммы энергий связи реагирующих молекул. Вместо полной
диссоциации на атомы реагирующие молекулы должны лишь
деформироваться до известной степени, чтобы могла произойти
перегруппировка связей и образование молекул продуктов
реакции.
Механическая модель химической реакции
Зависимость между энергией активации и теплотой сгора-
ния можно иллюстрировать следующим образом:
Рпс. 288 — Модель
Высоко над уровнем реки В
расположено озеро А. Жители
соседнего города предпола-
гают вырабатывать электро-
энергию , используя потен-
циальную (гидравлическую)
энергию, которой обладает
вода в А благодаря своей
высоте над В. Однако для
этого воду в А надо сначала
поднять от уровня I до
более высокого уровня Л,
чтобы она могла преодолеть
гребень С, который образует
водораздел между А и скло-
ном горы.
Механизм реакции
А изображает реагирующие
вещества: молекулы кисло-
рода и горючего. Прп ком-
натных условиях I реакции
не происходит. Энергия, не-
обходимая для подъема воды
от А выше С, представляет
энергию активации, которую
необходимо сообщить моле-
кулам в исходной смеси,
чтобы произошла реакция.
Когда произошло окисление
с выделением теплоты сго-
рания , конечные продукты
сгорания обладают низкой
энергией, представленной
уровнем реки В.
262
Теплота сгорания представлена разностью между уров-
нями А,{1) и В. Энергия активации, временно затраченная
на подъем воды из озера А. выше гребня С, т.е. от I до h
Рпс. 289.	Рис. 290.
Рис. 288.
возвращается во время падения воды с вершины гребня С
по горному склону.
Гребень С изображает отталкивающий барьер между моле-
кулами начальной смеси. Во многих химических реакциях
263
окисления этот барьер преодолевается путем нагревания смеси.
Один из эффектов нагревания газа состоит в увеличении
количества очень быстро двигающихся молекул; тогда они
могут преодолеть барьер, что ведет к образованию молекул
продуктов с выделением теплоты сгорания. В модели, пока-
занной на рпс. 288, нагревание молекул в начальной смеси
изображается повышением уровня озера от I до h. Прп очень
сильном столкновении таких «активированных» молекул каж-
дая пз них проникает гораздо глубже в отталкивающий барьер
между ними. Прп этом реагирующие молекулы деформируются,
расстояния между определенными атомами в каждой пз
них удлиняются и связи, соединяющие атомы в данной моле-
куле, ослабевают. Сильное столкновение создает также воз-
можность такого сближения между атомами различных моле-
кул, когда они начинают притягивать друг друга, образуя
прп этом новые связи молекул продуктов реакции.
В биологических окислительных процессах барьер между
кислородом и молекулами углевода или жира преодолевается
не нагреванием, а действием ферментов. В некоторых отно-
шениях их можно сравнить с катализаторами, используемыми
во многих промышленных химических процессах. Хотя меха-
низм их действия очень сложен, можно сказать, что они
деформируют реагирующие молекулы прп нормальных тем-
пературах до такой степени, что отталкивающий барьер исче-
зает и реакция становится возможной благодаря большому
снижению необходимой энергии активации.
Влияние температуры на горение
Скорость реакции в значительной мере зависит от темпе-
ратуры горючей смеси. Согласно эмпирическому закону Арре-
ниуса, скорость реакции увеличивается в два раза при повы-
шении температуры начальной смеси на 10°С.
Рис. 289 и 290 поясняют этот закон на примере меха-
нической модели реакции. Предположим, что гребень С в
одном участке понижается, образуя седловидный проход,
ведущий из А вниз по склону горы к В. Прп подъеме воды
в А до нижней точки прохода d вода стекает лишь через
самую нижнюю часть прохода в виде мелкого и узкого
ручейка (рпс. 289). Иными словами, скорость реакции мала.
На рпс. 290 уровень воды в А поднят несколько выше.
Этот небольшой подъем уровня приводит к значительно боль-
шему увеличению мощности потока, который становится
гораздо шире.
Выражаясь языком химии, количество активированных
(т. е. обладающих высокой энергией) молекул горючего и
кислорода, которые способны преодолеть расталкивающий их
барьер, быстро возрастает с повышением температуры.
261
Нетрудно показать, что закон Аррениуса действительно
дает очень быстрое увеличение скорости реакции с повы-
шением температуры. Если повышение температуры на 10°С
увеличивает скорость реакции в 2 раза, то повышение тем-
пературы на 40сС увеличит скорость реакции уже в 16 раз
(2-2-2-2 = 24 = 16). Повышение температуры па 230 С увеличило
бы скорость реакции в 1U млн. раз1.
Сравнение химической реакции с горным потоком помо-
гает также уяснить тот факт (стр. 261), что энергия актива-
ции зачастую гораздо ниже суммы энергий связи реагирую-
щих молекул. Это символически изображается высокими сте-
нами, окружающими горное озеро со всех сторон, за исклю-
чением прохода. Любой другой проход пз А в В, пролегаю-
щий над этими стенами, символизировал бы полное разобще-
ние связей в реагирующих молекулах до образования новых
связей в молекулах продуктов реакции.
Энергия активации и энергии связи реагирующих веществ
В известных условиях разница между энергией активации
и энергиями связи реагирующих молекул может быть дей-
ствительно очень велика. Последующий пример относится
к реакции свободного атома с молекулой. Хотя среди исход-
ных реагирующих веществ свободных атомов не бывает, они
имеют большое практическое значение, поскольку во многих
процессах горения такие реакционные атомы (а также частицы
молекул со свободными валентностями, называемые ради-
калами) служат промежуточными ступенями реакции.
Н + С12 — НС! + G1 + 45 ккал.
Прп этой реакции атома водорода с молекулой хлора
выделяется 45 ккал/моль (высота озера А над рекой В).
Энергия активации, (Еа) этой реакции составляет всего лишь
около 2 ккал; иными словами, уровень I очень близок к
самом низкой части d горного прохода. Если бы реакция
П с Cl—С1 потребовала вначале полного разделения двух
атомов С1, энергия актпвацпп была бы равна энергии диссо-
циации молекулы хлора (57 ккал), т. е. почти в 30 раз больше
фактической энергии актпвацпп.
Влияние энергии активации на скорость реакции
Критическое влияние энергии активации (Еа) на скорость
реакции можно уяснить из следующего примера.
Предположим, что реакция происходит с определенной
скоростью R прп температуре 530'С (= 800° К) и что энергия
активации этого процесса равна 20 ккал.
1 Вообще 2a = 10L, где Т>=0,301-а; для а =23 получаем L = 0,92—7.
Таким образом 223 = 107 = 10-10в, или 10 млн.
Читатель, хорошо знакомый с логарифмами, знает, что 0,301 = lg 2.
265
•Если бы энергия активации составляла не 20, а 28 ккал,
то, как можно показать, скорость реакции уменьшилась бы
от R до 72/150, т. е. составляла бы менее 1% R.
Скорость реакции можно выражать через количество
исходной смеси (реагентов), преобразованное в продукты в
единицу времени. Теория показывает, что обиатная величина
скорости (1/7?) пропорциональна 10(Еа/4-6’П; Т — температура
в °К, а энергия активации выражена здесь в кал/моль.
Горение и изотермическое окисление.
Учитывая то большое влияние, которое температура может
оказывать на скорость реакции, становится понятным, что
тепло, выделяемое во время этого процесса, может иметь суще-
ственно важное влияние на характер реакции. Если выделя-
емое тепло отводится достаточно быстро, температура реаги-
рующей системы остается более пли менее постоянной и
скорость реакции не возрастает в связи с увеличением тем-
пературы реагирующих веществ.
Если скорость реакции достаточно мала, выделяемое тепло
успеет, очевидно, выйти из сосуда, в котором происходит
реакция. Такая медленная реакция кислорода с окисляемыми
молекулами известна под названием изотермического окисления.
Если скорость реакции слишком велика и выделяемое
тепло не успевает выходить наружу, смесь нагреется до
высоких температур; в этом случае мы обычно говорим о
горении. Определение взрывов, включая сюда нормальное
распространение пламени и детонации, будет дано позже.
Даже не вдаваясь в большие теоретические рассуждения,
легко понять, что реакция кпелорода с горючим (например,
с метаном) может происходить в условиях практически посто-
янной температуры, если скорость реакции достаточно
низка. На практике реакционный сосуд должен быть не-
большим (напрпмер, 1 л), чтобы тепло, выделяющееся при
сгорании, не скапливалось в сосуде, а могло выходить
наружу по мере его выделения.
Полезным показателем скорости реакции служит то время
tn, в течение которого половица исходной смеси в данном
объеме превращается реакцией в конечные продукты. Если
tn порядка часов, можно ожидать изотермического окисления,
если tn порядка секунд, можно ожидать горения или взрыва.
Молекулярные столкновения в газовой смеси
Если известная реакция может происходить только во
время столкновения двух молекул, она называется бимоле-
кулярной. Однпм из факторов, определяющих скорость этой
реакции, явится, очевидно, число столкновений в данное время.
Колоссальная частота столкновений молекул в газе прп нормаль-
ной температуре и давлении видна из следующего примера.
266
Рассмотрим смесь двух газов а и Ь, каждый из которых
оказывает парциальное давление 0,5 атм. Если бы каждое
столкновение между парой молекул а и Ъ приводило к
химической реакции, половина начальной смеси превратилась
бы в конечные продукты в фантастически короткое время —
гораздо быстрее, чем за миллионную долю секунды. Прп
известных предположениях относительно размера и веса двух
видов молекул а и b половинное время реакции: tn~10-’9 сек.,
или одной тысячемиллионноп доли секунды.
Тот факт, что прп комнатной температуре и нормальном
давлении скорость окислительных процессов и других реак-
ций в газах часто равна нулю или очень мала, показывает,
что практически все столкновения между а и Ь являются
неэффективными. При таких «упругих» столкновениях моле-
кулы отскакивают друг от друга, не подвергаясь никаким
химическим превращениям.
Согласно молекулярной теории газов, средняя энергия
при столкновении двух молекул, движущихся в противопо-
ложных направлениях, равна приблизительно 2-Т кал/моль,
где температура Т выражена в °К. При комнатной темпера-
туре эта энергия равна 2-300 кал/моль, или 0,6 ккал/моль.
Как уже упоминалось, столкновения с меньшими и большими
энергиями происходят в газе при любой температуре, но
число молекул, обладающих значительно большими энерги-
ями, чем средняя, очень мало. Например, частота столкно-
вений с энергией, в 4 раза превышающей среднюю, состав-
ляет менее 2%, а столкновение с энергией, в 10 раз выше
средней, происходит лишь один раз на 10 000.
Эти замечания объясняют, почему бимолекулярные реак-
ции могут происходить совсем медленно, если в реакцию
вступают только те пары молекул, которые сталкиваются
с энергиями, равными или превышающими энергии активации,
приведенные в табл. 8.
Таблица 8
Скорость бимолекулярной реакции
Энергия активации (в ккал)	Температура исходной смеси		
	27°С (300° К)	180еС (450° К)	330°С (600° К)
	половинное время (tn)		реакции
15	1 мин.	10 мсек1	1li мсек
20	27г для	3 сек.	9 мсек
25	28 лет	12 мпп.	х/2 сек.
30	—	2 дня	38 сек.
1 1 мсек = 1 миллисекунда = 0,001 сек.
267
Скорость бимолекулярной реакции
В табл. 8 приведены различные энергии активации для
реакции типа:
Молекула «-(-Молекула b —* Продукты
при парциальных давлениях в исходной смеси Ра=Рь =
0,5 атм. Соответствующие скорости реакции выражены вре-
менем, которое требуется для того, чтобы прореагировала
половина начальной смеси. Сравниваются реакции в смесях
прп трех различных температурах. Предполагается, что
реакции протекают изотермически, т. е. выделяемое тепло
сразу же отводится в наружную среду. Это предположение,
разумеется, совершенно неприемлемо в отношении скоростей
реакций с половинным временем (tn) несколько секунд и менее.
Влияние состава смеси на ее горение
Состав горючей смеси может быть самым разнообразным.
Смесь, точно соответствующая химическому уравнению,
характеризующему процесс горения, известна под названием
стехиометрической смеси. В стехиометрической смеси сгора-
ние может быть полным, т. е. все молекулы горючего и кис-
лорода, содержащиеся в исходной смеси, полностью превра-
щаются в молекулы продуктов сгорания.
Молекулы большинства органических соединении, пред-
ставляющих интерес для анестезиолога, содержат только
три вида атомов: Н, Си О; общее уравнение горения в сте-
хиометрической смеси этих атомов можно написать1 в сле-
дующем виде:
1 моль горючего + b молей кпе.тодора-* Продукты сгорания
(состоящие из СО2 и Н2О).
Содержание горючего в любой смеси можно выразить
как отношение числа молей горючего к общему числу молей
в этой смеси; это отношение дает также объем горючего,
(скажем, под давлением 1 атм.), деленный на общий объем
смеси (стр. 57). Тогда умножение этой дроби на 100 даст
концентрацию горючего f в объемных процентах.
Стехиометрические смеси
I) С кислородом
В особом случае стехиометрической смеси концентрация
горючего (fст) выражается формулой:
ст=—!—-100об. %	(1)
1 + 6
1 Па практике процесс окисления даже в стехиометрической
смеси может быть далеко не полным. См. также сноску па стр. 270.
268
Пример: горение водорода в кислороде.
1 -Н2 + |-02->1 - Н20.
Число молей кислорода £ = 1/2; из уравнения (1) получаем
стехиометрическую концентрацию горючего:
/ ст — —-— • 101) =	= 67 об. %
1 + */г	1,5
И) С воздухом
Мы должны помнить, что в горючих смесях с воздухом
на каждый объем кислорода имеется также 79/21 объема
азота (воздух содержит 21 об.% кислорода). В стехиометри-
ческой смеси горючего и воздуха концентрация горючего
(/ст) определяется уравнением:
Г ст =------1------ЮО = ----------—  100 об. %.	(2)
1 + Ь + ™/21Ь	1 + 4,76 -Ь
Пример. Найти стехиометрическую концентрацию водо-
рода в смеси с воздухом.
Исходя из предыдущего объясненпя, левая часть уравнения
горения приобретает теперь следующий вид:
1 •H2 + V2-O2 + 1/2-7e/21N2.
Находим концентрацию водорода (горючего) в этой смеси из
уравнения (2):
/'ст =-----------100=	= 29,6 об. %.
i + 4,76 	3,38
Эти два примера показывают, что максимальная концен-
трация водорода, которая может полностью сгореть в воздухе,
меньше половины соответствующей концентрации в смеси с
чистым кислородом. Последующие примеры сгорания у угле-
водородов в кислороде и в воздухе покажут, что /'ст для
воздуха, как правило, гораздо меньше /ст для кислорода.
Примеры стехиометрических смесей
В целях упрощения расчетов условимся, что воздух со-
стоит пз 1/5 кислорода и 4/5 азота. Поэтому в 5 объемах
воздуха содержится 1 объем кислорода н 4 объема азота.
Уравнение (2) упрощается до следующего вида:
/”ст = —— • 100 об.%
1 + 5/,
269
a)	M стан /кислород: СН4+2-О2 = СО2+2-Н,О, т. е. объем
1
метана+ 2 объема кислорода, или /ct = j—— .100=33 об.%
метана в кислороде могут сгореть полностью.
б)	Метай/воздух : СН4+2-О2 -ф 8-N3=CO2 + 2-Н2О-|-8 • N2
1 объем метана + 10 объемов воздуха (содержащего 2 объема
1
О2), пли /',ст =-----• 100 = 9 об.% метана в воздухе могут
1 -|- 3*2
сгореть полностью.
в)	Эфир/кислород: (С2Н5)2О+б-О2 = 4-СО2 + 5-Н2О, т. е.
1
1 объем паров эфира-|-6 объемов кислорода, или /ст=-—-•
100 = 14 об. % эфпра в кислороде могут сгореть полностью.
г)	Эфир /воздух: (С2Н5)2О + 6-02 +24.N2 = 4.C02+5.II2O+
+24-N2.
1 объем паров эфпра + 30 объемов воздуха (содержащего
1
6 объемов О2), или /‘ст = -—— • 100 = 3 об.% эфпра в воздухе
могут сгореть полностью.
Эти примеры объясняют, почему данный объем стехио-
метрической смеси горючего с воздухом дает значительно
меньше тепла, чем стехиометрическая смесь горючего с кис-
лородом. В случае диэтплэфира смесь в воздухе (г) с самым
высоким теплосодержанием может дать только 3/14^1/5
количества тепла, выделяемого смесью в кислороде lb) с
самым высоким теплосодержанием.
«Богатые» и «бедные» смеси
Если концентрация горючего (f) в смеси с кислородом
или воздухом выше, чем стехиометрическая концентрация (fcT
пли f'ci соответственно), сгорание не может быть полным.
Некоторое количество горючего останется средн продуктов
сгорания. Эти смеси называются «богатыми».
С другой стороны, в бедных смесях / меньше, чем /ст
пли ['ст соответственно, и здесь имеется дефицит горючего.
Хотя сгорание горючего в этих смесях может быть полным,
в конечных продуктах останется кислород.
Во всех смесях с концентрацией горючего, отличающейся
от стехиометрической, количество тепла, выделяющееся при
сгорании данного объема свежей смеси, меньше, чем коли-
чество тепла, выделяющееся прп сгорании равного объема
стехиометрической смеси.
Примеры
I.	Возьмем 1 л стехиометрической смеси метана с кисло-
родом при общем давлении 1 атм.
270
Мы знаем, что / ст=1/3-100 = 33 об.% (а, стр. 270). По-
этому парциальное давление метана равно 1 /3 атм., а кислоро-
да — 2 * * * * * *Is атм.
В идеальном газе при комнатных условиях:
1 моль содержится в 24 л прп давлении 1 атм.;
1/3 моля содержится в 24 л прп давленпп 1/3 атм.;
1/72 моля содержится в 1 л прп давленпп 1 /3 атм.
Поэтому смесь содержит (х /з'1 /24) — г/?2 моля метана п
1/36 моля кислорода.
Если 1 моль метана сгорает в водяной пар п СО2, теплота
сгорания, выделяемая прп этом процессе, равна 192 ккал.
В нашем примере смесь выделяет 1/72-192 =2,7 ккал.
Подставив молекулярные веса метана (16) и кислорода
(32), мы увидим, что общий вес смеси равен 1/72-16 +1/36-32
или несколько более 1 г. Количество тепла, выделяемое
этим граммом сгорающей смеси, можно представить на основе
следующего сравнения: израсходовав такое же количество
тепла, можно накалить докрасна кусок латуни весом 40 г.
II.	Рассмотрим теперь богатую смесь: 80% СН4Ч-20%О2.
Поскольку на каждый объем СН4 требуется 2 объема О2,
в имеющемся кислороде полностью сгорит только 1/2-20% =
10% СН4. В конечных продуктах останется 80 — 10 =70% СН4.
Количество тепла, выделяемое 1 л этой богатой смеси,
будет составлять лишь 10/33 количества тепла, выделяемого
в стехиометрической смеси, т. е.
— - 2,7 = 0,8 ккал.
33
III.	Если взять для сравнения бедную смесь, состоящую
из 10% метана и 90% кислорода, опа тоже даст только
10/33 • 2,7 = 0,8 ккал. Поскольку для сгопанпя 10% метана в
смеси требуется 20% О2 в конечной смеси останется избыток
кислорода, равный 90—20=70% К
На рис. 291 графически показана связь между количеством
выделяемого тепла и составом горючих смесей с воздухом
или кислородом. Сравниваются смеси равных объемов и при
равных общих давлениях. Повышение концентраций горю-
чего в смесях изображается потемнением.
1 В соответствии с общим характером этой книги описание меха-
низма реакций и положения, касающиеся продуктов сгорания, сильно
упрощены. Так, в богатой смеси имеющийся кислород пе просто прео-
бразует часть горючего в углекислый газ и кислород, согласно хими-
ческому уравнению процесса сгорания; полностью может сгореть гораздо
меньшая часть молекул горючего, тогда как большинство молекул
горючего может превратиться в различные продукты окисления (напри-
мер, этиловый эфир в ацетальдегид и т. д.).
271
Количество тепла, выделяемого при сгорании определен-
ного объема любой из смесей, пропорционально высоте наклон-
ных линий над точкой горизонтальной оси координат, соот-
вествующей данной концентрации горючего.
Теплота
ееорания
Рпс. 291.
Если объем выбран таким образом, что стехиометрическая
смесь в кислороде содержит 1 моль горючего, высота вершины
большого треугольника представит теплоту сгорания на 1 моль
горючего.
График показывает также, что:
1) при сгорании бедных смесей горючего с кислородом и
бедных смесей горючего с воздухом выделяется одинаковое
272
количество тепла, пока концентрация горючего не достигает
стехиометрической величины в воздухе (f = Дет);
2) при сгорании стехиометрической смеси горючего с
кислородом выделяется гораздо большее количество тепла,
чем прп сгорании стехиометрической смеси горючего с воз-
духом (сравните вершину треугольника, нарисованного сплош-
ной линией, с вершиной треугольника, нарисованного пунк-
тиром) .
Количество тепла, выделяемое при сгорании
различных смесей
Из предшествующего обсуждения можно вывести следую-
щие общие соотношения между составом смеси горючего с
кислородом (или горючего с воздухом) и количеством тепла,
выделяемого при сгорании. Предполагается, что все смеси
содержатся в сосуде емкостью 24 л прп давлении 1 атм.
Н= теплота сгорания на 1 моль горючего (см. табл. 9,
колонка 4); /ст = содержание горючего (в об.%) в стехиоме-
трической смеси; = содержание горючего (в об.%) в любой
бедной смеси (Д < /ст);/2= содержание горючего (в об.%) в
любой богатой смеси (/2 > /ст). @ст, Qi_, Q2 = количество тепла,
выделяемое прп сгорании стехиометрических, бедных и богатых
смесей. Применяя этп обозначения, получаем:
@ст = Н  /ст	(3),
&	=ест.[-)	(4),
&	^(Ict- Р°°~Л]	(5).
Y2	Y 1100— fell	V
Дробь в выражении для Q2 (уравнение 5) есть отношение
концентрации кислорода в богатой смеси к концентрации
кислорода в стехиометрической смеси. Это легко попять,
так как в богатых смесях концентрация кпелорода опреде-
ляет количество горючего, которое можно сжечь.
Из уравнения для Qj следует, что отношение Д//ст опре-
деляет количество тепла, выделяемого в бедной смеси по
сравнению с максимальной возможной величиной для ()ст.
Поэтому выделяемое количество тепла п другие свойства
горючих смесей часто наносят на график, абсцисса которого
градуирована в величинах этого отношения, т. е. деление 1
на абсциссе представляет стехиометрическую смесь, величины
ниже 1 — бедную и величины выше 1 — богатую смесь.
Пример
Используем приведенные уравнения для определения коли-
чества тепла, выделяемого при сгорании различных смесей
18 Физика лля анестезиологов
273
диэтил-эфира в кислороде и в воздухе. Для удобства берутся
смеси при объеме 24 л и давлении 1 атм. Деление результа-
тов на 24 даст тепло, выделяемое в 1 л смеси. Теплота сго-
рания на 1 моль Н равна 608 ккал.
I.	Один моль диэтил-эфпра для полного сгорания требует
&=6 молей кислорода; поэтому стехиометрические концен-
трации горючего:
В кислороде	В воздухе
/ст =14,3%	/'ст =3,4%
Количество тепла, выделяемое при сгорании этих стехио-
метрических смесей, равно:
(/ст = 608 •	= 81 ккал; (/'ст = 608 • — = 20,7 ккал.
100	100
II.	Рассмотрим теперь бедную смесь с А=2% эфпра; коли-
чество выделяемого тепла будет равно:
= 81-(^1 = 12,2 ккал; 0= 20,7 ^] = 12,2 ккал.
III.	В богатой смеси с /*2,равным 30%,выделяемое тепло
составит:
Q2 = 81 • (—° ~30 ) = 65; Q'2 = 20,7 • Г100--30] = 15,0.
(100 - 13,3/	(100 — 3,4/
Этот пример еще раз подтверждает выводы, полученные
из рис. 291; для концентраций горючего ниже стехиометри-
ческой концентрации в воздухе количество тепла, выделяемо-
го в смесях с кислородом и в смесях с воздухом, одинаково.
Для концентраций горючего выше стехиометрической кон-
центрации в воздухе количество тепла, выделяемое в смесях
с воздухом, мало по сравнению с количеством тепла, выде-
ляемым в смесях с кислородом; в примере III отношение коли-
честв выделяемого тепла равно 15/65.
Для облегчения оценки количества тепла, которое может
быть выделено прп сгорании различных смесей, в табл. 9 [5]
приведена теплота сгорания (графа 4) на 1 моль горючего,
а также стехиометрическая концентрация горючих смесей
с кислородом и с воздухом. В таблицу входит несколько
простых горючих соединений и большинство горючих анесте-
тиков; предполагается, что все они в газообразном состоянии.
Величины теплоты сгорания (графа 4) приведены для случая,
когда конечным продуктом является водяной пар; если пред-
полагается конденсация воды, к величинам в графе 4 следует
добавить число молей воды (графа 3), умноженное на 10,5
ккал/моль (см. стр. 260).
По данным табл. 9, теплота сгорания увеличивается с
размером молекулы; если бы молекулы состояли из одного
274
и того же материала, теплота сгорания на 1 г была бы, по-
видимому, постоянной. Конечпо, это предположение явля-
ется слишком грубым, но в графе 5 можно видеть, что 1 г
определенных молекул, которые состоят только пз водорода и
углерода, имеет теплоту сгорания около 11 ккал.
Таблица 9
Теплота сгорания и стехиометрическая концентрация горючих
	Число молей	Число	Теплота сго- рания		Стехиометри- ческая концен- трация	
Горючее	кисло- рода на 1 моль	обра- зуемой	ккал 1 моль	ккал 1 г	/ст (об. %)	/'ст (об. %)
	горю- чего (Ь)	(И)	горючего		в кис- лороде	в воз- духе
Водород Н2 		Чв	1	57,8	28,7	66,7	29,6
Углерод (графит) 		1	—	94,0	7,9	—	—
Метан СН4 		2	2	192	11,9	13,3	9,5
Этиловый спирт С2Н5ОН	3	3	305	6,6	25	6,5
Ацетилен С2Н2		2Ц2	1	300	11,5	28,6	7,7
Этилен С2Н4		3	2	316	11,3	25	6,5
Циклопропан С3Н6 ....	^/2	3	460	10,9	18,2	4,5
Диэтил-эфир (С2Н6)2 О	6	5	608	8,2	14,3	3,4
Дпвпнил-эфир (С2Н3)2О	5	3	557	8.5	16,7	4,0
Хлорэтил С2Н6С1		3	2	320	5,0	25	6.5
Переход от изотермического окисления к термическому
взрыву
До сих пор мы исключали возможность самонагревания
реагирующей смеси. Мы предполагали скорость выделения
тепла достаточно малой, поэтому тепло могло быть передано
стенкам сосуда; этот процесс мы называли изотермическим
окислением.
Что же происходит, если тепло, выделяемое в начале
реакции, лишь частично отдается стенкам сосуда?
Даже небольшое количество тепла, оставшееся в смеси,
повысит ее температуру, увеличив этпм скорость реакции;
в результате скорость выработки тепла также возрастает.
Однако повышение температуры смеси приведет также к уве-
личению теплоотдачи стенкам сосуда, которые имеют более
низкую температуру.
Преобладание одного из этих двух факторов решит, оста-
новится или не остановится повышение температуры смеси.
Если температура продолжает повышаться, скорость реакции
и выделение тепла очень быстро увеличиваются п устойчивый
окислительный процесс больше невозможен: на смену ему
прпходпт взрыв. Процессу взрыва предшествует резкое повы-
шение скорости реакции, хотя здесь существует предел, обус-
18*
275
ловленный постепенным расходом реагентов: взрывающаяся
смесь все больше и больше разбавляется продуктами сгорания.
Если сосуд, содержащий смесь горючего и кпелорода,
постепенно нагревать, то при некоторой повышенной темпе-
ратуре окисление может стать измеряемым. Небольшое повы-
шение температуры увеличит скорость окисления, но окис-
ление может продолжаться и с постоянной скоростью, пока
стенки сосуда поддерживаются при определенной температуре.
Дальнейшее небольшое повышение температуры может при-
вести к взрыву, что станет понятным из следующего примера.
Стехиометрическая смесь водорода (Н2 + % О2) при общем
давлении 1 атм. содержится в небольшом сосуде (емкостью
около 0,25 л). Опыт повторяется со свежими смесями при
различных температурах (t°C) стенок сосуда.
Скорость окисления выражается как % реакций в 1 мин.
Так, скорость реакции 0,1% в 1 минуту означает, что одна
часть из тысячи в исходной смеси сгорает в воду в течение
1 минуты.
Запись в последней колонке означает, что минимальное
увеличение температуры стенок сосуда по сравнению с вели-
чиной, указанной в предыдущей колонке, приводит к взрыву:
окисление уже не происходит с постоянной скоростью. Хотя
реакция все еще начинается с умеренной скоростью (около
16% в 1 минуту), выделяемое тепло не может больше отда-
ваться стенкам сосуда достаточно быстро и температура в
сосуде резко повышается. Как мы уже видели на стр. 263,
скорость реакции возрастает в огромной степени: от несколь-
ких процентов в минуту до полного сгорания в течение неболь-
шой доли секунды. Тепло, выделяющееся при сгорании, уже
не успевает выходить наружу и поэтому смесь нагревается.
Таблица 10
Зависимость скорости реакции Н2 + ’/2 О., от температуры
стехиометрической смеси
	510	519	527	535	543	548	553	556
Скорость	0,1	0,2	0,5	1	2	4	8	взрыв
Этот пример поможет также понять значение температуры
самовоспламенения равномерно нагреваемой смеси (в данном
опыте 556°С). Должен быть понятен и тот факт, что темпера-
тура воспламенения данной смеси не является универсальной
константой: для того чтобы произошел взрыв, стенки малого
сферического сосуда должны быть нагреты до более высокой
температуры, чем стенки большого сосуда. В процессе реак-
ции в малом сосуде выделяется гораздо меньше тепла, чем
в большем сосуде, к тому же тепло более легко передается
276
стенкам. В результате в малом сосуде повышение температуры
смеси останавливается и окисление может происходить с
постоянной скоростью, тогда как в большем сосуде в тех
же условиях должен произойти взрыв.
Горение и пламя [6]
Терминология процессов быстрого окисления не совсем
уточнена. Одно из разумных обобщений сводится к тому,
что при соответствующих условиях большинство окислитель-
ных процессов в смесях, которые не очень богаты и не очень
бедны, приводит к быстрому выделению тепла и обычно к
излучению света. Такое сильное окисление можно назвать
горением. Когда горение сопровождается излучением значи-
тельного количества света или другой радиацией, такой про-
цесс окисления называют пламенем.
Возьмем восковую свечу с центральным фитилем; здесь
сильное окисление начинается за счет тепла зажженной спички,
которая плавит воск и сообщает
тепло, необходимое для активации
молекул его паров. С этого мо-
мента в реакции между воском и
кислородом окружающего воздуха
выделяется количество тепла, до-
статочное для поддержания про-
цесса горения на конце фитиля.
Процесс горения на верхнем конце
свечи представляет особый случай
«статического пламени»; несмотря
на большое количество горючего
(воска), пламя не охватывает всю
свечу, а ограничивается опреде-
ленным местом.
Статическое пламя наблюдается
также в бедных смесях горючего с
воздухом или с кислородом прп
наличии подходящего наружного
источника тепла. На последующих
рисунках (292—294) тонкая про-
волочная спираль (подобная спи-
рали электрической лампочки) расположена в центре стеклян-
ного сосуда. Прп включении тока от батареи проволока
нагревается и накаляется докрасна. Опыты проводятся в
темной комнате.
Рис. 292. Стеклянный сосуд наполнен очень бедной сме-
сью, содержащей только 1% горючих паров п 99% воздуха.
Хотя смесь невоспламеняема, небольшая светящаяся зона
вокруг проволоки указывает на сгорание горючего. Вблизи
277
горячей проволоки температура и, следовательно, скорость
реакции высоки и выделяемое тепло вызывает свечение. Если
ток выключить, свечение и сам процесс горения прекратятся.
Рис. 293. В сосуд введена менее бедная смесь; стати-
ческое пламя больше и ярче. Это соответствует выделению
большего количества тепла в процессе горения вблизи раска-
ленной проволоки. При выключении тока статическое пламя
Рис. 294.
снова гаснет, поскольку количество тепла, выделяемого при
горении слабой смеси, недостаточно для зажигания следую-
щего наружного слоя.
Рис. 294. Сосуд наполнен более богатой смесью. Сразу
же после включения тока и нагревания проволоки видно
гораздо более яркое пламя совсем иного характера, распро-
страняющееся от проволоки во все стороны. Яркая светя-
щаяся зона быстро приближается к стенкам сосуда, тогда
как внутренняя часть снова потемнела, пламя продолжает
распространяться даже в том случае, если ток внезапно
отключить. Если смесь содержит 4% горючего, говорят,
что она воспламеняема.
Распространяющееся пламя
Этот процесс (рпс. 294) представляет другую разновид-
ность пламени, имеющую гораздо больший интерес для ане-
стезиолога.
Пример. Горизонтальная трубка, например, длиной 100 см
и внутренним диаметром 2 см наполнена смесью, содержа-
278
щеп 10% каменноугольного газа и 90% воздуха. В откры-
тый конец трубки вставляют зажженную спичку. Вспыхивает
пламя, которое быстро перемещается по всей трубке. Даже
если быстро убрать спичку после зажигания смеси, пламя
этого типа продолжает распространяться по свежей смеси,
оставляя за собой продукты сгорания.
Такое горение, сопровождаемое распространяющпмся пла-
менем, известно под названием нормального горения (defla-
gration); газовая смесь, в которой может произойти нор-
мальное горение, считается воспламеняемой.
Распростр анение пламен и
Перемещающееся пламя не является чем-то материальным;
это всего лишь зона, в которой происходят взрывное окисле-
ние с выделением тепла и света, распространяющаяся в
свежую смесь с определенной скоростью. Это явление можно
сравнить с распространением других волн. В обычной
звуковой волне воздух практически совсем не перемещается,
а происходит только распространение возмущения частиц
воздуха со скоростью волны, равной 330 м/сек.
Позднее мы увидим, что скорость многих пламен в газо-
образных смесях гораздо ниже скорости звука (порядка
1 м /сек).
Распространение пламени можно представить следующим
образом: по мере приближения пламени к слою свежей газо-
вой смеси температура этого слоя повышается до тех пор,
пока скорость окисления в нем не превысит известную вели-
чину, после чего реакция приобретает характер взрыва. Таким
образом, этот слой сам становится фронтом пламени; тепло,
выделяющееся прп сгорании, нагревает следующий слой све-
жей смеси в достаточной степени, чтобы вызвать в нем анало-
гичную быструю реакцию. Таким образом, горение все время
распространяется, что можно видеть по распространению
пламени.
Одно пз условий распространения пламени заключается
в том, что слой свежей смеси, прилегающий к фронту пла-
мени, должен быть нагрет до температуры воспламенения.
Воспламенение горючих смесей
Температура, до которой надо нагреть сосуд с воспламеняе-
мой смесью, чтобы началось горение, известна под названием
температуры самовоспламенения (см. пример на стр. 276).
Хотя окисление происходит в смеси и прп гораздо более
низких температурах, зто медленный процесс, который не
вызывает значительного погышзния температуры и поэтому
известен как изотермический.
279
Более непосредственный интерес для анестезиолога пред-
ставляет местное воспламенение, когда вначале зажигается
лишь небольшая часть всей смеси. Источниками такого мест-
ного зажигания могут быть: а) внешнее пламя (зажженная
спичка н т. д.); б) горячая проволока (термокаутер п т. д.)
и электрическая дуга (переключатели); в) электрическая
искра (статическое электричество и т. д.).
При соответствующих условиях любой пз этих источников
может положить начало распространению пламени, которое
будет перемещаться в воспламеняемой газовой смеси долгое
время после того, как источник воспламенения погас.
Тепловом баланс при нормальном горении
При более детальном рассмотрении условий, которые вызы-
вают нормальное распространение пламени в газовых смесях,
необходимо выяснить, что происходит с теплом, выделяю-
щимся при сгорании. Тепло, выделяющееся в любом данном
объеме горящей смеси, расходуется в следующих процессах:
1)	нагревание смежных слоев свежей смеси;
2)	потери за счет теплопередачи и радиации через стенки
сосуда;
3)	накопление тепла в горячих продуктах сгорания;
4)	нагревание таких молекул в смеси, которые не участ-
вуют в реакции (например, азота в воздухе).
Для распространения пламени создаются благоприятные
условия, если потери тепла через стенки сосуда малы, если
в смеси нет или мало разбавляющих газов и если концентра-
ция горючего не слишком далека от стехиометрической.
И наоборот, если при сгорании той или иной смеси может
выделиться лишь небольшое количество тепла или если потери
тепла через стенки сосуда велики, процесс горения, даже
когда он начат, может прекратиться сразу же после удаления
источника зажигания.
Вообще говоря, важнейшим фактором, который опреде-
ляет возможность распространения пламени после зажигания,
является состав свежей смеси.
Нормальное распространение пламени в газовом потоке
Возможность сгорания данной смеси тесно связана со
скоростью пламени в ней. Если скорость пламени прибли-
жается к нулю, сгорания этой смеси, конечно, не произойдет.
Концентрация горючего в свежей смеси или скорее отношение
///ст оказывает, по-видимому, решающее влияние на ско-
рость распространения пламени.
Простым примером влияния концентрации горючего на
скорость пламени может служить горелка Бунзена. Хотя на
280
первый взгляд пламя горелки напоминает статическое пламя
свечи, фактически это нормальное горение, которое поддер-
живается в устойчивом состоянии в пространстве за счет при-
тока свежпх газов по трубке горелки.
Каменноугольный газ пз резиновой трубки выходит через
небольшое сужение (сопло), которое видно через отверстие
для всасывания воздуха на нижнем конце горелки (рис. 295).
Быстрая газовая струя, выходящая из сопла, увлекает за
собой некоторое количество «первичного» воздуха, регулируе-
мое поворотным диском с отверстием.
Каменноугольный газ состоит в основном из водорода и
метана с небольшой примесью окиси углерода; для обеспе-
чения полного сгорания требуется около 5 объемов воздуха
на 1 объем газа. Поскольку многие горелки могут всасывать
только до 2,5 объемов воздуха на 1 объем каменноугольного
газа, по трубке идет богатая смесь (/7/ст=2). Дополнительное
количество воздуха 1 диффундирует в смесь из окружающей
среды по выходе газа пз горелки.
На трех рисунках с изображением горелки отверстие для
всасывания первичного воздуха широко открыто; предпола-
гается, что состав смеси, проходящий вверх по трубке, оста-
ется постоянным.
Рпс. 295. Быстрая струя каменноугольного газа (длинная
стрелка) выходит из сопла горелки, втягивает воздух и обра-
зующаяся смесь зажигается сверху. Пламя продолжает гореть
на верхнем конце трубки.
Рпс. 296. Приток газа постепенно сокращают (более корот-
кая стрелка) с помощью винтового зажима на резиновой
трубке. Пламя становится все меньше и меньше и в конце
концов перемещается вниз по трубке против потока свежей
смеси.
Рис. 297. Если посмотреть через отверстие для всасы-
вания воздуха, можно видеть небольшое пламя у сопла.
Внешне горелка кажется выключенной, но любая неосторож-
ная попытка взять ее в руки может окончиться ожогом.
«Обратный удар» пламени в газовых горелках
Зажигание смеси на верхнем конце горелки вызывает
нормальное распространение пламени; пламя начинает пере-
мещаться через свежую смесь с определенной скоростью.
Однако воспламеняемая смесь в горелке не находится в
состоянии покоя и пламя не может перемещаться вниз по
трубке, пока скорость потока газовой смеси превышает ско-
рость пламени в этой смеси горючего с воздухом.
1 Называемого «вторичным» воздухом.
281
Обратимся к следующем} грубому сравнению: корабль,
способный развить известную скорость, пытается войти из
эстуария в реку с быстрым течением. Если скорость корабля
меньше, чем скорость течения реки, он не сможет пдтп вверх
по течению. Однако он мог бы оставаться на месте (с двига-
телями на «полный вперед») около устья реки, где скорость
течения воды при ее выходе в эстуарий достаточно снижена.
При постепенном сокращении притока газа (рис. 296)
создается положение, когда линейная скорость воспламеняемой
смеси в верхнем конце трубкп меньше, чем скорость пламени
в этой смеси. Теперь пламя может переместиться от верхнего
конца горелки вниз по трубке против потока и горение будет
продолжаться у сопла.
Этого «обратного удара пламени» можно избежать, умень-
шая размер отверстия для всасывания воздуха и сокращая
приток каменноугольного газа. Таким способом в трубке
можно получить более богатую смесь, в которой скорость
282
пламени меньше (примеры на стр. 300, табл. 17); пламя
уже не сможет больше перемещаться вниз по трубке против
потока свежих газов.
Распространение пламенп в трубках
Длинная горизонтальная трубка наполнена воспламеняе-
мой газовой смесью, которая зажжена с левого конца. Пламя
начинает перемещаться по трубке и в известный момент
находится на некотором расстоянии от точки зажигания.
Рис. 298.
Рис. 298. Перед фронтом пламени находится неподвижная
смесь свежих газов. В слое позади фронта происходит хими-
ческая реакция, которая завершается на краю узкой зоны.
Тепло, выделяющееся при сгорании, нагревает газы в этой
зоне до высокой температуры пламени. Еще дальше, позади
зоны реакции, находятся сгоревшие газы (продукты сгора-
ния), все еще довольно горячие, но быстро отдающие тепло
стенкам трубки.
Пропробуем еще раз представить процесс распространения
пламени, рассматривая слой свежего газа, прилегающий в
известный момепт к фронту пламени. Благодаря большой
разности температур тепло быстро передается пз зоны пла-
мени в соседний слой свежих газов; когда температура этого
слоя превысит температуру воспламенения, скорость реак-
ции в нем резко возрастает. Тепло, выделяющееся при сго-
рании, нагревает слой до температуры пламенп. Тогда этот
слой сам становится фронтом пламенп, который таким обра-
зом перемещается.
Условия в распространяющемся пламени
Некоторые численные величины могут помочь составить
представление об условиях во фронте пламенп. По опубли-
кованным подсчетам известные зоны пламенп имеют ширину
порядка 0,01 см [7] . Даже если пламя распространяется с
умеренной скоростью 50 см/сек, оно проходит этот слой в
течение о,о1/5о= 1/5ооо сек- За это же время реагенты, содер-
283
жащиеся в данном слое, превращаются в конечные продукты,
т. е. все взрывное сгорание завершается в пределах 0,2 мсек.
За этот же короткий период температура слоя повышается
от комнатной до 1500°С и выше.
Благодаря высокой температуре в зоне реакции как дав-
ление, так и объем находящихся в ней газов будут стремиться
к увеличению, поскольку произведение давления на объем
пропорционально абсолютной температуре В устройстве,
показанном на рис. 298, трубка в участке зажигания считается
открытой; поэтому давление может почти сравняться с атмо-
сферным и будет лишь слегка выше его. Объем увеличится
соразмерно высокой температуре. Следовательно, сжигаемые
газы расширяются и выходят (см. тонкие стрелки) в направ-
лении, противоположном распространению пламени (белая
стрелка).
Если Тп — температура пламени, а То — температура
реагентов далеко впереди пламени, можно вывести следую-
щее приблизительное отношение:
Скорость пламени ____ Удельный объем реагентов
Скорость сжигаемого газа Удельный объем сжигаемого газа
Поскольку удельный объем идеального газа при постоянной
температуре пропорционален абсолютной температуре, урав-
нение можно написать в следующем виде:
Скорость пламени	То
Скорость сжигаемого газа	Тп
Тп
или скорость сжигаемого газа = скорость пламени • --- .
То
Пример. Пусть температура реагентов То=300°К (27СС),
температура пламени Тп = 2100 °К, скорость пламени —
0,5 м/сек.
Тогда скорость сжигаемого газа будет равна:
Т	2100
Скорость пламени • —- = 0,5 •-----= 0,5 • 7 = 3,5 м/сек
То	300
Воспламенение в закрытом конце трубки
Высокая скорость потока сжигаемых газов по сравнению
со скоростью пламени при нормальном горении приобретает
1 а) со стр. 89 : ро-г>о = (22,41/М) при Т= 273°К,
б) со стр. 100 : v = v0- (Т/273) [Закон Шарля];
в) со стр. 101 : р=р0 (Т/273) [Закон Гей-Люссака].
Объединяя (б) и (в), получим p-v = р0-г0-(Т/273); подставляя
значение pofo пз (а) : p-v = (Т/273)-(22,41/М).
Следовательно, р-г> ~ Т.
284
практическое значение, когда воспламенение происходит в
закрытом конце трубки. В этом случае сжигаемые газы уже
не могут свободно расширяться и выходить назад; вместо этого
они будут проталкивать свежую смесь вперед в направлении
распространения пламени.
Теперь пламя перемещается через газ, который сам течет
в направлении распространения пламени. С точки зрения
неподвижного наблюдателя, находящегося снаружи, пламя
перемещается вдоль трубки со скоростью, которая является
суммой нормальной скорости пламени через смесь в состоянии
покоя и скорости потока газа. Иными словами, взрыв воспла-
меняемой смеси в трубке прп зажигании в закрытом конце
происходит гораздо быстрее, чем при зажигании с открытого
конца.
Скорость пламени, как это нетрудно попять, не является
простым свойством данной воспламеняемой смеси, а зависит
от многих внешних факторов. Действительно, устойчивое
пламя, распространяющееся с постоянной скоростью 1 м/сек
по всему объему воспламеняемой смеси, скорее исключение,
чем правило в нелабораторных условиях. Если трубка слиш-
ком узка, теплоотдача из зоны сгорания через стенки сосуда
будет чрезмерно большой и распространение пламени в смеси
может оказаться невозможным (см. рис. 343, стр. 387).
С другой стороны, трубка не должна быть и слишком
широкой, если мы не хотим, чтобы пламя распространялось
с чрезмерной скоростью или проявляло иные признаки не-
устойчивости. Для многих горючих смесей с низким содержа-
нием кислорода, например для смесей с воздухом, характерно
нормальное распространение пламени со скоростями до одного
или нескольких метров в секунду.
Неустойчивое поведение при нормальном горении пламени
может объяснить большое разнообразие относительно слабых
«взрывов», которые происходят после случайного воспламене-
ния наркотических паров, смешанных с воздухом.
Концентрационные пределы воспламенения [8]
Прп общем обсуждении окислительных процессов (стр. 298)
мы видели, что они происходят не только в стехиометри-
ческих смесях. Подобно этому нормальное горение в воспла-
меняемых смесях происходит не только прп стехиометри-
ческой концентрации, но также в бедных и богатых смесях.
Нижний предел воспламенения
Если изучать распространение пламени в различных сме-
сях, постепенно уменьшая концентрацию горючего от /ст при
сохранении постоянного общего давления (например, 1 атм.),
285
в конечном счете достигается самая низкая концентрация
горючего, ниже которой пламя не сможет распространяться.
Горение (или окисление) может происходить и в более слабых
смесях вблизи источника зажигания, но оно прекращается,
как только источник гаснет. Пламя не может перемещаться
через эти слабые смеси, поскольку происходит слитком мало
молекулярных реакций на единицу объема и выделяющегося
количества тепла недостаточно, чтобы нагреть соседние слои
свежего газа до температуры воспламенения. Самая слабая
концентрация горючей смеси, прп которой возможно распро-
странение пламени, называется нижним пределом воспламе-
нения.
Таблица 11
Сравнение нижнего предела воспламенения
со стехиометрической концентрацией
Вид горючего, смешанного с кислородом	Нижний предел	Стехиометрическая концентрация
Метан 	 Этиловый эфир	(Горюче 6,5 2,1	е в об. %) 33,3 13,3
Данные табл. 11 ясно показывают, что горение все еще
возможно и в очень бедных смесях (f 1 /6-/ст). Точные числен-
ные значения этих нижних пределов могут значительно разли-
чаться в зависимости от размера и формы сосуда, характера
источника зажигания и других внешних факторов (см. стр.
285 и 301).
Верхний предел воспламенения
С другой стороны, если испытывать различные смеси с
повышающейся концентрацией горючего при соответствующих
источниках зажигания, распространение пламени может про-
исходить лишь до тех пор, пока концентрация горючего не
достигнет определенного верхнего значения. За этим верхним
пределом воспламенения горение невозможно; такие богатые
смеси невоспламеняемы. Окисление в них все еще возможно,
но в связи с недостатком кислорода скорость тепловыделения
слишком низка, чтобы пламя могло распространяться от
источника зажигания.
Согласно табл. 12 горение все еще возможно в смесях
с концентрациями горючего в 3—5 раз выше стехиометри-
286
ческой. Цифровые данные и здесь зависят от ряда факторов,
которые уже упоминались в связи с табл. 11.
Таблица 12
Сравнение верхнего предела воспламенения
со стехиометрической концентрацией
Вид горючего, смешанного с кислородом	Верхний предел	Стехиометрическая концентрация
Циклопропан Дивинил-эфир	( Горюче СО 85	>е в об. %) 18 16,7
Простая гипотеза, объясняющая
химическое теплосодержание смесей при нижнем
и верхнем пределах воспламенения
Вместо того чтобы считать доказанным факт существо-
вания двух концентрационных пределов воспламенения, попы-
таемся глубже проникнуть в природу таких смесей. Путь
к этому уже подготовлен нашим исследованием количества
тепла, которое может выделяться при сгорании бедных и
богатых смесей (стр. 274).
Каждая из коробок 7 на левой стороне рпс. 299—302
представляет очень малый единичный объем различных смесей
какого-то горючего с кислородом. Белые шарики изобража-
ют молекулы кислорода, черные — молекулы горючего веще-
ства F. Коробки 2 справа представляют конечные продукты
сгорания.
Для упрощения рисунка предполагается, что продукт
образуется путем соединения одной молекулы горючего с
одной молекулой кислорода согласно уравнению реакции:
1 объем F -]- 1 объем О2 = 1 объем (F-()2).
Стехиометрическая концентрация горючего для этого вооб-
ражаемого процесса горения:
/ ст = ——  100 = 50 об. %.
1 + 1
Пусть пределы равны: НП — 10%, ВП—90%.
Предполагается, что давление в коробках слева пос-
тоянно; оно пропорционально общему числу шариков в
единичном объеме, которое неизменно равно 20.
287
Рпс. 299. В этой стехиометрической смеси из 10 черных
и 10 белых шариков возможны 10 процессов горения:
/ = /ст = (1О/20)-100 = 50%. Сгорание этой смеси дает макси-
мальное количество теплоты.
Рпс. 300. Концентрация кпелорода в этой смеси несколько
превышает ту, которая требуется для полного сгорания;
концентрация горючего: / = (8/20)-100 = 40%. Тем не менее
Рпс. 300.
предполагается, что пламя может перемещаться через такие
смеси, поскольку в восьми процессах горения в единичном
объеме, происходящих за определенное время, выделяется
/	2
Рис. 301.
достаточное количество тепла для нагревания прилегающего
объема выше температуры воспламенения. В продуктах
сгорания остается избыток в количестве 4 молекул кислорода.
Рис. 301. Смесь очень бедна и в единичном объеме проис-
ходит только два процесса горения. Выделяющегося количе-
288
ства тепла недостаточно для зажигания следующего объема.
Эта и более бедные смеси невоспламеняемы.
/ = (2/2о)’Ю0= 10%; нижний предел воспламенения равен
Ю%.
Рис. 302 изображает богатую смесь, но и здесь возмож-
ны лишь два процесса горения на единицу объема; эта и
любые более богатые смеси считаются невоспламеняемыми.
vzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzy
© ® ® ®
© ® w
VZZZZEZZZZZZZZZZZZZZZZZZZp.
2

Рпс. 302.
/ = (18/го)’100 =90%; верхний предел воспламенения
равен 90%.
Рассмотрение воображаемых пределов воспламенения на
рис. 301 и 302 основано на следующем предположении.
В обеих предельных смесях количество тепла, которое
может выделиться при сгорании (химическое теплосодер-
жание), одинаково.
Оправдана ли в какой-то степени такая гипотеза, пред-
стоит решить на основе экспериментальных данных (стр. 291);
пока что она поможет понять влияние третьего, инертного
компонента (разбавителя) в смеси на пределы воспламенения.
Нижние (НП) и верхние (ВП) пределы воспламенения смесей
воображаемого горючего с воздухом
Разбавитель является общим термином для любого сое-
динения, которое не участвует в процессе горения. Примером
самого простого разбавителя может служить азот, когда
кислород в смеси с горючим заменен воздухом; в этом случае
отношение разбавителя (азота) к кислороду остается постоян-
ным:
В воспламеняемых смесях горючего с кислородом тепло-
выделение вблизи нижнего предела определяется числом
доступных молекул горючего, так как кислород имеется
в избытке. В смеси, показанной на рис. 301, общее коли-
чество горючего (10 об.%) соединилось с 10 об.% кислорода,
оставив большой избыток последнего среди конечных про-
дуктов (2).
19 Физика для анестезиологов
289
Если кислород (90%) в исходной смеси 1 был бы заменен
90% воздуха, содержание кислорода уменьшилось бы до
— С/5)' 90 =18%. Этого количества с избытком хватит для
сжигания всего горючего (10%) в смеси.
Сравнение гипотетических пределов воспламенения в воздухе
и кислороде
Для сравнения предпочтительно увеличить размеры коро-
бок с воображаемой смесью (рис. 299—302), чтобы число
шариков в исходных смесях 1 возросло от 20 до 100.
Это лишь увеличивает в 5 раз число процессов горения,
рассмотренных на рисунках, т. е. в стехиометрической смеси,
изображенной на рис. 299, должно произойти 50 процессов,
в бедной смеси (рис. 301) —10 и в богатой смеси (рис. 302) —
также 10 процессов. В смеси, содержащей 90% воздуха,
число процессов горения снова составит 10.
Если бы смеси горючего с кислородом и с воздухом при
нижнем пределе воспламенения имели одинаковое хими-
ческое теплосодержание (т. е. выделяли при сгорании равные
количества тепла), мы могли бы прийти к следующему выводу:
нижний предел воспламенения (выраженный в объемных
процентах горючего) в кислороде и воздухе одинаков.
Верхний предел воспламенения нельзя определить простым
замещением кислорода воздухом в богатой смеси. Смесь
горючего с кислородом при верхнем пределе в нашем вообра-
жаемом примере содержала 10 об.% кислорода; при замене
его воздухом у нас останется только (1/5)-10=2% кислорода.
Если для нормального распространения пламени прп
верхнем пределе воспламенения в смеси горючего с воздухом
опять требуется по меньшей мере 1U процессов горения (та-
кое же количество, как и для кислорода), смесь при верх-
нем пределе воспламенения в воздухе должна содержать
10% кислорода, но это количество содержится в 50% воздуха.
Поэтому смесь при верхнем пределе воспламенения данного
горючего в воздухе должна содержать 50% горючего и 50%
воздуха. В смеси горючего с воздухом пришлось бы добавить
еще 4 • 10 =40 дополнительных шариков (скажем, серого
цвета), изображающих азот. Поскольку общее число шариков
(в коробках /) должно неизменно составлять 100, остается
место для 100—(10+40) =50 черных шариков; концентрация
горючего в воздухе при верхнем пределе воспламенения равна
50/юо или 50%.
После реакции в смеси горючего с кислородом при верх-
нем пределе среди продуктов в конечной смеси 2 остаются
90—10=80 молекул горючего (черные шарики). После соот-
ветствующей реакции смеси горючего с воздухом при верхнем
290
пределе в конечных продуктах остаются 50—10=40 молекул
горючего и 40 молекул азота.
Концентрационные пределы горения для этого вообража-
емого горючего можно теперь привести в табл. 13; для срав-
нения в нее включены также концентрации стехиометричес-
ких смесей.
Таблица 13
Сравнение концентрационных пределов горения
для смесей горючего с кислородом и воздухом
Горение-. 1F 4- 1О2 —► продукты (F • O2J
Свойства смеси	Смеси горючего	
	с кисло- родом	с возду- хом
	концентра чего	ция горю- в об.%
Нижний предел		10	10
Стехиометрическая смесь. .	50	17
Верхний предел . 		90	50
Простая теория концентрационных пределов воспламенения
при нормальном горепии
До сих пор мы ограничивались особым случаем горения,
в котором одна молекула горючего требует одной молекулы
кислорода (5=1; стр. 287). Однако рассмотрение общего
случая с различными значениями Ъ не должно изменить
направление уже полученных нами выводов. Тем не менее
при исследовании процессов горения с иными значениями Ъ
(например, в случае горения циклопропана, где Ъ =2,5)
имеются некоторые существенные различия.
Концентрация смеси горючего с кислородом при верхнем
пределе уже не равна (100—НП), а значительно ниже. На
основе детального изучения общего случая можно, сравнивая
эту грубую теорию с экспериментальными данными, сделать
следующие выводы.
Состав смеси при нижнем пределе воспламенения
В теории: нижний предел для смесей горючего с кисло-
родом и с воздухом одинаков.
 В эксперименте: численные значения нижних пределов
для смесей данного воспламеняемого газа с кислородом и с
воздухом фактически очень близки друг к другу (см. табл. 14).
Нижний предел воспламенения в нашем воображаемом
примере был выбран довольно высоким с целью упрощения
рисунка (10%; рис. 301). Многие наркотические и другие
19 *
291
общеизвестные воспламеняемые смесп имеют нижний предел
воспламенения от 2% и выше. Иными словами, для распро-
странения пламени прп нижнем пределе требуется всего лишь
два процесса горения на 100 молекул исходной смеси.
Состав смеси при верхнем пределе воспламенения
В теории: верхний предел нормального горения для
смесей горючего с кислородом значительно выше, чем для
смесей горючего с воздухом; в воображаемом примере (табл. 13)
90% и 50% соответственно. Если b процесса горения
больше 1, верхний предел как в кислороде, так и в воздухе
должен быть меньше, чем приведенные выше величины.
Концентрационные пределы при нормальном горении
в смесях с кислородом гораздо шире, чем в смесях
с воздухом
В эксперименте', верхний предел воспламенения для сме-
сей горючего с кислородом действительно гораздо выше,
чем для смесей горючего с воздухом.
Однако здесь имеет место следующее противоречие. Верх-
ний предел воспламенения горючего как в воздухе, так и
в кислороде меньше той величины, которую можно пред-
сказать, исходя из простого предположения о равном числе
процессов горения, требуемых для смесей данного горючего
при нижнем и верхнем пределах (поскольку эксперименталь-
ный верхний предел ниже теоретического, в смеси при верх-
нем пределе должно содержаться больше кислорода и поэтому
в ней может произойти большее число процессов горения).
Кроме того, верхний! предел в кислороде обычно соответ-
ствует гораздо большему количеству процессов горения,
чем верхний предел в воздухе для данного горючего; это
равносильно утверждению, что смесь горючего с кислородом
при верхнем пределе воспламенения имеет гораздо большее
химическое теплосодержание, чем смесь горючего с воздухом
при верхнем пределе. Далее, смесь при верхнем пределе
имеет более высокое химическое теплосодержание, чем смесь
при нижнем пределе; это относится в равной степени как к
смесям горючего с кислородом, так п к смесям горючего с
воздухом.
Число процессов горения при верхнем и нижнем пределах
в кислороде и в воздухе
Для лучшего понимания этих данных рассмотрим следу-
ющий пример', воспламеняемые смеси циклопропана с кисло-
родом и воздухом.
292
Количества возможных процессов горения в смесях с
общим числом молекул, равным 100, даны в табл. 14. Эти
численные величины пропорциональны также количеству
тепла, выделяемого при сгорании различных смесей. Значе-
ния верхнего и нижнего пределов основаны на эксперимен-
тальных данных.
Таблица 14
Смесь	Предел воспламенения		В стехио- метрической смеси
	нижний	верхний	
	число процессов горения		
Циклопропан с кислородом Циклопропан с воздухом	О л 2,4	9 4	19,2 4,7
Для распространения пламени прп верхнем пределе вос-
пламенения и в смесях горючего с кислородом требуется
большее число процессов, чем для распространения пламени
при нижнем пределе воспламенения и в смесях горючего
с воздухом. Это может стать понятным, если принять во вни-
мание компоненты, которые нагреваются за счет тепла, выде-
ляющегося при сгорании, снижая этим конечную температуру
пламени.
При горении смеси горючего с кислородом при верхнем
пределе в конечной смеси остается гораздо больше молекул
горючего, чем при горении смеси горючего с воздухом при
нижнем пределе (эта смесь содержит много молекул азота,
см. стр. 290). Удельная теплоемкость горючих обычно гораздо
выше, чем удельная теплоемкость азота х; поэтому данное
число процессов горения (т. е. данное количество тепла)
нагревает смесь, содержащую большой избыток горючего,
до менее высокой температуры. Следовательно, если темпе-
ратура, которую можно создать сжиганием смесей при верх-
нем и нижнем пределах, определяет возможность распростра-
нения пламени, то придется видоизменить простейшее пред-
положение, что во всех предельных смесях известного горю-
чего требуется одно и то же число процессов горения.
Аналогичными рассуждениями можно объяснить несколько
повышенное число процессов горения, которое требуется
в смесях горючего с воздухом при верхнем пределе по сравне-
нию со смесями при нижнем пределе. И здесь будет иметь
1 Примеры удельной теплоемкости на 1 моль вещества прп 1000°:
этилен ~ 25 кал ; азот ~ 8 кал.
293
место избыток горючего в конечном смеси прп верхнем пре-
деле (хотя гораздо меньший, чем в смесях горючего с кис-
лородом прп верхнем пределе). Более высокая теплоемкость
этого избытка горючего по сравнению с теплоемкостями
азота и кислорода при нижнем пределе вызывает необходи-
мость несколько большего числа процессов горения в смеси
при верхнем пределе по сравнению с числом процессов горе-
ния в смеси прп нижнем пределе воспламенения.
Простое правило для смесей воспламеняемых анестетиков
при нижнем пределе [9]
До сих пор прп сравнении чисел процессов горснпя в
смесях с воздухом и кислородом прп нижнем и верхнем пре-
делах мы ограничивались определенным горючим. Однако
можно поинтересоваться, нет ли каких-либо зависимостей
между нижним и верхним пределами для различных горю-
чих. Очевидная гипотеза могла бы заключаться в следующем:
количество тепла, выделяемого при сгорании любой смеси
горючего с кислородом (пли с воздухом), прп нпжнем пределе
должно быть достаточно для нагревания смеси до некоторой
минимальной температуры пламени.
Проблема значительно упрощается, если исходить из
грубого предположения, что удельная теплоемкость конечной
смеси, образованной при сгорании прп нижнем пределе,
одинакова для всех рассматриваемых намп горючих. Это
предположение нс очень оторвано от действительности, так
как большинство молекул в конечных смесях является моле-
кулами кислорода (или азота и кислорода соответственно),
поскольку концентрации при нижнем пределе для большин-
ства горючих совсем низки. Тогда наша предпосылка прини-
мает следующий вид.
Таблица 1э
Количество тепла, выделяемое прп сгорании
равных объемов (24 л) смесей с концентрациями
горючего при нижнем пределе воспламенения
Смесь горючего с воздухом	Концен- трации НП (горючее в об.%)	Теплота, выделяе- мая в 24 л смеси (ккал)
Метап 				5,0	9,6
Этилен 		2,7	8,5
Циклопропан 		2,4	11,0
Дпэтпл-эфпр		1,8	11,0
Дпвппил-эфпр		1,7	9,5
294
При сгорании единицы объема смеси любого горючего с
концентрацией, соответствующей нижнему пределу воспла-
менения, выделяется одинаковое количество тепла. Это коли-
чество тепла легко подсчитывается путем умножения моляр-
ной концентрации горючего при нижнем пределе на теплоту
сгорания данного горючего1.
Из табл. 15 видно, что наше предположение достаточно
хорошо подтверждается экспериментальными данными. Прп
сгорании горючих смесей при НП выделяется примерно
одинаковое количество тепла (порядка 10 ккал на 24 л).
Переход от статического пламени к нормальному
распространению пламени при разбавлении
очень богатой смеси
Процессы горения в богатых горючих смесях, которые
постепенно разбавляются, можно наблюдать в следующем
простом опыте.
В пустой жестянке с запрессованной крышкой делают
небольшое отверстие в крышке и в дне. Банку наполняют
каменноугольным газом и ставят вверх дном на небольшую
треногу; отверстие в крышке закрывают пробкой.
Рис. 303. К верхнему отверстию
(т. е. к дну жестянки) подносят заж-
женную спичку; над этим отверстием
начинает гореть статическое пламя.
Поскольку жестянка наполнена чистым
горючим (f = 100%), пламя не может
распространиться внутрь.
Рис. 304. Пробку, закрывающую
нижнее отверстие (крышка жестянки),
вынимают. Благодаря тяге, создаваемой
пламенем, воздух входит через нижнее
отверстие и замещает газ, выгорающий
через верхнее отверстие. Таким образом,
горючее в жестянке разбавляется воз-
духом (f уменьшается). Пониженное
содержание горючего изображается на
рисунке более светлыми тонами. Кон-
центрация горючего в банке умень-
шается, приближаясь к верхнему пределу
воспламенения. Распространение пла-
Рис. 303.
мени пока еще невозможно, но внутри жестянки под верх-
ним отверстием возникает ореол. На уровне верхнего отвер-
стия пли выше газ сильно разбавлен наружным воздухом;
концентрация газа в смеси находится в пределах воспла-
1 Имеется в виду молярная теплота сгорания (прим, род.)
295
менения, и газ продолжает гореть. Он также создает источник
тепла для растущего статического пламенп внутри жестянки.
Рис. 305. Воздух продолжает входить в банку через ниж-
нее отверстие. Когда концентрация горючего в жестянке сни-
жается до верхнего предела, пламя опадает
и ореол внутри жестянки увеличивается по
размеру и яркости. Наконец, пламя пол-
ностью исчезает внутри верхнего отверстия
и момент спустя раздается звук взрыва
(рис. 306); жестянка взлетает вверх, как
ракета с реактивным двигателем, оставив
крышку на треноге.
Незадолго до этого концентрация горю
чего в нижней части жестянки упала гораздо
ниже верхнего предела и стало возможным
быстрое горение. Диапазон воспламенения
в каменноугольном газе 1 для пламенп, пе-
ремещающегося вниз по смеси, лежит в
пределах от 10 до 19 об.% (приблизительно).
Поэтому часть содержимого жестянки дол-
жна была быть разбавлена ниже f= 19%,
чтобы могло произойти нормальное горение.
Рис. 304.
Рис. 305.
Экспериментальные пределы воспламенения
Исчерпывающая табл. 16, в которой даны пределы вос-
пламенения различных смесей, приведена в конце этой главы,
хотя некоторые условия для указанных в ней данных объяс-
няются в последующих разделах. Пределы даны для смесей
1 Горючие компоненты (в об. %) каменноугольного (пли светильного)
газа примерно таковы: водород — 40, метан — 25, окись углерода — 15.
296
с воздухом, кислородом и закисью азота, т. е. веществами,
дающими кислород для горения или поддерживающими горе-
ние. Чтобы можно было яснее представить положение предель-
ных смесей относительно смесей с максимальным химическим
теплосодержанием, в табл. 16 включены графы 8, 9 и 10,
в которых указаны стехиометрические концентрации горючего
в различных веществах, поддерживающих горение.
Таблица 16
Пределы воспламенения в воздухе, кислороде и закиси азота (в о б. %)
	Нижний предел в			Верхний предел в			Стехиометричеек ая смесь в		
	воз- духе	О»	N3O	воз- духе	О2	N„O	воз- духе	Оа	NSO
Волопод 		4,0	4,6	5,8	74	94	86	30	67	50
Метан ........	5,0	5,4	4,0	15	59	40	9,5	33	20
Этилен		2,8	2,9	1,9	28	80	40	6,5	25	14
Циклопропан	2,4	2,4	1,6	10	63	30	4,5	18	10
Диэтил-эфир	1,8	2,1	1,5	36	82	24	3,4	13	8
Дивинил-эфир	1,7	1,8	1,4	27	85	25	3,0	17	9
Хлор-этил ....	4,0	4,0	2,1	15	67	33	6,5	25	14
Цифры в графах 2 и 3 подтверждают наши более ранние
данные о почти равных нижних пределах в смесях с воздухом
и кислородом.
ЛИТЕРАТУРА
1.	Lewis В. a. Elbe, von G. Combustion, flames a. explosions of
gases. New York, 1951.
2.	Jost W. Explosions a. combustion processes in gasse. New York, 1946.
3.	S p e a k m a n J. C. An introduction to the electron theory of valency,
3rd ed., Lend., 1955.
4.	L a i d 1 e r K. J. Chemical kinetics, New York, 1950.
5.	Rossini F. D. et al. Selected values of physical and thermodynamic
properties of hydrocarbons and related compounds. Pittsburgh, 1953.
6.	G a у d о n A. G. a. Wo If hard H. G. Flames: their structure,
radiation and temperature. Lend., 1953.
7.	Behrens H. Z. phys. Chem. 1950, 195, 329—36; cf. p 334.
8.	С о w a r d H. F. a. Jones G. W. Lin its of flammability of gases
and vapours, U. S. Bur. Mines, Bull. No, 503, 1952.
9.	Jones G. W. Chem. Rev., 1938, 22, 1—26.
ГЛАВА XXI
ВЗРЫВЫ
2. НОРМАЛЬНОЕ ГОРЕНИЕ И ДЕТОНАЦИИ
В ГОРЮЧИХ СМЕСЯХ
Скорость нормального распространения пламени
Характер горения в любой горючей смеси изменяется при
изменении концентрации в пределах воспламенения. Вблизи
верхнего и нижнего предела воспламенения распространяю-
щееся пламя стремится погаснуть, тогда как самое мощное
воспламенение происходит обычно прп концентрациях горю-
чего, приближающихся к стехиометрической. Это положение
находит более количественное выражение в величинах ско-
рости пламени; прп ее максимальном значении эффекты горения
выражены наиболее резко.
Рпс. 307. Ряд вертикальных трубок (длиной 100 см) напол-
нен смесями горючего с воздухом в порядке постепенно воз-
растающих концентраций, которые показаны внизу на гори-
зонтальной шкале. В нижние концы трубок вставлены
проволочные спирали, которые мояато нагревать электри-
ческим током.
В первых трех трубках слева, содержащих бедные смеси,
и в крайних двух трубках справа, содержащих богатые смеси,
спирали нагреты постоянно. Поскольку предполагается, что
эти смеси находятся ниже нижнего и выше верхнего предела
воспламенения соответственно, около нагретых спиралей воз-
можно лишь статическое пламя 1.
Во всех остальных трубках спираль нагревали лишь на
короткое время прп нулевом времени, чтобы зажечь воспла-
меняемые смеси. На рисунке показаны положения распро-
страняющегося пламени через 1 секунду.
1 В реальном опыте пламя в смесях вблизи верхнего предела
воспламенения должно казаться ярким и «дымным», поскольку пеполное
окисление приводит к образованию накаленных частиц углерода.
298
Рпс. 307.
В этом воображаемом горючем скорость пламени повышается
приблизительно от 45 см/сек прп нижнем пределе воспламе-
нения (/ = 4%) до максимального значения 85 см/сек при
/=8% и снижается в богатых смесях до 55 см/сек при верх-
нем пределе (f= 11%).
Заштрихованные части трубок изображают сгоревшие газы
(конечные продукты), которые оставляет зэ собой перемеща-
ющееся пламя.
Изменение скорости пламени в зависимости
от состава смеси
Практический пример изменения скоростей пламени в зави-
симости от концентрации горючего приведен в табл. 17 для
смесей этилена с воздухом. Указанные величины относятся
к пламенам, перемещающимся вверх по вертикальным трубкам
с внутренним диаметром 2,5 см. Во второй строке таблицы
концентрации горючего выражены относительно концентрации
стехиометрической смеси в воздухе; бедные смеси представлены
здесь числами меньше 1, богатые смеси — числами больше
1 (см. также стр. 273).
Пламя перемещается наиболее быстро в смесях с / = 7,2%,
т. е. там, где горючего содержится на 1/]0 больше, чем в
стехиометрической смеси. Табл. 17 показывает, что нижний
предел воспламенения соответствует приблизительно половине
стехиометрической величины. Примерно это же соотношение
справедливо для различных других смесей горючего с воздухом.
Прп верхнем пределе скорость пламени составляет лишь
1/6 максимального значения, а концентрация более чем в
3 раза выше стехиометрической.
Таблица 17
Скорость нормального распространения пламени в смесях этилена
с воздухом
/(Об.»/0) 		3,5	4,0	6,0	7,2	9,4	23
/// ст 		0,53	0,61	0,92	1,10	1,44	3,52
Скорость (см /сек) . .	26	40	ио’	140	70	22
Если измерять в аналогичных условиях скорости распро-
странения пламени в смесях метала с воздухом, максимальная
скорость при/=10,3 об.% составляет 55 см/сек; для этой
смеси f/f ст = 10,3/9,5 = 1,08.
На границах диапазона горения (нижний предел 5,8 об.%,
верхний предел 13 об.%) скорости составляют около %
максимального значения.
300
Направление распространения пламени
На скорость п характер распространения пламени решаю-
щее влияние оказывают окружающие условия (см. стр. 285).
Последующие замечания относятся к воспламеняемым смесям,
содержащимся в трубках. Для трубки данного размера пре-
делы воспламенения зависят от положения трубки и места
зажигания.
Рпс. 308. Вертикальная трубка наполнена смесью горю-
чего с воздухом; в нулевое время спираль в нижнем конце
накалена током от батареи. За короткое время (скажем,
1 секунду) пламя перемещается вверх по трубке в свежую
смесь со скоростью, изображаемой белой стрелкой.
Рпс. 309. Ток выключен, и спираль охладилась. Тем не
менее пламя продолжает распространяться вверх в свежую
смесь и в течение нескольких следующих секунд достигает
верхнего конца трубки.
На последующих иллюстрациях изображена трубка, напол-
ненная той же смесью горючего с воздухом, но накаленная
еппраль зажигания установлена вверху.
Рис. 310. В нулевое время ток включен и еппраль нака-
лена; пламя начало перемещаться вниз. В течение секунды
пламя медленно опускается со скоростью, изображаемой белой
стрелкой более короткой, чем стрелка на рпс. 309.
Рис. 311. Ток все еще включен: часы показывают, что
прошло гораздо больше времени, чем на рис. 310. Тем не
менее пламя мало продвинулось относительно своего поло-
жения па рис. 310 и к моменту, показываемому секундоме-
ром, польпостью погасло.
Прп распространении пламени вверх (рис. 308) горячие
сжигаемые газы стремятся вверх, поскольку их плотность
ниже, чем плотность холодной свежей смеси над фронтом
пламени. Возникающие при этом конвекционные течения сме-
шивают некоторое количество горячих газов со свежей смесью,
увеличивая скорость пламени. Конвекция расширяет также
пределы воспламенения по сравнению с пределами воспламе-
нения при распространении пламени вниз или в горизонталь-
ной трубке.
В табл. 18 дан практический пример для смесей этилена
с воздухом. Хотя влияние направления распространения пла-
мени па нижний предел воспламенения невелико, оно может
быть весьма значительным для верхнего предела. Таким образом,
возможно, что данная смесь, невоспламеняемая прп зажига-
нии в вертикальной трубке сверху, может поддерживать быст-
рое горение, когда зажигание производится с нижнего конца.
При рассмотрении воображаемой горючей смеси на рпс.
308 и далее предполагалось, что ее состав близок к верхнему
пределу прп распространении пламени вверх.
301
ОСО СО ©
Рис. 308
Рис. 311.
смесь
'—^Алродукгти сгорания
Рпс. 309.
Рис. 310
Таблица 18
Пределы воспламенения и направление распро-
странения пламени в смесях этилена с воздухом
Концентрация горючего (в об.%)	Направление распро- странения пламени		
	вверх	ВНИЗ	по гори- зонтали
Прп нижнем пределе..	3,3	3,6	3,3
При верхнем пределе..	25,6	13,7	18,2
Детонации
При известных условиях в газовых смесях происходят
взрывы, которые чрезвычайно сильны по сравнению с отно-
сительно умеренными процессами нормального горения, кото-
рые мы до спх пор рассматривали. При этих явлениях,
носящих название детонаций, скорость пламени очень
высока.
Газовые смеси горючпх веществ с высоким содержанием
кислорода прп зажигании предрасположены к детонации. Если
концентрация горючего в таких богатых кислородом смесях
не очень близка к нижнему плп верхнему пределам воспла-
менения то скорость горения и, следовательно, выделение
тепла могут быстро повыситься до очень высоких значений.
Вследствие быстрого выделения тепла в каждом последующем
слое и соответственного повышения температуры в нем давле-
ние не успевает уравновеситься. Поэтому давление во фронте
пламени повышается до значительных величин. Крутая волна
давления (сравните с волнорезом на морском берегу) ударяет
в прилегающий слой свежей смеси и, действуя подобно порш-
ню, нагревает его при сжатии. Это нагревание при сжатии
происходит чрезвычайно быстро и поднимает температуру
слоя гораздо выше температуры воспламенения, поэтому ско-
рость реакции в нем становится крайне большой.
Начиная с этого момента, распространение горения про-
должается за счет высокой температуры, неизменно развивае-
мой в тех случаях, когда волна сжатия достигает слоя свежей
смеси.
Сравнение нормального горения и детонации
Разницу между нормальным горением и детонацией можно
пояснить следующим грубым сравнением.
Представьте спортивную площадку, переполненную наро-
дом. В одном углу человек шепотом передает своему соседу
какой-то интересный факт. Этот первый сосед сообщает полу-
303
ченные сведения второму соседу, также шепотом. Второй
сосед снова передает сообщение, которое таким путем обхо-
дит людей с постоянной медленной скоростью, пока все при-
сутствующие не узнают новость. Такой метод распространения
можно уподобить умеренному распространению пламени.
Допустим, что на топ же самой площадке сообщение,
которое передал шепотом первый человек, услышали два
пли три соседа. Каждый пз них в свою очередь передает
новость двум или трем другим. Однако некоторые люди пли
не слышат новости, или могут услышать одно и то же от
двух своих соседей; иными словами, некоторые сообщения
тратятся впустую. Общий эффект сводится к тому, что с
каждым шагом новость распространяется в среднем, скажем,
тремя людьми сразу. Сообщение передается быстрее, чем в
первом примере, но все же с довольно умеренной и постоян-
ной скоростью. Это можно сравнить с быстрым распростране-
нием пламени.
Предположим, что люди на площадке обладают гораздо
более сильными голосамп. Человек, который первым распро-
страняет новость, пмеет громкий голос и передает сообщение
криком. Его слышат, скажем, 20 человек, которые в свою
очередь передают сообщение криками еще 400 людям. Новость
распространяется с предельной скоростью; эту картину можно
уподобить детонации.
В первых двух примерах, где новость передается шепотом
на ухо ближайшим соседям, скорость распространения ее
зависит от личного контакта. Прп нормальном горении зажи-
гание свежей смеси вызывается относительно медленным про-
цессом теплопроводности. В последнем примере личный кон-
такт необязателен, поскольку новость передается через всю
площадку практически со скоростью звука.
Физические основы детонации
Механизм, лежащий в основе распространения детонации
в трубке, в общих чертах состоит в следующем.
Предположим, что пламя уже начало перемещаться через
смесь. В зоне сгорания за фронтом пламени тепло выделя-
ется быстро и в большом количестве, поэтому прилегающий
слой свежей смеси нагревается до более высокой температуры,
чем начальная температура предыдущего слоя. Согласно закону
Арренпуса, скорость реакции и выделения тепла во втором
слое должна быть значительно больше, чем в предыдущем
слое; второй слой стал теперь фронтом пламени с гораздо
более высокой температурой. Следующий (третий) слой све-
жего газа нагреется поэтому до еще более высокой темпера-
туры, чем второй слой. Этот процесс продолжается, и нетрудно
304
понять, что за короткое время в «наступающем» пламени
развиваются очень высокие температуры. В то же время
впереди фронта пламени начинают распространяться возму-
щения, связанные с изменением давления.
Распространение малых колебаний давления в газе
Любое небольшое повышение давления местного характера
распространяется в газе со скоростью звука; такой импульс
давления можно получить, слегка ударив по резиновой
мембране, натянутой на открытый конец трубки с воздухом
или любым другим газом. Поскольку передача волны давления
связана с движением газовых молекул, неудпвптельно, что ско-
рость распространения волны близка к значению средней ско-
рости движения молекул при температуре окружающей среды.
В воздухе прп нормальных условиях скорость распро-
странения любых малых возмущений равна приблизительно
330 м/сек, т.е. скорости звука х.
В нормальной звуковой волне, которая создается в про-
цессе речи пли при любом другом умеренном шуме, пере-
даваемая волна давления крайне мала. Когда волна давле-
ния проходит через любую точку в трубке, местное повышение
давления в газе по сравнению с атмосферным обычно гораздо
меньше 1 мм водяного столба.
По-видимому, скорость звука должна увеличиться с повы-
шением температуры газа точно так же, как и скорость дви-
жения молекул. Эту зависимость можно выразить следующим
уравнением:
Скорость звука при Т _ if Т	Oj£
Скорость звука при То \ То ’
нагреть от комнатной температуры до 900°
повысится примерно:
Если газ
скорость звука в нем
1/1200 пт— о
|/~збо' = '^’ плп В Раза-
Распространение больших колебаний давления
Иная картина складывается в случае больших колебаний
давления в начале газового столба; такое возмущение можно
вызвать путем внезапного вталкивания поршня в конец трубки
со скоростью, приближающейся к скорости движения моле-
кул, т. е. несколько сот метров в секунду. Возникающая
прп этом волна давления будет перемещаться- по трубке со
скоростью, намного превышающей нормальную скорость звука.
1 1200 км/час.
20 Физика для анестезиологов
305
Сильная волна давления быстро сжимает газ, значительно
повышая его температуру. Это повышение температуры само
по себе должно повысить скорость распространения волны.
Кроме того, волна давления приводит газ в движение с
большой скоростью. Поэтому любые последующее волны дав-
ления будут перемещаться не только в гораздо более горячем
газе, но и таком газе, который течет с высокой скоростью
в том же направлении. В конечном итоге узкий фронт высо-
кого давления начнет перемещаться со сверхзвуковой ско-
ростью; это явление известно под названием ударной волны.
Скорость распространения волны давления относительно
какой-то неподвижной точки вне трубки есть сумма скорости
звука в нагретом газе и скорости потока самого газа. Это
пример закона сложения скоростей.
Для ясности приведем другой пример этого закона сло-
жения скоростей. Наблюдатель, стоящий около железнодо-
рожного пути, смотрит на поезд, двигающийся со скоростью
По коридору вагона по ходу поезда бежит пассажир со
скоростью v2.
Скорость движения пассажира относительно неподвижного
наблюдателя будет составлять их-{-п2. Если пассажир бежит
со скоростью 10 миль в час в поезде, двигающемся со ско-
ростью 20 миль в час, пассажир перемещается со, скоростью
10 + 20 = 30 миль в час.
Ударные волны 1
На практике ударные волны в воздухе легко возникают
при взрыве бомбы или при движении самолета со скоростью,
превышающей местную скорость звука.
Пример. Пусть воздух находится вначале в состоянии
покоя при давлении 1 атм. и температуре 0°С. Предположим,
что в воздухе перемещается ударная волна, которая мгно-
венно повышает давление до 10 атм. в любой точке, через
которую она проходит.
Эта ударная волна, сжимающая перед собой неподвижный
воздух, перемещается с ударной скоростью 980 м/сек (2490
км/час). Воздух приводится в движение со скоростью потока
720 м/сек (1830 км/час). Если воздух перед фронтом ударной
волпы имеет температуру 0°С, сразу же за фронтом волны
она повышается до ударной температуры 430сС. По нашему
предположению, давление в этой ударной волне равно 10 атм.
(10,3 кг/см2). Воздух под действием фронта ударной волны
сжимается, и его удельный объем уменьшается в отношении
1:4 по сравнению с удельным объемом неподвижного воздуха.
Это сжатие гораздо меньше, чем следовало бы ожидать прп
10-кратном увеличении давления; это объясняется большим
повышением температуры, которое противодействует сжатию.
306
Данный пример показывает, что скорость потока воздуха
позади ударной волны, не говоря уже о скорости самой удар-
ной волны, гораздо выше, чем скорость звука в спокойном
воздухе (330 м/сек); процесс движения ударной волны явля-
ется «сверхзвуковым».
Энергия ударной волны расходуется на сжатие, нагрева-
ние п приведение в движение неподвижного воздуха, и посте-
пенно ударная волна ослабляется, если только опа не под-
держивается visa tergo (толкающей сплои —прим. ред.). Пос-
ледняя могла бы быть обеспечена путем проталкивания по
трубке воображаемого поршня со скоростью, равной ско-
рости воздушного потока.
Детонация — быстрое горение, распространяемое
ударной волной [2]
В случае горения детонирующей смеси горючего с кисло-
родом выделяющееся количество тепла может сообщить энер-
гию, необходимую для поддержания ударной волны. Зна-
чительная часть энергии, расходуемой фронтом ударной
волны, используется для создания сверхзвукового потока
газов в направлении распространения волны.
При сгорании смесей горючего с кислородом, которые не
очень далеки от стехиометрических, выделяется тепло в коли-
честве примерно 1 ккал на 1 г смеси. Если бы все это коли-
чество тепла можно было преобразовать в кинетическую
энергию потока сжигаемых газов, то скорость его могла бы
приблизиться к 2500 м/сек. Конечно, только часть тепла
используется для поддержания быстрого потока сжигаемых
газов непосредственно за фронтом ударной волны, но подсчет
показывает, что этой энергии достаточно для создания сверх-
звуковых скоростей потока, наблюдаемых в опытах по дето-
нации.
Одно пз существенных различий между нормальной
ударной волной в инертном газе и детонацией заключается
в том, что за крутым фронтом волны давления следует очень
узкая зона сгорания, в которой температура вдвое пли более
превышает температуру во фронте ударной волны [3] .
Рпс. 312. Схематическое изображение основных особен-
ностей детонации, распространяющейся в детонирующей смеси
(сравнить с рис. 298, стр. 282, показывающим нормальное
горение).
Очень высокая скорость детонационной волны изобража-
ется длинной стрелкой, направленной в сторону свежей смеси.
Сама детонационная волна показана толстой черной полосой,
которая напоминает об аналогии с движущимся поршнем
(стр. 305). Передний край черной полосы представляет фронт
ударной волны, который сжимает и нагревает свежую газо-
20 *
207
вую смесь. В пределах черной полосы происходит горение,
которое завершается у левого края, где температура гораздо
выше, чем на переднем крае.
Высокое давление ускоряет движение газов вправо (обра-
тите внимание на другое направление движения сжигаемых
газов при нормальном горении).
Скорость потока газов наиболее высока на переднем крае
волны, где она может достигать 80% скорости самой детона-
ционной волны; в конце зоны сгорания (левый край черной
полосы) скорость потока газов может уменьшиться вдвое по
сравнению со скоростью на переднем крае.
Рис. 312.
На коротком расстоянии за детонационной волной сжи-
гаемые газы перемещаются уже гораздо медленнее в резуль-
тате потерь на трение и охлаждение; поэтому стрелки, изо-
бражающие скорость потока сжигаемых газов позади дето-
национной волны, сделаны сравнительно короткими.
Давление и температура при детонациях
Полностью развившиеся детонационные волны, распро-
страняющиеся в детонирующих газовых смесях в трубках,
имеют следующие характеристические значения:
а)	скорость детонационной волны от 2000 до 3000 м/сек,
б)	максимальная температура детонационной волны от
2500 до 3500°,
в)	максимальное давление волны от 20 до 30 атм.
Максимальное давление является статической величиной,
которая могла бы быть измерена соответствующим прибором,
присоединенным к стенке трубки. Если детонационная волна
встречает препятствпе, это давление увеличивается ударом
быстрого потока сжатых газов, следующих сразу же за фрон-
том волны.
Поэтому общее давление, оказываемое на препятствие,
будет во много раз больше максимального давления.
Эта сторона вопроса может представлять большой практи-
ческий интерес прп оценке разрушительного действия дето-
нации в наркозных смесях.
30 8
Пример. Пусть статическое давление во фронте детона-
ционной волны равно 25 атм., а общее давление удара в 3
раза больше. Если эта детонационная волна ударяет в пре-
пятствие площадью 20 см2
(что соответствует кругу
диаметром 5 см), действу-
ющая на него сила будет
равна:
20 см2 (3-25) — ~ 1500 кг.
см2
Пределы детонации
Так же как и для нор-
мального горения, для
всех детонирующих газо-
вых смесей существуют
нижний и верхний пре-
делы детонации. Для очень
бедных и для богатых
смесей горючего с кисло-
родом выделяющееся коли-
чество тепла становится
недостаточным для под-
держания мощной ударной
волны; вне этих пределов
мы опять наблюдаем нор-
мальное распространение
пламени в смесях. Внутри
этих пределов детонации
скорость детонации изме-
няется относительно мало
по сравнению со скоростью
нормального горения в
пределах воспламенения.
Практическое значение
этого явления заключается
в том, что детонации в
равной степени разруши-
тельны во всем своем
диапазоне.
Для анестезиолога срав-
нение детонаций в смесях
Рис. 313.
с высоким содержанием
кпелорода с нормальным горением в смесях наркотических
паров с воздухом представляет особый интерес.
Рис. 313. Схематическое сравнение пределов детонации в
эфиро-кислородных смесях с пределами нормального горе-
309
нпя в смесях эфира с воздухом. Диапазон и скорости рас-
пространения пламени (нижняя линия) в смесях эфира с
воздухом очень малы по сравнению с диапазоном и ско-
ростями детонации в смесях эфпра с кислородом (верхняя
линия).
Для того чтобы наблюдать нормальное горение на этом
графике, используется цилиндрическое увеличительное стекло,
которое увеличивает шкалу скоростей в 170 раз без изме-
нения шкалы концентраций. Огромная разница между
этими двумя процессами понятна без дальнейшего обсуж-
дения х.
Когда концентрация горючего в кислороде, постепенно
повышаемая от очень бедной смеси, поднимается выше ниж-
него предела воспламенения, в более богатых смесях будет
происходить нормальное горение, пока концентрация смеси
не достигнет нижнего предела детонации. Для широкого
диапазона более богатых смесей детонации возможны до тех
пор, пока не будет достигнут верхний предел детонации,
В смесях с еще более высокими концентрациями горючего
снова возможно горение до тех пор, пока не достигается
верхний предел воспламенения.
Эти различные переходы показаны в табл. 19 для смесей
ацетилена с кислородом, для которых имеются твердо уста-
новленные экспериментальные данные [4] . Хотя ацетилен
сейчас используется только для сварки и других промышлен-
ных процессов, раньше он пользовался некоторой популяр-
ностью как анестезирующий газ.
Значение стехиометрической концентрации снова может
быть полученно из уравнения горения, где 6=21 * * * * * * В/2 (число молей
кислорода, необходимое для сгорания 1 моля горючего).
/ст = ---1-- . Ю0= — =29% .
1+21/2	7
Табл. 19 упрощена путем усреднения скорости детонацион-
ной волны в пределах диапазона детонации. Изменение ско-
рости детонации в зависимости от концентрации является,
однако, весьма небольшим.
1 С целью упрощения опущены «холодные пламена» в смесях
эфира с воздухом (см. стр. 315), но показанный диапазон нормального
горения правилен для пламен, перемещающихся вниз по трубке. Ука-
занные скорости детонации для концентраций эфира выше 40% пе
имеют экспериментального обоснования и продолжение кривой за
черную линию, проведенную от слова «детонация», является спеку-
лятивным.
Главная цель этого рисунка состоит в том, чтобы подчеркнуть боль-
шую разницу между горением и детонацией.
В более реалистическом изображении пунктирная линия, видпая
под увеличительным стеклом, должна была бы находиться несколько
правее подъема нижней кривой.
310
Таблица 19
Пределы нормального горения и детонации в смесях горючего
е кислородом
	Нормальное горение				Детонация		Норм, горение		
	Нижн. предел				Нижний предел	Верхний предел			Средн, предел
Ацетилен (об.°/0) Скорость (м /сек)	3,5 0,4	4,7 2,2	7,4 9,7	11,0 22	15	|	60 — 2 500		63,5 31	70 4	88 0,2
/ = 25%; скорость = 233U м/сек;
/ = 50%; скорость = 2920 м/сек.
Инициирование детонации [5]
Если зажигание детонирующей смеси происходит у закры-
того конца трубки, расширяющиеся продукты сгорания при-
водят в движение свежие газы и по этому пламя перемещается
через ускоряющийся газовый поток. В результате скорость
пламени увеличивается и условия для образования ударной
волны высокого давления становятся настолько благоприят-
ными, что очень быстро начинается настоящая детонация.
Если зажигание легко детонирующих смесей производится
около открытого конца трубки, проходит измеримый проме-
жуток времени, в течение которого скорость пламени уско-
ряется от скорости нормального распространения до истинной
детонации.
Рис. 314. Постепенное развитие детонации.
Первый секундомер: прошло определенное время (напри-
мер, четверть секунды) после того, как искра проскочила
через искровой промежуток запальной свечи, используемый в
качестве источника зажигания, и ускоряющееся пламя про-
двинулось на 1 м.
Второй секундомер: примерно за половину первого про-
межутка времени пламя продвинулось в 3 раза дальше. Это
быстрое ускорение привело к образованию полностью развив-
шейся детонации.
Третий секундомер: детонация переместилась через 16 м
смеси за очень короткое время — 1/100 сек. или менее. Теперь
трубка до 20-метровой отметки наполнена продуктами сго-
рания .
Детонационная волна показана в виде яркой, довольно
широкой зоны; это сделано единственно с той целью, чтобы
показать высокую температуру и мощную сопутствующую
радиацию (главным образом инфракрасную). Фактически зона
311
Рис. 314.
сгорания за фронтом ударной волны (см. рис. 312) крайне
узка; она имеет ширину порядка среднего свободного про-
бега молекулы, т. е. около 1000 А или 10’5 см.
Почему детонации не происходят в смесях анестезирующих
паров с воздухом
Читатель, знакомый с литературой по детонациям, может
выразить удивление по поводу того, что мы ни слова не
сказали о детонациях в смесях с низким содержанием кисло-
рода, например, в смесях горючего с воздухом. Последую-
щий пример покажет, что это лишь запутало бы анестезиолога
в связи с исключительными условиями, необходимыми для
возникновения таких детонаций.
Большие цистерны для хранения нефти и связанные с
ними системы трубопроводов иногда содержат смеси паров
с воздухом; известно, что прп их случайном воспламенении
происходили чрезвычайно сильные взрывы и разрушения.
Для воспроизведения этих условий в эксперименте широкие
трубы диаметром около 30 см и длиной до 50 м наполнили
смесями пропана с воздухом [6] . Прп зажигании смеси около
закрытого конца начинается распространение пламени со
скоростью нескольких метров в секунду, благодаря расшире-
нию сжигаемых газов свежие газы начинают перемещаться
от закрытого конца и пламя ускоряется. После перемещения
на несколько метров скорость пламенп достигает 1U м/сек.
К этому времени процесс горения становится слишком быстрым,
чтобы давление могло оставаться постоянным, и волны давле-
ния приводят к истинной детонации к тому моменту, когда
пламя продвинулось метров на десять от места зажигания.
Не трудно понять, что в короткой трубе (например, длиной
1 м) детонация была бы невозможна.
Для исключительно узкого диапазона эфиро-воздушных
смесей, содержащихся в широких и длинных трубках, также
можно вызвать детонации с помощью очень мощных источ-
ников зажигания [7] . Однако в сравнительно узких в корот-
ких дыхательных шлангах или трубках наркозных аппаратов
детонаций в эфиро-воздушных смесях не бывает.
История детонаций тесно связана с характеристиками,
которые мы только что рассмотрели. После опытов с кисло-
родом Лавуазье (Lavoisier), Пристли (Priestley) и Шеле
(Scheele) в большинстве исследований воспламеняемых газо-
вых смесей в XIX столетии использовались небольшие кон-
тейнеры емкостью несколько кубических сантиметров. И лишь
когда ученые начали изучать воспламеняемые смеси в больших
сосудах пли в длинных трубках, они обнаружили переход от
нормального горения к детонации. Авторами первой работы в
этой области были Вертело (Berthelot) и Вьей (Vieille) [8] (1881).
Взрывы в анестезирующих смесях
Смесь эфира с воздухом
Лишь в узком диапазоне концентраций от 1,8 до 6,5%
эфиро-воздушные смеси поддерживают нормальное пламя,
распространяющееся вниз по трубке. Для других внешних
условий существует гораздо более широкий диапазон про-
цессов горения. Если рассматривать прежде всего нормаль-
ное распространение пламени, то его скорость мала вблизи
пределов и эффекты горения должны быть весьма умеренными.
Между пределами лежит смесь, дающая наиболее высокую
скорость пламени; при зажигании с открытого конца обыч-
ной трубы (например, диаметром 10 см или меньше) скорость
будет меньше 1 м/сек, но она может многократно увеличиться,
если зажигание произведено около закрытого конца трубы.
Давления, возникающие в том случае, когда труба открыта
с одного конца, ничтожно малы; главный вред, который может
причинить горение, связан с температурой пламени. Для многих
случаев горения в смесях паров с воздухом эти температуры
лежат в пределах 1500—2000°.
Смесь, дающая самую высокую скорость пламени, зажи-
гается наиболее легко; концентрация этой смеси «богаче» кон-
центрации стехиометрической смеси (/'ст =3,4%); эта смесь
содержит около 4,5 об.% эфира, т.е. 1,3-/'ст. Воспламеняемые
смеси вблизи верхнего и нижнего предела зажечь наиболее
трудно; если источником зажигания служит электрическая
искра, энергия, требуемая для зажигания предельных сме-
сей, по меньшей мере в 5 раз превышает ту энергию, которая
необходима для большинства воспламеняемых смесей прп
концентрации 4,5%.
Холодные пламена [9,10]
Даже прп кратком изучении литературы, касающейся
пределов воспламенения дпэтил-эфира, читатель обратит вни-
мание на явные расхождения величин, которые в ней приве-
дены. Главная причина этого заключается в существовании
несколько таинственных «холодных пламен». Они могут пере-
мещаться через очень богатые смеси диэтил-эфпра и некото-
рых других органических паров с воздухом прп общем дав-
лении 1 атм., когда концентрация горючего выше верхнего
предела нормального горения. Если нормальное горение пред-
ставляет собой процесс, после которого остаются главным
образом СО2 п Н2О, то холодное пламя является процессом
частичного окисления, который распространяется через све-
жую смесь; когда в процессе участвует эфир, некоторые пз
конечных продуктов являются уксусной кислотой и ацеталь-
дегидом. Название этого процесса указывает, что темпера-
314
тура весьма низка по сравнению с температурой прп нормаль-
ном горении и световое излучение соответственно слабее. Поэ-
тому холодные пламена обычно можно наблюдать только в
затемненной комнате.
Распространение холодных пламен
Холодные пламена могут иметь температуру всего лишь
несколько сот градусов по Цельсию и механизм их распро-
странения должен значительно отличаться от термического
процесса, используемого для объяснения нормального горе-
ния. Фактически холодные пламена распространяются высоко
реактивными частицами молекул (радикалами), которым для
вступления в реакцию со свежей смесью нужна совсем низкая
энергия активации.
Для продолжения процесса реакция должна сопровождаться
регенерацией радикалов; этот механизм известен под наз-
ванием цепной реакции1.
Цепные реакции
Схема цепной реакции имеет следующий вид:
R+C -^Р + С; С + R -+Р + С и т.д.,
где R — реагент и Р — продукт. Промежуточными продук-
тами (С, С и т. д.) могут быть радикалы пли атомы. Один
химический акт не только дает конечный продукт Р, но
образует также промежуточный продукт (активный центр),
который продолжает реакцию.
Некоторые взрывы и современные методы получения энер-
гии, связанные’ с расщеплением ядра, основаны на развет-
вленных цепных реакциях. Однако прп расщеплении ядра
R и Р представляют собой ядра атомов, активными центра-
ми с являются нейтроны и выделяемая прп этом энергия в
миллионы раз больше, чем прп химическом взрыве.
Примером цепной реакции разветвления может служить
следующая схема:
R-i-c-^P + 2-c, 2 • с + 2 • 7? -> 2 • Р + 4 • с п т. д.
Один акт образует два новых активных центра, каждый
пз которых инициирует еще одну реакцию, опять образующую
1 Открытие цепных разветвленных реакций в химии и создание
общей теории процессов, сопровождающихся цепными химическими
реакциями, принадлежит советскому ученому акад. Н. Н. Семенову.
Им разработана также теория теплового взрыва, изучена связь между
горением, взрывом, распространением пламени и законами химических
реакций. В 1956 г. Н. Н. Семенову совместно с английским ученым
С. Хиншелвудом была присуждена Нобелевская премия по химии
(прим. ред.).
315
два новых активных центра; цепи разветвляются и скорость
реакции быстро возрастает [11] ,
Некоторые характерные особенности холодного пламени
таковы:
1)	зажигаются электрически накаленной спиралью или
небольшим газовым пламенем, но не электрическими искрами
умеренной энергии;
2)	распространение в значительной мере зависит от формы
и направления протока или трубки; холодное пламя не пере-
мещается вниз по трубкам нормального размера;
3)	скорость распространения меньше, чем скорость нор-
мального распространения пламени в дпэтпл-эфире; она может
составлять всего лишь несколько сантиметров в секунду;
4)	возникновение возможно только в богатых смесях
(f > /"'ст); холодное пламя легче всего возникает и лучше всего
распространяется в смесях, где концентрации горючего и
кислорода приблизительно равны, например в смеси 20%
эфира и 80% воздуха.
Исходя из указанных характеристик холодного пламени,
нетрудно понять, что данные, касающиеся возможности его
возникновения, должны быть тесно связаны с данными о
размере, положении и других особенностях топ трубки, в
которой оно зажигается.
Для вертикальной трубки и прп зажигании с нижнего
конца концентрации, при которых возникают холодные пла-
мена, простираются непрерывно до верхнего предела нормаль-
ного горения, достигая f = 40% и более.
В горизонтальных трубках может иметь место большой
разрыв между верхним пределом нормального горения и нижним
пределом холодных пламен; в этом интервале распространение
пламен в смеси невозможно.
В качестве практического примера в табл. 20 даны пре-
делы нормального горения и холодного пламени в стеклян-
ной трубке с внутренним диаметром 2,5 см прп известных
условиях зажигания.
Таблица 20
Концентрационные пределы нормального горения и холод-
ного пламени в эфиро-воздушных емееях (в об. % эфира)
Направление распространения пламени			
вверх	по горизонтали		ВНИЗ
сочетание нормального горения и холодного пламени	нормальное горение	холодное пламя	нормальное горение
Диапазон от 2,0 До 47 		Пределы от 2,0 до 6,2	Пределы от 14 до 25	Пределы от 2,0 до 6,2
316
На рис. 315—319 показаны различные светящиеся про-
цессы горения и окисления, которые могут происходить в
смесях эфира с воздухом.
Рис. 315. Горизонтальная трубка наполнена бедной эфиро-
воздушной смесью с концентрацией меньше нижнего предела
Рис. 315.
1, S % смеси эфира с goy
д уро ju
воспламенения. Спираль на одном конце трубки нагревается
электрическим током и вокруг нее образуется статическое
пламя (ореол).
Если ток выключить, статическое пламя исчезает. Даже
и с накаленной спиралью статическое пламя вскоре исчезает,
так как его можно поддерживать только прп условии диффузии
свежей смеси или притока ее за счет конвекции в простран-
ство около спирали. По истечении большого промежутка
времени (см. стрелку секундомера) пламя не вышло из зоны
спирали.
Рис. 316. Такая же трубка наполнена смесью с концентра-
цией несколько выше стехиометрической. В нулевое время
включен ток от батареи и за очень короткое время около
накаленной спирали образуется яркое пламя.
Рис. 317. Ток выключен; спираль значительно охлади-
лась, но яркое пламя продолжает двигаться по трубке. Через
317
несколько секунд пламя прошло через всю трубку длиной
300 см \
Рпс. 318. Та же трубка наполнена очень богатой смесью,
намного превышающей верхний предел нормального горения;
ток включен в нулевое время. Несколько секунд спустя поя-
вляется слабое свечение, как бы вырастающее пз накаленной
спирали.
28 % зориро - Воздуш-
ное с л е с о
28% зсвиро Воздуш-
ной с ле с о
Рис. 318
Рпс. 319.
Рпс. 319. Положение через несколько секунд после вклю-
чения тока. Накаленная спираль к этому моменту охлади-
лась до комнатной температуры и прозрачное холодное пламя
медленно переместилось вдоль части трубкп.
Эфиро-кислородная смесь
Как уже упоминалось выше, существует широкий диапазон
смесей этих двух компонентов, в котором процесс горения
может протекать в виде сильной детонации. Диапазон воспла-
менения в данном случае гораздо шире, чем в смесях эфира
с воздухом: от 2% до 80% и более; в эксперименте детона-
ции наблюдались приблизительно в пределах 3% и 33%.
Все детонирующие смеси эфира с кислородом могут быть
зажжены электрическими искрами. Наиболее детонирующие
смеси зажигаются очень слабыми пскрамп. Для диэтил-эфпра
наиболее детонирующая смесь имеет Д~15%; соответствую-
щая энергия искры составляет менее 1/100 энергии, требуе-
мой для зажигания 5% смеси эфира в кислороде (см. также
стр. 352).
1 Для места зажигания, которое здесь показано, верхний предел
нормального горенпя в трубке шириной 5 см равен примерно 9%.
318
С другой стороны, эфиро-воздушные смесп не так легко
зажигаются искрой; наиболее легко возгорающаяся смесь
эфира с воздухом требует для этого такой энергии искры,
которая сравнима с энергией, необходимой для зажигания
наименее воспламеняемой смеси эфпра с кислородом.
Между эффектами зажигания эфиро-воздушной и эфпро-
кмслородпой смесей равных концентраций имеется разитель-
ный контраст, что видно из сравнения рисунков 320—322
и 323-324.
Рпс. 320. Длинная горизонтальная стеклянная трубка
наполнена воспламеняемой смесью эфпра с воздухом. Зажига-
ние производится электрически накаленной проволочной спи-
ралью около левого конца. В пулевое время спираль уже
нагрета до температуры зажигания. Проходит короткий про-
межуток времени перед тем, как трубка по всему сечению
наполняется нормально распространяющимся пламенем. Ток
выключается.
Рпс. 321. Спираль охладилась, по нормальное распро-
странение пламени не зависит от источника зажигания и
продолжается на некоторую часть трубкп.
319
Рис. 322. Пламя продолжает перемещаться с довольно
равномерной скоростью через свежую смесь.
Следует заметить, что данные иллюстрации весьма схе-
матичны; фактически скорость нормального распространения
Рис. 323.
Рис. 324.
пламени в таком эксперименте была бы гораздо меньше,
если бы трубка была открыта с того конца, где производится
зажигание. Скорость, показанная на этих рисунках, могла
бы наблюдаться в трубке, закрытой с конца зажигания,
но такое пламя не перемещалось бы с равномерной скоростью.
Эти иллюстрации даны с целью подчеркнуть тот факт, что
даже быстрое нормальное горение происходит гораздо медлен-
нее, чем детонация, изображенная на рпс. 323—324.
Рис. 323. Трубка наполнена детонирующей смесью эфира
с кислородом. Для сравнения этого опыта с предыдущим
(рис. 320) здесь тоже показана накаленная спираль в качестве
источника зажигания, хотя практически можно было бы
использовать электрическую искру. Предполагается, что в
нулевое время температура спирали превышает температуру
зажигания; за очень короткое время возникло быстро ускоряю-
щееся пламя, которое вскоре развивается в полную дето-
нацию .
Рис. 324. В течение одной (пли нескольких) тысячных
долей секунды детонация пронеслась по длинной трубке,
которая начала распадаться.
Из сравнения показаний на рис. 323—324 и на рис. 320—322
следует, что детонация практически заканчивается еще до
320
того, как пламя в воздушной смеси выходит из зоны
источника зажигания.
Сравнивая эффекты горения в эфиро-воздушных смесях с
эффектами детонации в эфире-кислородных смесях, можно
сказать, что в первом случае вредные эффекты для больного
сведутся к ожогу. Главный вред, причиняемый детонацией в
эфиро-кислородных смесях, должен быть связан не только
с волной высокого давления, но и с очень высокой темпера-
турой пламени.
В этой связи следует упомянуть, что фронт ударной дето-
национной волны может распространиться в невоспламеняе-
мую или инертную смесь. Хотя волна давления быстро прп
этом ослабнет (рассеется), она все же может вызвать опасные
повреждения. Так, дыхательный шланг с маской, содержа-
щий детонирующую смесь, может быть положен на рот боль-
ного, когда его дыхательные пути содержат еще только воздух.
При случайном воспламенении смеси в шланге детонацион-
ная волна закончилась бы в маске, но ударная волна могла
бы ворваться в дыхательный тракт и повредить трахею или
легкие. Если и дыхательный тракт наполнен детонирующей
смесью, больной может также получить тяжелые ожоги вслед-
ствие исключительно высокой температуры пламени.
Смесь циклопропана с кислородом
При наркозе циклопропан почти всегда вводят с чистым
кислородом. Такие смеси детонируют в широком диапазоне
в пределах воспламенения. В табл. 21 приведены данные
различных процессов горения, которые возможны в смесях
циклопропана с кислородом и с воздухом. Широкий диа-
пазон воспламенения смесей с чистым кислородом посте-
пенно сократился бы, если бы смеси разбавлялись воз-
духом .
Таблица 21
Взрывы в смесях циклопропана
С кислородом	С воздухом	
нормальное горение и дето- нации вместе	только нормальное горение	
Диапазон (циклопропан в об. %)	Пределы (циклопропан в об. %)	
От 2,5 до 60	Нижний предел	Верхний предел
	2,4	10,3
21 Физика для анестезиологов
321
Как и другие воспламеняемые анестетики, смеси цикло-
пропана с воздухом сгорают сравнительно умеренно и не
могут сравниться с темп разрушительными детонациями,
которые происходят при воспламенении смесей с высоким содер-
жанием кислорода.
Аппарат, используемый для введения циклопропана, рабо-
тает по принципу закрытой системы и в идеальном случае
смесь не должна проникать в наружный воздух. Взрывы,
по-видимому, нередко бывают связаны с негерметичными
соединениями, хотя анестезиолог может и не отдавать себе
в этом отчета. Некоторые взрывы объясняли проскакиванием
искр от рентгеновского аппарата через стенки резиновой
трубки плп дыхательного мешка. С технической точки зре-
ния это едва ли возможно. Реальную опасность представляют
искры, вызываемые выравниванием разностей электроста-
тических потенциалов в тот момент, когда маска находится
у лица больного; они несомненно были причиной многих
взрывов, происходивших всегда в смесях циклопропана, бога-
тых кислородом, и причинявших больным сильные повреж-
дения, связанные с действием взрывной волны.
С другой стороны, ни разу не сообщалось о взрыве, кото-
рый произошел бы, например, в результате утечки цикло-
пропана из баллона. Если бы циклопропан вводили в смеси
с воздухом, взрывов было бы мало и, возможно, ни
один лишь автор [12] дал бы методику введения циклопропана
с воздухом.
Смеси дивипил-эфира с кислородом и воздухом
Это вещество в смесях с воздухом считают более взрывча-
тым [13] , чем дпэтпл-эфир; утверждают, что даже в 2%
смесях дпвпппл-эфпра с воздухом может произойти быстрое
распространение пламени, хотя это и не совсем доказано.
Измерения, показавшие необычайно высокие скорости пла-
мени в 5% смесях, производились в полностью закрытых
трубках.
Взрывы в закрытых сосудах
Здесь, по-видимому, уместно подчеркнуть, что скорости
горения и, следовательно, пламени, во всех воспламеняемых
смесях прп зажигании в закрытых сосудах гораздо выше,
чем в открытых трубках. Горячие сжигаемые газы стремятся
расшириться, вызывая турбулентные потоки в газовой смеси,
которые значительно ускоряют пламя. Кроме того, повыше-
ние давления, связанное с высокой температурой сгорающих
газов, обычно ускоряет реакцию. Максимальное давление прп
322
горении 5% смеси дпвпнпл-эфира с воздухом в закрытом
сосуде превышает 7 атм.
Верхний предел в смесях с воздухом, указанный в табл. 22,
требует некоторых пояснений. Несмотря на то что диви-
нил-эфпр прп атмосферном давлении предрасположен к холод-
ному горению гораздо меньше, чем дпэтпл-эфпр, в широкой
вертикальной трубке прп зажигании с нижнего конца он
может гореть холодным пламенем прп концентрациях в пре-
делах от 20 до 26%. Интересен также очень широкий диапа-
зон воспламенения в смесях с чистым кислородом; значение
верхнего предела относится к искровому зажиганию около
закрытого конца трубки.
Таблица 22
Взрывы в смесях дивиппл-эфира
С кислородом	С воздухом
Сочетание нормального горения п детонаций	Нормальное горение и холодное пламя
Диапазон (дивиппл-эфир в об. %) от 1,8 до 85	Пределы (дпвинил-эфпр в об. %) от 1,7 до 27
Очень высокое давление паров дпвпнпл-эфира при ком-
натной температуре (см. стр. 66) таит в себе опасность утечки
его из сосудов, в которых он хранится. Поэтому необходимо
тщательно следить за тем, чтобы это вещество хранилось
вдалеке от любых источников зажигания.
Хлорэтил
Вопреки высказываемым иногда ошибочным взглядам [14]
это вещество очень легко воспламеняется.
Опыт. Большой сосуд частично наполнен водой. На поверх-
ность воды разбрызгивают несколько кубических сантимет-
ров хлорэтнла и подносят к ней зажженную маленькую свечку.
Пары хлорэтнла ярко вспыхивают в воздухе, появляется
едкий запах хлористого водорода.
Смеси хлорэтнла с кислородом могут взрываться, хотя такие
взрывы при общем наркозе крайне редки. Это, по-впдпмому,
связано с тем фактом, что хлорэтил обычно смешивают не с
кислородом, а с воздухом п к тому же применяют его лишь
в течение нескольких минут в качестве средства для вводного
наркоза. К тому времени, когда включают аппарат для диа-
термии или другие источники зажигания, пары уже улетучи-
ваются .
21 *
323
Таблица 23
Концентрационные пределы взрыва смеси
хлорэтпла
С кислородом	С воздухом
(хлорэтил в об. %)	(хлорэтил в об. %)
НП	ВП	НП	ВП
4,0	67	3,8	15
Имеются сообщения о многочисленных случаях воспла-
менения, когда хлорэтил распыляли На кожу вблизи источ-
ника зажигания (например, когда его применяли для обез-
боливания кожи перед наложением термокаутера).
В табл. 23 указаны концентрационные пределы для рас-
пространения взрывов вверх по вертикальным трубам диа-
метром 5 см прп зажпганпп с нижнего открытого конца.
Воспламеняемость хлорированных углеводородов
Хлорэтил является хлорированным углеводородом; од-
нако другие соединения этой группы, например четырех-
хлористый углерод, используют даже в огнетушителях. Воз-
можность образования воспламеняемых смесей хлорированного
углеводорода с кислородом зависит от отношения числа ато-
мов хлора к числу атомов водорода, содержащихся в молекуле,
а также от строения молекулы. Структуры некоторых хлори-
рованных углеводородов и их взрывные свойства перечис-
лены в табл. 24.
Таблица 24
Воспламеняемость хлорированных углеводородов
	Формула	Свойства смесей с кисло- родом или воздухом
Метан 	 Хлористый метил	 Хлороформ.	... Четыреххлористый углерод Этилен 	 Трилен 	 Этан 		 Хлорэтил		сн4 СН3-С1 СН-С12 С-С14 н2-с=с-н2 С12.С=С-НС1 н3-с—с-н3 Н3-С—С-Н2С1	Воспламеняемые » Невоспламеняемые » Воспламеняемые Практически невоспламе- няемые Воспламеняемые »
324
Трилен (трихлорэтилен)
Хотя многие смеси этилена легко воспламеняются, веро-
ятность воспламенения трилена в клинических условиях весьма
мала. Некоторая путаница в вопросе практического значения
взрыва в богатых кислородом смесях с высокой концентра-
цией паров была, по-видпмому, вызвана опубликованием
работы (15), в которой вопреки общепринятым взглядам под-
черкивалась опасность взрыва при использовании смесей
трихлорэтилена. В статье указывалось, что трилен можно
считать невоспламеняемым только при температуре ниже 28°С.
С химической точки зрения это положение вполне правильно,
но оно не учитывает тот факт, что такие концентрированные
смеси паров едва ли могут скопиться в наркозном аппарате.
Пример
При 20°С. Давление насыщенных паров 60 мм водяного
столба;
максимальная концентрация паров: ^^•100 = 7,9%.
При 28СС. Давление насыщенных паров 96 мм водяного
столба;
95
максимальная концентрация паров • 100 = 12,5%.
Нижний предел воспламенения трилена в чистом кисло-
роде равен 10,3%. Даже в насыщенной смеси паров с чистым
кислородом прп 28СС взрыв был бы очень слабым, поскольку
концентрация весьма близка к нижнему пределу.
Верхний предел в смесях с кислородом равен 64%, что
соответствует температуре насыщения 72°С. Такие комбина-
ции высоких температур н насыщенных паров, конечно,
никогда не встречаются в клинической практике даже в
тропиках.
Смеси трилена с воздухом всегда невоспламеняемы. Чтобы
такая смесь стала воспламеняемой, воздух должен быть обо-
гащен кислородом до концентрации кислорода не менее 33%.
В этом случае нижппй предел становится равным 13,3%, что
соответствует температуре насыщения 32°С. В этой связи не
следует упускать из вида, что даже в наркозном испарителе
концентрация паров над жидкостью редко достигает уровня
насыщения при этой температуре. Иными словами, для того
чтобы в практических условиях смесь в наркозном испарителе
хотя бы приблизилась к диапазону воспламенения, потребо-
вались бы еще более высокие температуры, чем указанные
выше.
32-5
Этилен
Этот газ быстро исчезает из практики наркоза; в период
его широкого применения отмечено большое число сильных
взрывов. Этилен всегда смешивали с чистым кислородом и
вряд лп когда-нибудь использовали в закрытой системе,
поэтому большие количества легко воспламеняемых смесей
попадали в комнатный воздух.
В табл. 25 пределы воспламенения этилена в кислороде
и воздухе указаны для распространения пламени вверх по
вертикальной трубке с внутренним диаметром 5 см.
Верхний предел детонации, по-видимому, выше 55%;
наиболее сильные детонации со скоростями 2500 м/сек проис-
ходят при концентрациях этилена в кислороде более 25%.
Таблица 25
Копцснтрацпоппые пределы взрыва в емееях этплепа
С кислородом			С воздухом	
диапазон воспламенения		детонации	нормальное горение	
Нижний предел	Верхний предел		Нижний предел	Верхний предел
3,1	80	от 9 до 50	3	28
Нормальное горение в смесях с воздухом и здесь происхо-
дит относительно слабо. Максимальные скорости пламени
меньше 1 м/сек для / = 7% при зажигании с открытого конца.
Как всегда, диапазон в большой степени зависит от размера
и положения трубки; верхний предел нормального распро-
странения пламени вниз по трубке диаметром 5 см в смесях
этилена с воздухом имеет значение порядка 15%.
Смеси горючего с закисью азота
Иногда считают, что смесь эфира с кислородом и закисью
азота обладает меньшими взрывными свойствами, чем смесь,
содержащая только кислород, исходя пз того, что закись
азота должна якобы действовать как разбавитель подобно
азоту в смеси эфпра с воздухом.
Такой взгляд не только ошибочен, но и может ввести в-
опасное заблуждение. Закись азота активно поддерживает
любой процесс горения; она не только не заглушает взрыв,
но фактически усиливает его. Не менее эффективно, чем
кислород, она образует и детонирующие смеси, например
при смешивании с этиловым эфиром
326
Интересно, однако, что кислород в молекуле закиси азота
не вступает ни в какие биологические окислительные реак-
ции; закись азота не поддерживает жизнь.
Опыт. Высокая окислительная способность закиси азота
проявляется, например, прп введении тлеющей деревянной
щепки в стеклянный сосуд с закисью азота; дерево вспыхи-
вает ярким пламенем. Повторяя этот опыт в кислороде,
невозможно заметить никакой разницы в быстром процессе
горения.
Поэтому закись азота никогда нельзя смешивать с горю-
чим веществом с целью уменьшить риск взрыва. Здесь было
бы уместно привести следующее замечание:
«При смешивании с водородом она (закись азота) с силой
взрывалась, как смесь водорода с кислородом». Это наблюдение
[16] сделал Пристли в 1780 г., и мы лишь перевели его слова
на язык современных химических терминов.
Стехиометрические смеси с закисью азота
Сравнивая горение молекулы горючего F в кислороде с
горением в закиси азота, можно заметить следующие значи-
тельные различия.
Еслп полное сгорание в кислороде выражается уравнением
F + Ъ-О2 продукты,	(1)
то соответствующее уравнение для сгорания в закиси азота
принимает следующий вид:
F + 2 Л  N2O -* продукты + 2 Ь  N2.
Стехиометрические концентрации 1 в этих двух
равны:
(2)
случаях
,	100 , о/
= -----об.%
ст	l + z>	’
Z>X	100	-	д/
/ =_______об. %
'ст	1+26	/о
Пример. Рассматривая горение диэтпл-эфпра, получаем
прп Ь = 6:
/ст=~=14,3%;	^=^ = 7,7«/0.
На первый взгляд может показаться, что данный объем
стехиометрической смеси с закисью азота может дать лишь
около половины того количества тепла, которое выделяет
стехиометрическая смесь с кислородом. Однако предполо-
жение, что теплота сгорания в кислороде и в закпсп азота
более или менее одинакова, совершенно необоснованно.
1 Стехиометрическая концентрация горючего в закиси азота .
327
Теплота сгорания горючего в закиси азота
Вспомним, что процесс горения можно рассматривать как
перестановку связей между атомами и что теплоту сгорания
можно определить путем вычитания суммы энергий связи
атомов в реагирующих молекулах из суммы энергий связи
атомов в молекулах продуктов.
I.	Рассматривая горение водорода в кислороде
О2 + 2Н2 —2Н2О (г),
мы должны вычесть сумму энергий связи одной молекулы
О—О и двух молекул Н—Н из суммы энергий связи двух
молекул Н—О—Н. Оказывается, что энергии связи атомов
Н и 0 в двух молекулах воды на 2.58 ккал/моль больше,
чем в реагирующих молекулах (О2 и 2Н2). Теплота сгорания
водорода с кислородом в 1 моль водяного пара равна
58 ккал/моль.
II.	Для горения в закиси азота берем уравнение:
2N2O + 2Н2 -> 2Н2О (г) + 2N2.
Такая форма записи выбрана для упрощения сравнения
с (I).
Если бы две молекулы N2O были образованы из 2N2 Д- О2,
оказалось бы, что сумма энергий связи атомов N п О в
продуктах реакции меньше, чем в исходных молекулах
(2N2 и О2). Это означает, что при образовании N2O из азота
и кислорода тепло не выделяется, а поглощается извне;
образование N2O является эндотермическим процессом. По-
этому при горении в N2O (II) используется окислитель х,
который обладает более высокой энергией, что окислитель О2,
используемый в (I). Эта дополнительная энергия выделяется
в процессе реакции и повышает теплоту сгорания в закиси
азота по сравнению с теплотой сгорания в кислороде.
На каждую молекулу N20, фигурирующую в стехиометри-
ческом уравнении, при горении смеси выделяется дополни-
тельная теплота, составляющая около 19 ккал/моль.
Общее выражение для приращения теплоты сгорания по
сравнению с теплотой сгорания в кислороде можно написать
как 26-19 ккал/моль.
Примеры
а)	Для сгорания водорода при Ъ = х/2 число молекул N2O
составляет 26 = 1. Поэтому приращение теплоты сгорания
равно 19 ккал/моль.
б)	Для сгорания этилового эфира при 6 = 6 приращение
составляет: (2-6)-19=230 ккал. Теплота сгорания в О2 равна
1 См. стр. 296.
328
608 ккал/моль (см. табл. 9, стр. 275), поэтому теплота сго-
рания в N,0 равна 608+230=838.
Отношение химического теплосодержания в данном объеме
стехиометрической смеси эфира в N2O к теплосодержанию
той же смеси в О2 равно +
7,7 . (230 + 608) _ 3_
' 14,3	608	4
Количества тепла, выделяемые в стехиометрических сме-
сях с О2 или N2O, не так различны, как это кажется на
первый взгляд.
Другое ошибочное представление, касающееся горения в
закиси азота, заключается в том, что N2O можно якобы
рассматривать как простую смесь двух частей N2 и одной
части О2. Это легко опровергается [17].
Если бы те 92,3% N2O, которые содержатся в стехиоме-
трической смеси с 7,7% этилового эфира, были заменены вообра-
жаемой смесью N2 и О2 в пропорции 2:1, она содержала бы
1/3-92,3=30,8% кислорода. В этом количестве кислорода
может сгореть лишь ^-ЗО,8=5,1% эфира вместо 7,7%.
Поэтому количество тепла, выделяемое в данном объеме
воображаемой смеси, уменьшается в отношении 0,47:1 по
сравнению с истинной стехиометрической смесью в N2O.
Это следует из умножения отношения концентраций (5,1/7,7)
на отношение теплот сгорания (608/838). Поэтому при горе-
нии в чистой закиси азота выделяется гораздо большее коли-
чество тепла, чем при горении в воображаемой смеси двух
частей N2 и одной части О2.
Воспламенение смесей горючего с закисью азота
Значения в табл. 26 приведены главным образом с целью
дать представление о широком диапазоне воспламенения для
смесей горючего с закисью азота; эти данные не очень точны
и к тому же получены не в идентичных условиях экспери-
мента .
Одна из причин высокой окислительной способности закиси
азота заключается в том, что в О—N—N энергия связи атома
кислорода более чем в 2 раза меньше энергии связи двух
атомов кислорода в молекуле кислорода О — О. Поэтому атом
кислорода в молекуле N2O становится более доступным для
окислительных процессов.
Диапазоны воспламенения в табл. 26 включают также
детонации. Например, зажигание смесей, содержащих от
1 Первый множитель есть отношение стехиометрических концен-
траций (стр. 327); второй — отношение теплоты сгорания в N2O к теп-
лоте сгорания в О2.
329
50 до 80% Н2 г! N2O, приводит к сильным детонациям со
скоростями пламени около 2500 м/сек. Различные смеси эти-
лового эфира с закисью азота также сильно детонируют,
особенно прп /ст порядка 10%; если закись азота смешана с
кислородом, диапазон расширяется до более высоких концен-
траций эфпра.
Таблица 26
Концентрационные пределы воспламенения
в смесях горючего с закисью азота
	Нормальное горение и дето- нация вместе (горючее в об.%)		Стехиометри- ческая смесь	
	нижний предел	верхний предел	2 Ъ	об. %
Водород 		6	86	1	50
Мотан 			4	40	4	20
Этилоп 		2	40	6	14
Циклопропан	1,6	30	9	10
Этиловый эфир	1,5	24	12	7,7
Дивинил-эфир	1,4	25	11	8,3
Хлорэтил		2	33	6	14
Опыт, описанный на стр. 327, показывает, что твердые
тела могут гореть в закиси азота не менее интенсивно,
чем в кислороде. Имеются сообщения о случаях воспламене-
ния редукционных клапанов, в которых диск или диафрагма
были сделаны из горючих веществ.
с другой стороны, кислород и закись азота не вступают
в реакцию друг с другом. Это следует иметь в виду, встре-
чая ссылки на взрыв во время бронхоскопии, в которых
указывается, что были использованы только эти два газа.
Во всех подобных случаях подлинным виновником взрывов
было, конечно, горючее вещество. Нередко, по-видимому,
испаритель наркозного аппарата содержал эфир, и пары
эфира через негерметпчный кран могли легко попасть в
каналы аппарата (см. стр. 365).
ГЛАВА XXII
ВЗРЫВЫ
3. ИСТОЧНИКИ ЗАЖИГАНИЯ
И ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ОПАСНОСТИ ВЗРЫВА
Возникновение взрывов
Химические причины
Прежде многие взрывы эфпра объясняли наличием перекисей,
находящихся в жидкости в виде примесей. Такие соединения
родственны нормальной перекиси водорода (НО —ОН), в кото-
рой один пли оба атома водорода замещены частями органи-
ческой молекулы, например, этиловой группы—С2Н5. Пере-
киси могут образовываться прп комнатной температуре при
наличии атмосферного кпелорода под действием света; этот
процесс называют также «самоокислением». Перекиси очень
неустойчивы и напоминают в этом отношении так называемые
детонаторы, применяемые в снарядах, гранатах, авиабомбах
и т. д. Нередко встряхивание бутылки, содержащей пере-
киси, приводило к сильным взрывам в химических лабора-
ториях. К счастью, существуют многочисленные вещества,
известные под названием антиоксидантов, которые полностью
предотвращают самоокисление эфира; их всегда добавляют
к наркозному эфиру и при хранении его в темных бутылках
для защиты от света опасность образования перекисей успешно
устраняется.
Самовоспламенение
Самовоспламенение (стр. 276) горючих смесей происхо-
дит в том случае, когда весь сосуд с газовой смесью быстро
нагревается до определенной температуры; воспламенение
происходит почти одновременно по всему объему смеси после
некоторого промежутка времени. Как мы уже видели раньше,
331
воспламеняемые смеси, нагретые до соответствующей темпе-
ратуры, начинают реагировать достаточно быстро и вызы-
вают дальнейший саморазогрев. Этот метод самовоспламене-
ния является ценным средством для ученого, хотя для анесте-
зиолога имеет сравнительно небольшой интерес. Тем не менее,
температуры воспламенения, приведенные для наркотических
смесей, часто основаны на этом довольно искусственном про-
цессе .
Температура самовоспламенения не является простым свой-
ством данной газовой смеси. После того как смесь внезапно
нагревается до такой температуры, при которой становится
заметной скорость реакции, выделяемое тепло продолжает
повышать температуру смеси, пока не начнется горение. Эту
выдержку времени [1] после первоначального нагревания
соответственно и называют «индукционным периодом».
В зависимости от обстоятельств продолжительность его может
изменяться от нескольких миллисекунд до многих часов,
особенно если реакция осуществляется цепью активных частиц
(стр. 315), а не путем теплопередачи от горящего газа к
прилегающему свежему слою. Для практических целей инте-
рес представляют лишь такие температуры воспламенения,
при которых индукционный период исчисляется не более
чем в секундах.
Характерная особенность самовоспламенения мало изме-
няется в широком диапазоне концентраций горючего: для
зажигания смесей метана с воздухом в диапазоне от 3 до
12% их необходимо нагреть до 700—730°С.
Минимальные температуры воспламенения для большин-
ства горючих смесей наркотических паров с воздухом лежат
в пределах 400 и 500°С; для смесей с чистым кислородом
они должны быть на 50°С (или более) ниже значений для
воздуха.
Минимальные температуры самовоспламенения гораздо ниже
температур пламени в последующем горении, которые дости-
гают 1500°С и более.
Богатые смеси этилового эфира с воздухом (выше /=10%)
имеют исключительно низкие температуры воспламенения; при
нагревании сосуда всего до 200°С возникает «холодное пламя».
Нормальное распространение пламени, особенно в смесях с
низкими концентрациями эфира, возможно лишь при гораздо
более высоких температурах (порядка 450°С).
Источники местного зажигания
Практически все наркозные взрывы вызываются местными
источниками зажигания. Вероятность равномерного нагре-
вания поддающегося оценке объема смеси до температуры
самовоспламенения чрезвычайно мала. При местном зажи-
332
гании тепло подводится к небольшой части воспламеняемой
смеси; в течение короткого времени обычно передается огра-
ниченное количество тепла.
Открытое пламя
К источникам с открытым пламенем относятся газовые
горелки, зажженные спички ит.д. От них загораются как
воспламеняемые смеси горючего с воздухом, так и детони-
рующие смеси горючего с кислородом. Подобно электрическим
спиралям, их можно использовать для зажигания хо-
лодных пламен, которые не зажигаются электрическими
искрами.
Могут задать вопрос: откуда же возьмется пламя, если
обращение с анестетиками доверено квалифицированному пер-
соналу? В этом отношении некоторый интерес представляют
следующие случаи.
а)	Дыхательный мешок, содержащий смесь эфира с кис-
лородом и закисью азота, висел на тележке наркозного
аппарата. При помощи небольшой спиртовки (см. рис. 75,
стр. 87) нагревали регулирующий клапан на баллоне с закисью
азота на расстоянии 30 см от мешка. «Через мельчайшее
отверстие в мешке струя газовой смеси попала на пламя и
последовал оглушительный взрыв. Моя голова находилась
в 60 см от взорвавшегося мешка и я получил урок, который
никогда не забуду» [2] .
б)	Потребовалось наполнить эфиром оксфордский испа-
ритель. По ошибке эфир влили в камеру с горячей водой.
Из отверстия для наполнения ударила струя эфира с водой,
которая достигла зажженной газовой горелки, стоявшей на
скамье на расстоянии 60 см. Пламя быстро перекинулось
обратно к испарителю и зажгло единственный горючий ком-
понент — резиновые меха. Этот случай не повлек никаких
драматических последствий, но они наверняка имели бы
место, будь эфир смешан не с воздухом, а с кислородом. Эфир
в испарительной камере не загорелся по той причине, что
концентрация паров в ней была гораздо выше верхнего пре-
дела нормального распространения пламени.
Температура вспышки. Это свойство жидких горючих не
имеет большого значения для анестезиолога, но оно так
часто упоминается в статьях о взрывах, что мы считаем
необходимым дать краткое определение данного термина.
Температура вспышки есть самая низкая температура, при
которой жидкое горючее дает достаточное количество паров
для возникновения «вспышки пламени», когда небольшой
источник пламени подводят к поверхности жидкости. На это
явление в значительной мере влияют многие внешние факторы;
возникновение вспышки зависит от того давления паров
333
жидкости, которое необходимо для образования над жид-
костью воспламеняемой смеси паров с воздухом. Чтобы дать
представление о неопределенности температуры вспышки,
достаточно привести два опубликованных значения для этило-
вого эфира: —40 и —29СС. Соответствующие давления паров
равны 19 и 38 мм ртутного столба; если бы смесь над поверх-
ностью была полностью насыщена, соответствующие концен-
трации равнялись бы 2,5 и 5%.
Температура вспышки для дивинил-эфира и хлорэтнла
также гораздо ниже точки замерзания, тогда как темпера-
тура вспышки для этилового спирта приближается к ком-
натной (около 15°С). Температура вспышки и температура
самовоспламенения данного горючего не связаны простой
зависимостью.
Горячие и накаленные поверхности
Распространенным источником зажигания этого рода, кото-
рый стал причиной многих несчастных случаев на производ-
стве, является обыкновенная тлеющая сигарета. Не так давно
в литературе [3] по наркозу сообщалось о следующем не-
обычном случае.
Рис. 325. Натронную известь высыпали в ведро из натрона,
который был использован для эфирного наркоза по закрытой
системе. Спустя некоторое время туда же стряхнули тлею-
Рис. 325.
щий пепел от сигареты, после чего из ведра вырвалось яркое
пламя. По-видимому, пары эфира, скопившиеся в мелких
полостях зерен натронной извести, постепенно вышли наружу
и смешались в ведре с воздухом, образовав воспламеняемую
смесь. Этот случай интересен в том отношении, что пламя
могло бы явиться непредвиденным источником зажигания для
других горючих материалов, находившихся около ведра.
334
Излучение света от горячих поверхностей
При оценке опасности воспламенения от горячих поверх-
ностей важно установить соотношение между температурой
твердого тела и сопутствующим излучением видимого света.
Рис. 326. Металлический стержень раскален на левом
конце горячим пламенем горелки. Тепло передается к пра-
вому концу, но температура стержня заметно падает в связи
с непрерывной теплоотдачей в наружный воздух и потерями
Рпс. 326.
на излучение. В стержень на равных расстояниях друг от
друга вставлены термометры, чтобы установить соотношение
между излучением света и температурой. Показания термо-
метров свидетельствуют также о том, что температурный гра-
диент наиболее высок в самой горячей части стержня и вырав-
нивается к правому концу. Нагретый таким путем железный
стержень при температуре около 1500°С будет излучать яркий
желтовато-белый свет, при 900°С — ярко-красный, а при
700°С — темно-красный. Та часть стержня, которая имеет
температуру ниже 500°С, практически не излучает видимого
света, хотя рука вблизи этой части сразу же ощутит мощную
инфракрасную радиацию от горячей поверхности.
Эта зависимость между излучением видимого света и тем-
пературой вполне точна для некоторых твердых тел, особенно
для углерода, но неприменима для горячих газов. Газовая
горелка с достаточным притоком воздуха может давать почти
невидимое пламя, хотя температура его будет выше 1800сС.
Однако при неполном сгорании очень богатой смеси распад
335
горючего может образовать твердые частицы углерода, кото-
рые накаливаются и делают пламя ярким (например, пламя
свечи).
Теперь ясно, что в любом опыте при температуре нагре-
вания ниже 500°С стенки многих сосудов, упомянутых при
рассмотрении процесса самовоспламенения, не будут излучать
видимого света.
Лампочки эндоскопических приборов
Эти небольшие электрические лампочки могут стать потен-
циальным местным источником зажигания такого типа, кото-
рый рассматривается в этом разделе. Однако не следует
упускать из вида, что большинство низких температур вос-
пламенения, приведенных в литературе для этила и дпвинил-
эфира, относятся к самовоспламенению, при котором вся
смесь равномерно нагревается. Имеются некоторые основания
предполагать, что поверхностная температура эндоскопичес-
кой лампочки должна быть значительно выше, чтобы дей-
ствовать в качестве источника местного зажигания; у неко-
торых из этих лампочек, питаемых током около 0,2 а при
напряжении 3—4 в, температура поверхности стекла может
достигать 250сС. Опыты, описанные в литературе около 20 лет
назад [4], показали, что эти лампочки не могут вызвать вос-
пламенения легко взрывающихся смесей. Возможно, отно-
сительная взрывобезопасность прп использовании бронхо-
скопов, ларингоскопов и т. д. частично связана с этой при-
чиной .
Положение могло бы стать совсем иным, если бы стеклян-
ная оболочка разбилась и накаленная нить пришла в прямой
контакт с воспламеняемой смесью. Однако и без этого сте-
клянный колпачок может стать гораздо горячее, чем обычно,
если его стенка чрезмерно тонка или нить накала находится
от нее слишком близко. К тому же лампочка может быть
перегрета перед тем как она «перегорит». Сестре совсем не-
трудно повернуть ручку реостата и повысить питающее напря-
жение по команде хирурга, которым хочет получить более
яркое освещение.
Холодное пламя
Хотя это пламя не причиняет вреда своим прямым дейст-
вием, оно имеет коварную способность зажигать детонирую-
щие смеси. Мы видели, что холодные пламена могут возникать
в смесях этилового эфпра с воздухом приблизительно в диа-
пазоне / от 20 до 35%. Холодное пламя может легко зажечь
детонирующие смеси, и приводимый ниже случай не выходит'
за пределы возможного.
336
Рис. 327. Эфирнпца падает с левой тележки и какое-то
количество жидкого эфира разливается по полу. Жидкость
испаряется и благодаря своей высокой плотности смеши-
вается в основном с воздухом около пола. Богатая смесь
распространяется, как это показано теневыми тонами, и
достигает отдаленных частей операционной. Неисправное штеп-
сельное соединение или гибкий шнур от портативной наполь-
ной лампы «искрит», являясь, таким образом, местным источ-
ником зажигания. Богатая смесь случайно загорается; неза-
Рис. 327.
метно крадущееся холодное пламя может достигнуть пола
вокруг тележки справа. Здесь через дыхательный шланг,
который свисает до пола, выходпт тонкая струйка легко
детонирующей эфпро-кислородной смеси. Возможность такой
незаметной утечки газа не исключена даже при закрытых
регулирующих клапанах эфирницы и дозиметра. Когда холод-
ное пламя достигнет нижнего конца дыхательного шланга,
произойдет сильный взрыв.
Подобный ход событий можно воспроизвести в следующем
лабораторном опыте.
Рис. 328. Горизонтальную стеклянную трубку наполняют
богатой эфиро-воздушной смесью с концентрацией эфпра 25%
(вспомним, что /сТ равняется всего лишь 3%). Правый конец
трубки соединяют с мешком, содержащим детонирующую
смесь 4% эфира в кислороде. Кран пока закрыт. Электри-
ческая спираль около левого конца в нулевое время была
накалена и после этого призрачное холодное пламя начало
ползти по трубке.
Рис. 329. Ток выключен, спираль охладилась до комнат-
ной температуры. Однако холодное пламя продолжает мед-
Физика для анестезиологов
337
ленно передвигаться вдоль трубки. Между тем открыли кран
и спустя значительное время (см. часы) пламя достигает
входа в мешок.
Рпс. 330. Момент спустя происходит сильный взрыв: дето-
нирующая смесь в мешке воспламенилась от холодного пламени.
Начинающему не следует браться за этот опыт, требу-
ющий некоторых мер предосторожности.
Зажигание накаленными проволоками
Хорошо известным источником зажигания этого рода явля-
ется термокаутер. Помимо зажигания наркозных смесей,
известны случаи, когда термокаутер [5] вызывал пожары
при подготовке кожи спиртом или другими летучими воспла-
меняемыми веществами. К этой же группе источников зажи-
гания принадлежит обнаженная спираль разбитой эндоскопи-
ческой лампочки, а также искровая дуга, которая может
возникнуть прп неисправности переключателя пли гибкого
шнура электроаппарата.
Детальный механизм зажигания нитями накала очень сло-
жен, но здесь можно применить следующее общее правило,
относящееся также и к электрическим искрам.
Чем быстрее передача энергии от источника зажигания
и чем меньше тот объем, которому она передается, тем
338
ниже минимальная энергия, требуемая для зажигания вос-
пламеняемой смеси.
Чтобы легче понять это правило, возьмем два крайних
положения:
1) при очень медленной передаче ограниченного коли-
чества тепла, т. е. прп очень нпзкой скорости подачи энер-
гии, тепло расходуется, не нагревая газ даже рядом с источ-
ником тепла до требуемой температуры воспламенения1.
2) с другой стороны, если данное количество энергии
передается мгновенно, но в слишком большой объем смеси,
достигаемая максимальная температура и здесь может ока-
заться довольно низком, поскольку ограниченное количество
энергии рассеивается в большом объеме. В этом случае
зажигание было бы возможно лишь прп паращпванип
энергии.
Размеры, форма и материал источника влияют на энер-
гию пли температуру, необходимую для зажигания воспла-
меняемой смеси. Может случиться, что та пли иная смесь
не зажигается от тонкой проволоки, нагретой до определен-
ной температуры, тогда как от большого стержня, нагретого
до той же поверхностной температуры, она легко воспламе-
няется .
Электрическая энергия
Чтобы правильно оценить некоторые данные по взрывам,
инициируемым накаленными проволоками, электрическими
дугами пли искрами, надо несколько отвлечься и сравнить
единицу электрической энергии с единицей тепловой энергии,
т. е. калорией или килокалорией.
Если источник электроэнергии с разностью потенциалов 2
Е вольт подсоединить к проволочной спирали с сопротив-
лением R ом, через еппраль будет проходить электрический
ток сплои I, который ее нагреет.
1 Для зажигания смеси небольшим местным i сточнпком корот-
кого действия (например, термокаутером, включенным на очень корот-
кое время) необходимо нагреть определенный небольшой объем смеси
до высокой температуры; только после этого становится возможным
взрыв, распространяющийся по всему объему смеси. Но сравнению с
температурами, требуемыми для самовоспламенения (см. стр. 332),
эти температуры гораздо выше; они приближаются к температуре самого
пламени, т. о. вместо, например, 600°С они могут достигать 1800°С.
Если же источником является топкая проволока, максимальная тем-
пература самой проволоки может быть еще выню.
2 Е часто называют напряжением сети; правильным научным
термином является электродвижущая спла (ЭДС), по применяемое здесь
выражение помогает сравнить эту электрическую величину с гидравли-
ческим аналогом, где Е — давление, проталкивающее яшдкость через
трубку, которая оказывает определенное сопротивление потоку.
22
339
Зависимость между Е, I и R1 выражается законом Ома:
/=| (1);
или в других формах:
E = RI (2); Е=у	(3);
Примеры, а) Если разность потенциалов на концах спирали
равна /в, а сила проходящего тока /а, тогда из уравнения (3)
сопротивление равно:
n 1b .
R = — =1 ом.
1а
Это и есть определение единицы сопротивления (ома).
б) Если напряжение сети £=240в подается на сопро-
тивление Я = 60 ом, то сила тока, проходящего через это
сопротивление, определяется уравнением (1):
,	240 b ,
I =-----= 4 а.
60 ом
Если источник электроэнергии с разностью потенциалов
Е вольт присоединить к спирали (скажем в электрическом
камине) и пропускать ток силой 1 ампер в течение t секунд,
электроэнергия, рассеиваемая в спирали и выделяемая в виде
тепла, определяется уравнением.
Н = Е-1-1.	(4)
Единица, которой измеряется энергия Н, равна произ-
ведению :
1 в • 1 а • 1 сек
и носит название джоуля (дж).
Иными словами, если разность потенциалов в 1 в, прило-
женная к сопротивлению, поддерживает через него ток 1 а
в течение 1 сек, то прп этом затрачивается количество электро-
энергии, равное 1 джоулю.
Джоуль является довольно малой единицей энергии; его
соотношение со знакомой нам калорией таково:
1 дж = 0,24 кал; 1 кал = 4,2 дж.	(5)
Пример. Через электрический камин (с одной сппралыо),
включенный в электросеть напряжением 240 в, проходит
ток силой 4 а. Сколько тепла вырабатывается за 5 минут?
1 Единица силы тока — ампер (а);
» разности потенциалов — вольт (в);
» сопротивления — ом.
340
Энергия, рассеиваемая в спирали в течение 5 минут
(300 секунд), определяется из уравнении (4) и (5):
Н = 240 в - 4а • 300 сек = 288 000 дж, или
288 000 • 0,24 = 69 000 кал 70 ккал.
Примерно такое же количество тепла выделяется при
сгорании 9 г углерода.
Электрическая мощность
Часто более важно знать, с какой скоростью рассеивается
электроэнергия или с какой скоростью выделяется тепло.
Эта скорость равна общему количеству энергии, деленному
на время, в течение которого она выработана, и иосит наз-
вание «мощности» (Р). Из уравнения (4) следует:
Р = — = Е • / дж/сек.	(6)
Единица электрической мощности (дж/сек) известна под
названием ватта (вт).
Пример. Электрическая лампа для сети 240 в рассчитана
на 60 вт. Каковы: а) сила тока, проходящего через нить
накала и б) потребляемая мощность, если лампа горит в
течение 3 часов?
а) 1 = — =	= 0,25а;
' Е 240 в
6)7/ = Р • t = 60 вт (3.60.60) сек = 648 000 дж.
Лишь небольшая часть электроэнергии, рассеиваемой в
спирали осветительной лампы, выделяется в виде света; пре-
небрегая ею, получаем количество тепла, выделяемое лампой:
0,24 • 648000 кал 155 ккал.
Пример. Некоторый интерес может представить сравнение
мощностей домашних электроприборов с метаболическими
потребностями взрослого человека. При весе тела 70 кг пос-
ледние составляют около 70 ккал/час. Если бы вся эта энер-
гия выделялась в виде теплоты, соответствующая «мощность»
была бы равна:
70 • 10® кал	,
---------20 кал/сек.
3,6 • 10® сек
Согласно уравнению (5), эта мощность соответствует:
20-4,2 дж/сек ~ 80 вт.
341
Другие единицы энергии и мощности
При взимании платы за электричество за единицу потреб-
ляемой электроэнергии берут не джоули, а гораздо большую
величину — киловатт-час. Как показывает само название,
эта единица энергии эквивалентна электрической мощности
1000 вт, потребляемой в течение 1 часа (или мощности 500 вт,
потребляемой в течение 2 часов и т. д.). Поэтому она
равна 1000 вт (60-00) сек=3,6-106 дж, или 860 ккал.
Характеристика мощности указывается, конечно, для
всех автомобильных двигателей и других машин. Вместо
того чтобы говорить об определенном количестве работы,
которую двигатель может выполнить в неопределенное время
(даже самый слабый мотор может сделать очень много, если
он будет непрерывно работать в течение многих лет), ука-
зывается скорость выполнения работы. "В механике за еди-
ницу мощности принята лошадиная сила (л. с.). 1 л.с.=746вт,
или 0,24-746 кал/сек =180 кал/секс^11 ккал/мин.
Минимальные энергии, необходимые для зажигания
накаленными проволоками
Мы видели (стр. 338), что для зажигания требуется
минимальная энергия, если она подается очень быстро и
распространяется не более чем на определенный малый объем.
Кроме того, если в качестве источника зажигания исполь-
зуются проволоки различного диаметра и длины, то более
крупные потребуют большей подводимой энергии, поскольку
они потребляют большее количество энергии для своего нагре-
вания; эта энергия равна произведению массы проволоки
на удельную теплоемкость и на повышение температуры.
Чтобы дать представление об этих энергиях, приводим
описание опыта [6], в котором очень короткие (1,5 мм) и
тонкие проволоки нагреваются током в течение различных
коротких периодов времени. Ток постепенно повышается,
пока не происходит воспламенения окружающей горюче!!
смеси 20% водорода в воздухе. Если проволока диаметром
0,02 мм нагревается электротоком в течение 3 миллисекунд,
минимальная энергия, требуемая для воспламенения, равна
7 миллиджоулям (мдж), или 1,8 мкал.
Если период нагревания увеличить в 10 раз, т. е. до 30мсек,
скорость подачи электроэнергии к проволоке не может быть
просто сокращена в 10 раз, чтобы выделилось такое же общее
количество энергии, что и раньше. Воспламенения факти-
чески не произойдет. Вместо 7 мдж, которые требовались
раньше, теперь для зажигания смеси требуется энергии при-
мерно в 2 раза больше (16 мдж).
342
Эти величины приведены единственно ради сравнения их
с минимальными энергиями для зажигания электрической
искрой. Минимальная энергия, требуемая для зажигания
такими небольшими проволоками, обычно настолько высока,
что проволока накаляется до температуры порядка 2000°С
и плавится.
Некоторое понятие о неопределенности в отношении зажи-
гания накаленными проволоками можно получить из пере-
числения различных возможных случаев:
а)	проволока окисляется при нагревании ее электричес-
ким током; металл сам начинает гореть и вырабатывает гораздо
более высокую температуру, чем та, которая возникает в
результате рассеивания электроэнергии. Тогда окружающая
воспламеняемая смесь легко зажигается;
б)	поверхность проволоки действует как катализатор, т. е.
реакция горючих паров с кислородом в условиях контакта
с ней происходит при более низкой температуре, чем при
наличии некатализирующеп проволоки; этим свойством могут
обладать проволоки из платины. Тогда пространство вокруг
проволоки может оказаться заполненным продуктами сго-
рания, препятствующими притоку свежей смеси, и дальней-
шее нагревание проволоки не вызовет взрыва.
Искры и дуги
Механизм зажигания при электрическом разряде через
воспламеняемую смесь едва ли менее сложен, чем зажигание
накаленными проволоками и малыми поверхностями; здесь
мы сможем рассмотреть сколько-нибудь подробно лишь отдель-
ные стороны этой проблемы.
Некоторым утешением служит тот факт, что множество
противоречивых утверждений относительно взрывов, вызы-
ваемых «статическим электричеством» или другими источ-
никами искровых разрядов, связано частично с туманными
представлениями, сложившимися у ряда авторов-медиков по
этому вопросу, и частично с экспериментальными затруд-
нениями в этой области. Например, в более поздних иссле-
дованиях по искровому зажиганию обнаружилось, что много
старых работ не имеют никакой ценности, поскольку в них
уделялось слишком мало внимания форме электродов и вели-
чине искрового промежутка, а также источнику искры.
Чтобы уяснить значение ряда факторов, от которых зави-
сит образование статических искровых разрядов и вызывае-
мое ими зажигание, следует упомянуть несколько принципов,
касающихся электрического тока в газах; здесь, как и в
предыдущих главах, с целью ясности произведено максималь-
ное упрощение.
343
Электрические свойства молекул
<
Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра
и отрицательно заряженных электронов, так что суммарный
заряд равен нулю; точно так же молекулы, образуемые из
атомов, не имеют заряда («нейтральны»). Заряд, которым
обладает электрон, называется элементарным зарядом и явля-
ется наименьшим количеством отрицательного электричества,
существующим в природе.
Атом водорода состоит пз ядра с одним положительным
элементарным зарядом и одного электрона, тогда как ядро
атома кислорода имеет 8 положительных зарядов и окружено
8 электронами.
Отрицательные электроны с большой силой притягиваются
к положительному ядру. Однако под воздействием очень
высоких температур, быстрых радиоактивных частпц, ультра-
фиолетового света ит.д. атомы или молекулы могут терять
один или несколько электронов. Оставшаяся часть атома (или
молекулы) с положительным зарядом называется положитель-
ным ионом.
Масса одного электрона составляет лишь 1/1800 массы
атома водорода, поэтому практически вся масса атомов и
молекул сосредоточена в их ядрах. Благодаря своей чрез-
вычайно малой массе электроны по сравнению с тяжелыми
ионами очень подвижны под влиянием внешнего электри-
ческого поля.
Воздух и другие газы являются веществами, не проводя-
щими электричество (изоляторами), в противоположность
металлам, в которых электроны могут свободно перемещаться
под воздействием прилагаемой снаружи разности электри-
ческих потенциалов.
Если два металлических стержня (электроды) положить
рядом друг с другом в нормальном воздухе и приложить
к ним разность потенциалов от батареи, электрический ток
не будет проходить через воздух от одного электрода к дру-
гому до тех пор, пока разность потенциалов не достигнет
нескольких сот вольт. Когда разность потенциалов повы-
шается, возможно, до нескольких тысяч вольт (киловольт,
или кв), сильный электрический ток может проскочить в
виде искрового разряда через промежуток между электродами.
Механический аналог электрического разряда в газах
Проскакивание искры через нормальный воздух вообще
возможно лишь потому, что среди огромного количества
(— 1019 в 1 см3) нейтральных газовых молекул всегда суще-
ствует очень мало (скажем, 1000) заряженных частиц. Если
разность потенциалов становится достаточно высокой,заряжен-
344
ные частицы начинают двигаться быстрее: электроны (быстро)
к положительному электроду, а положительные ноны (более
медленно) к отрицательному электроду.
Разность электрических потенциалов можно сравнить с
высотой горы, а промежуток между двумя электродами —
с расстоянием по горизонтали между вершиной горы и доли-
ной. Валун, катящийся с вершины горы, гораздо быстрее
развивает скорость на крутом склоне; иными словами, уклон
определяет, как быстро валун приобретает большую кинети-
ческую энергию. Подобно этому, заряженная частица уско-
ряется тем быстрее, чем выше разность потенциалов и чем
меньше промежуток между электродами.
Отношение разности потенциалов к величине промежутка
соответствует уклону горы и называется напряженностью
электрического поля-, опа выражается в вольтах на 1 см или
любых эквивалентных единицах. Когда напряженность поля
превышает некоторую величину, зависящую от размера и
формы двух электродов, природы газа и других факторов,
некоторые заряженные частицы ускоряются до такой степени,
что они начинают выбивать электроны пз отдельных нейтраль-
ных газовых молекул, которые после этого сами становятся
положительно заряженными ионами. Электрическое поле
может теперь «захватывать» эти вновь образованные заряжен-
ные частицы и ускорять их (главным образом, подвижные
электроны) до тех пор, пока они не смогут разрушать дру-
гие, нейтральные молекулы; образуется лавина электронов
и ионов, и на короткое время промежуток между электро-
дами становится хорошим проводником электрического тока.
Если источник высокой разности потенциалов имеет очень
ограниченный запас энергии, как это бывает с больничным
оборудованием, заряженным статическим электричеством, ис-
кровой разряд через промежуток происходит в течение чрез-
вычайно короткого времени, например одной миллионной
доли секунд (1 мксек).
Если металлические электроды не слишком сближены,
большая часть энергии искры выделится в газ в виде тепла;
если они расположены очень близко друг к другу, тепло
будет передаваться обратно в электроды. Этот фактор очень
важен с точки зрения зажигания воспламеняемых газовых
смесей. Если лицевые поверхности электродов или любые
металлические части, между которыми проскакивает искра,
велики и очень близко расположены друг к другу, значительное
количество тепла, вырабатываемого искрой и начинающимся
процессом горения, может быстро поглотиться электродами
и зажигания не произойдет. Этот процесс называют « гашением».
Подобно тому как горный откос обычно не бывает прямым
и угол наклона не равен высоте, деленной на расстояние по
горизонтали между вершиной и основанием горы, так и
345
напряженность поля в большинстве случаев нельзя получить
путем деления общей разности потенциалов на ширину про-
межутка. Напряженность поля довольно постоянна, если
электродами служат большие шары на близком расстоянии
друг от друга или две параллельные металлические пластины
(прямой склон горы).
Между небольшими металлическими шариками или тон-
кими стержнями, расположенными друг против друга, напря-
женность поля наиболее высока около электродов (склон
горы изогнут, он круто поднимается около вершины, но с
убыванием высоты становится более пологим).
Минимальная разность потенциалов, требуемая
для искрового разряда
В табл. 27 приведены минимальные искровые разности
потенциалов («пробивные напряжения») в атмосферном воз-
духе для различных искровых промежутков. Данные второй
колонки («однородное поле») относятся к электродным стерж-
ням с округленными концами и к металлическим шари-
кам диаметром от 2 см и более; они годны также для параллель-
ных пластин, между которыми поле совершенно однородно
(прямой склон).
Таблица 27
Минимальная искровая разность
потенциалов в воздухе (прп 1 атм)
Искровой промежуток (см)	Электроды	
	однород- ное поле	игольчатые электроды
	разность потенциалов (кв)	
0,01 0,05 о,1 0,5 1,0 1,5	0,8 2,5 4,5 18 31 40	8 12 18
Наименьший промежуток, включенный в табл. 27, равен
0,1 мм. При дальнейшем сокращении промежутка минималь-
ное искровое напряжение не уменьшается безгранично, а
достигает некоторой наименьшей величины (около 300 в).
Однако благодаря близкому расстоянию между электродами
и связанному с этим гасящему эффекту такие небольшие
искровые разности потенциалов не имеют большого значения
для зажигания воспламеняемых анестетиков.
346
Даже если напряженность поля в промежутке постоянна
(прямой склон горы), непробивное значение должно быть
увеличено при сокращении промежутка; это следует из деле-
ния чисел второй колонки на числа первой колонки в
табл. 27. Для промежутка 0,5 см напряженность поля равна
18/0,5=36 кв/см; для промежутка 0,05 см напряженность
поля, необходимая для искры, равна 2,5/0,05=50 кв/см.
Если вновь обратиться к аналогии с горой, то у низкой
горы (разность потенциалов =2,5 кв) склон должен быть более
крутым, чем у высокой (разность потенциалов 18 кв), чтобы
валун мог вызвать достаточно большую лавину до того, как
он достигнет подножия горы.
Практически важна искровая разность потенциалов между
игольчатыми электродами (и острыми краями), которая гораздо
меньше по сравнению с разностью потенциалов, требуемой
для проскакивания искры между круглыми или плоскими
предметами.
В условиях, благоприятных для генерации статического
электричества на больничном оборудовании, разности потен-
циалов редко превышают 10—15 кв. Стойка металлической
тележки, заряженная до разности потенциалов в 12 кв,
может оказаться на расстоянии 0,5 см от водопроводной
трубы, но проскакивания искры не произойдет; в то же время
небольшие винтики или проволоки, выступающие из обоих
предметов, облегчили бы ncKpoBoii разряд.
Искра — наиболее экономичный источник зажигания
Искра, проскакивающая между двумя достаточно сбли-
женными металлическими предметами или, говоря более
специальным языком, менаду топкими стержнями, как это
происходит в запальной свече, представляет собой идеаль-
ный экономичный источник зажигания того типа, который
был рассмотрен на стр. 338. Если предполагать, что общая
имеющаяся энергия ограничена, что справедливо для любого
предмета больничного оборудования, заряженного статическим
электричеством, то вся доступная энергия мгновенно рассе-
ется 1 * искрой в очень малом объеме окружающего газа.
Важность быстрого выделения энергии для зажигания
воспламеняемой смеси иллюстрируется следующим приме-
ром [8] .
Пусть за счет электрической энергии, затрачиваемой
искрой, выделяется 1 мкал (=0,001 кал) тепла. Можно пока-
зать, что прп передаче этого количества тепла в 1 мм3
1 Это положение относится к заряженным проводникам; относи-
тельно разрядов изоляторов см. стр. 389.
317
(=0,001 см3) воздуха в течение 1 мсек (=0,001 сек) темпера-
тура этого малого объема поднимается до 1000°С. Если бы
равное количество тепла выделялось более медленно, в тече-
ние 10 мсек, тот же объем газа нагрелся бы только до 700°С.
Это сравнение ясно показывает, что повышение темпе-
ратуры в газе около источника тепла крайне чувствительно
к скорости выделения тепла.
Характеристики искрового зажигания
С точки зрения анестезиолога, наиболее важны следую-
щие особенности искрового зажигания [9]:
а)	легкость зажигания смесей данного горючего с кис-
лородом пли воздухом в значительной мере зависит от состава
смеси.
Одна из смесей в диапазоне воспламенения требует наи-
меньшей энергии зажигания. Концентрация горючего (/i)
этой наиболее воспламеняемой смеси часто лежит в «богатом»
диапазоне для смесей с воздухом, т.е. filfcT больше 1 (для
эфира /7СТ=1,3, см. стр. 314);
б)	наименьшая энергия, требуемая для зажигания смеси,
называется «минимальной энергией зажигания». Ее величина
быстро возрастает, если концентрация отличается от кон-
центрации наиболее воспламеняемой смеси (f{). Энергии
могут быть очень высоки, когда концентрации приближа-
ются к пределам воспламенения. Этот факт еще раз подтвер-
ждает относительно безопасный характер смесей вблизи
пределов;
в)	энергия зажигания для наиболее воспламеняемых сме-
сей горючих с кислородом гораздо меньше (нередко в 100 раз),
чем для наиболее воспламеняемых смесей с воздухом 1.
Минимальные энергии зажигания
Чтобы составить представление о крайне малых энергиях
зажигания, требуемых для известных воспламеняемых смесей,
вспомним (стр. 340) соотношение между единицами электри-
ческой энергии и теплоты:
1 джоуль (дж)..... 0,24 кал.
1 Это сравнение между наиболее воспламеняемыми смесями в кис-
лороде и воздухе не следует путать со сравнением смесей, имеющих
равные концентрации горючего. Так, энергии зажигания 4% смесей
этилового эфира в кислороде и воздухе почти равны. И все же обратите
внимание не только на разницу между концентрациями, по и па огром-
ную разницу между энергиями для наиболее воспламеняемых смесей
(табл. 28).
348
Поскольку энергии зажигания для очень взрывчатых
смесей зачастую гораздо ниже 1 дж, эта единица заменяется
1 /юоо частью джоуля.
Миллиджоуль (мдж) =>0,24 миллпкалории (мкал).
Чтобы подчеркнуть очень малую величину этих энергий
зажигания, рассмотрим обыденный пример.
Лампочка карманного фонарика имеет нить накала, через
которую проходит ток 0,2 а при питании от батареи с раз-
ностью потенциалов 2,5 в. Какова затрачиваемая энергия
при включении тока лишь на 1 сек?
Из уравнения (4) на стр. 340 получаем для электричес-
кой энергии, затрачиваемой в нити накала:
Н = 2,5 в - 0,2 а - 1 сек = 0,5 дж или 500 мдж, пли 120мкал.
Укажем для сравнения, что наиболее детонирующая
смесь эфира в кислороде может воспламениться от искровой
энергии, равной 0,0012 мдж, т. е. составляющей всего лишь
’Аооооо энергии, вырабатываемой короткой вспышкой
лампочки маленького карманного фонарика. Объем смеси,
который может быть нагрет минимальной искрой до темпе-
ратуры местного воспламенения (скажем, 1000°С), крайне мал.
Пример. Пусть удельная теплоемкость наиболее воспла-
меняемой эфиро-кислородной смеси равна 0,5 мкал/см3 °C.
Минимальная энергия зажигания равна 0,0012 мдж, пли
0,0003 мкал. Из уравнения, согласно которому энергия
искры равна произведению удельной теплоемкости на объем
и на повышение температуры, мы можем подсчитать объем,
нагретый па 1000°С.
Объем__________________Энергия	искры_______________
Удельная теплоемкость X	повышение температуры
0,0003	3-10-4	з
= —-------=------- = —  10 6 см3.
0,5 - 1000	5 -10-2	5
Получается объем меньше 0,0001 мм3.
Смеси горючего в кислороде в табл. 28 приближаются
к стехиометрическому значению, тогда как смеси с воздухом
более богаты.
Употребление миллиджоуля (мдж) вместо тепловых еди-
ниц (кал или мкал) при рассмотрении электрического зажи-
гания является полезной практической нормой. Если зажи-
гание происходит от проволоки, накаляемой на короткое
время, расчет затрачиваемой энергии очень прост (стр. 340).
Для расчета энергии, рассеиваемой в искрах, проскакива-
ющих между статически заряженными предметами, которые
349
представляют собой источник ограниченной энергии, потребо-
вались бы некоторые знания электростатики.
Таблица 28
Наиболее воспламеняемые смеси и минимальные энергии
зажигания в кислороде и воздухе
Горючее	Наиболее воспламе- няемая смесь в		Соответствующие ми- нимальные энергии зажигания в	
	кислороде	воздухе	кислороде	। воздухе
	(обф)		(миллиджоули)	
Этилен 		23	7	0,009	0,085
Этиловый эфир....	14	5	0,001	0,200
Циклопропан		16	7	0,001	0,180
Электростатика: разность потенциалов, заряд
и электрическая емкость
В этой книге мы ограничиваемся рассмотрением кинетики
и энергии взрывов и отсылаем читателя к монографиям
по статическому электричеству и электростатике [10] , [11].
В них показано, что емкость системы, образуемой заряжен-
ным предметом и землей (или двумя предметами с различ-
ными зарядами), есть мера количества электричества, которое
может быть накоплено на предмете при любой данной разнос-
ти потенциалов. Чем больше емкость, тем больше заряд,
который сообщается предмету разностью потенциалов.
Подобно тому как ампер является единицей скорости
потока электричества (тока), ампер-секунда служит едини-
цей количества электричества (электрического заряда)1.
Единица электрического заряда называется кулоном
1а • 1 сек= 1 кулон.
Электрический заряд (Q)
Разность потенциалов (Е)
Емкость С можно представить как емкость человека,
который стоит па проводящем полу в обуви на изолирую-
щих подошвах, а Е — как разность потенциалов между
человеком и полом.
Стандартной единицей электроемкости служит фарада (ф);
предмет обладает емкостью в 1 ф, если передаваемый ему
заряд в 1 кулон повышает его электрический потенциал
Емкость (С)
1 Гидравлическими эквивалентами являются объемная скорость
потока жидкости, проходящей через отрезок трубы за 1 секунду, и
общий объем жидкости, получаемый умножением объемной скорости
на время.
350
на 1 в. Поскольку эта единица чрезвычайно велика, гораздо
чаще используют так называемую пикофараду (иф): 1 пф
= 10~12 ф.
Многие предметы в операционной имеют емкость в нес-
колько сот этих малых единиц. Ниже приводятся уравнения,
которые могут оказаться полезными; в них в качестве еди-
ницы электрического заряда вместо кулопа опять использу-
ется ампер-секунда;
Емкость (пф) = 109 - (а сек)-
Е (кв)
Q (а-сек) = 10“ 9-Е (кв)-емкость (пф).
Пример. Пусть больной, лежащий на изолирующем
матраце, которым покрыт операционный стол, имеет емкость
300 пф. Какое количество статического электричества должно
накопиться на больном для образования между ним и столом
разности потенциалов Е=4 кв?
Q (а-сек) = 10~9-4-300 - 1,2-10~®.
Заряд, создающий разность потенциалов в 4000 в, весьма
мал. Ток в 1а, пропускаемый в течение одной миллионной
доли секунды (или 1 ма в течение 1 мсек), переносит это
количество электричества.
Энергия статически заряженных предметов
Зависимость между количеством электричества на заря-
женном предмете, разностью потенциалов и запасом элек-
трической энергии определяется следующим отношением.
Энергия пропорциональна количеству электричества, умно-
женному на разность потенциалов.
Подставив соответствующие единицы, получим:
Энергия: Н (мдж) = ~  10® • Q (а-сек)-Е (кв).
Пример. В предыдущем примере разность потенциалов
кв, количество электричества (?=1,2. 10 ® (а.сек).
Поэтому:
Н = у-106-(1,2-10 6)-4^2,5 мдж.
Этой энергии было бы более чем достаточпо для зажига-
ния воспламеняемых смесей, перечисленных [12] в табл. 28;
проскакивание искры между больным и столом (или
любым другим заземленным предметом) потребовало бы про-
межутка несколько меньше 1 мм (см. табл. 27, стр. 346).
Пока состав смеси близок к наиболее воспламеняемой
концентрации (/,-), требуемая энергия зажигания мало
351
отличается от энергии зажигания для Д. Однако в других
смесях (см. табл. 29) небольшие изменения в составе приво-
дят к очень большим увеличениям энергии зажигания. Стехио-
метрическая концентрация для смеси метана с кислородом
/ст = 33%; наиболее воспламеняемая смесь относится к
диапазону «бедных» смесей и требует для своего зажигания
всего лишь 0,001 мкал (одной миллионной калории).
Таблица 29
Изменение энергии зажигания и расстояния гашения в за-
висимости от состава смеси
Метан в кислороде		Минимальные энергии за- жигания (мкал)	Расстояние гашения (мм)	Температура продуктов сгорания (°C)
/(Об.%)	///ст			
10	0,3	0,010	0,7	1900
15	0,45	0,003	0,5	2350
25	0,75	0,001	0,3	2700
40	1,2	0,005	0,6	2700
50	1,5	0,110	1,6	2350
55	1,6	0,430	3,8	2200
Гашение начинающегося взрыва
В табл. 29 включена графа «Расстояние гашения» (см.
стр. 345). Если промежуток между электродами меньше этого
расстояния гашения, то для зажигания данной смеси требу-
ются более высокие энергии искры. Согласно теории искро-
вого зажигания, энергия, выделяемая в крайне малом объеме
(см. стр. 348), зажигает газ, но взрыв вначале должен беспре-
пятственно разрастись до определенного минимального раз-
мера и тогда уже может продолжаться самораспространенпе
пламени. Если два электрода или любые другие твердые
предметы, поглощающие тепло пламени, расположены слиш-
ком близко друг к другу (ближе расстояния гашения), пламя
не сможет распространяться, если только ему не будет сооб-
щена гораздо большая начальная энергия искры. Чем реак-
тивнее смесь, тем меньше расстояние гашения и пламя может
продолжать свое перемещение даже при наличии близко
расположенных предметов, поглощающих тепло.
Минимальная энергия зажигания данной смеси мало
изменяется при изменении величины промежутка между
электродами, хотя для более широких промежутков требуется
более высокая разность потенциалов (табл. 27). Однако
когда промежуток меньше «расстояния гашения», для зажи-
гания необходимы гораздо большие энергии. Для наиболее
воспламеняемых эфиро-кпслородных смесей промежуток может
352
быть уменьшен до 0,25 мм (табл. 28), после чего требуемая
энергия зажигания круто повышается; пробивное напряжение
для этого промежутка равно 1,3 кв.
Гасящий эффект, особенно прп массивных электродах,
частично объясняет неправильный характер воспламенения
от статического электричества. Если смесь не очень воспламе-
няема, а емкость заряженного предмета мала (т. е. мал
запас энергии для данной разности потенциалов), то гашение
и определенных условиях могло бы предотвратить зажигание
смеси даже в том случае, если искра проскакивает от заря-
женного предмета к предмету, имеющему потенциал земли.
Электрическая дуга
Более мощные искры (по сравнению с искрами, вызы-
ваемыми статическим электричеством) образуются прп работе
некоторых электромедицписких аппаратов. Перед тем как
приступить к пх рассмотрению, мы должны вкратце упомя-
нуть еще один впд электрического разряда через газы, который
называется дугой1. Несмотря на довольно четкое различие
между искрами и дугами, оба термина часто используют
без разграничения.
Электрическая дуга широко применяется в технике (дуго-
вые лампы и электросварка). Объяснение процесса образования
электрической дуги применимо также к любому домашнему
пли больничному переключателю обычного типа, в котором
два металлических контакта разделяются при выключении.
Перед зажиганием дуги два угольных стержня нахо-
дятся в контакте; к ним прилагается разность потенциалов
от источника электроэнергии н ток проходит через точки
контакта. Когда контактное давление между стержнями в
процессе пх разведепня в стороны снижается, площадь кон-
такта значительно уменьшается; теперь весь ток должен
проходить через несколько оставшихся «высоких точек», в
которых электроды все еще соединяются. Это напоминает
положение, когда сильный ток внезапно пропускается через
несколько очень тонких проволок, которые он мгновенно
нагревает до крайне высокой температуры.
Механизм образования дуги
Концы электродов (угольных стержней плп металличе-
ских контактов переключателя) нагреваются до очень высокой
температуры, которая способствует эмиссии больших колп-
1 Электрическую дугу наблюдал выдающийся русский электро-
техник акад. В. В. Петров в 1802 г. Позя;е (1808—1809) се наблюдал
знаменитый английский химик и физик Деви п она получила название
вольтовой дуги в честь физика А. Вольта (прим. ред.).
Физика для анестезиологов
35Ь
честв электронов (подобно тому как это бывает при элек-
тронной эмиссии из нагретого катода радиолампы). Даже
если промежуток между электродами все еще очень невелик,
а прилагаемая разность потенциалов относительно мала
(например, 50 в), электроны очень быстро ускоряются благо-
даря высокой напряженности электрического поля, которая
определяется отношением разности потенциалов к ширине
промежутка (см. стр. 344). Электроны сильно ионизируют
газ, узкий промежуток становится хорошим проводником и
пропускает сравнительно сильные токи при небольшой раз-
ности потенциалов (часто гораздо ниже 100 в). При соответ-
ствующих условиях промежуток можно значительно увеличить,
не погасив при этом дуги; благодаря высоким температурам
ионизированного газа дуга излучает яркий свет.
Сравнение дуги с искрой
В отличие от дуги электроды прп искровом разряде раз-
делены с самого начала п остаются холодными; образова-
ние ионов в промежутке происходит по-иному и требует
гораздо большей разности потенциалов.
Энергия, выделяемая в дуге, может быть очень большой
[13] . Несмотря на то что сила тока часто не превышает 1а и
поэтому скорость расхода энергии низка, суммарная энергия
высока, если дуга, образуемая выключением переключателя,
имеет продолжительность порядка 1 секунды. С другой сто-
роны, мгновенный ток в искре может быть гораздо выше, но
продолжительность его измеряется микросекундами.
Поэтому не удивительны случаи, когда дуги в электрических
переключателях, электромоторах и других видах электрообо-
рудования зажигают детонирующие смесп с кислородом и
даже менее воспламеняемые смесп с воздухом.
Опасности взрывов
Диатермия
В последние 80 лет гальванокаутер [14] и пришедший
ему на смену аппарат для хирургической диатермии были
одними из главных виновников зажигания дугами и искрами1.
Воспламенение наркозной смесп может быть вызвано следую-
щими причинами:
а)	Горючая смесь легко воспламеняется в области актив-
ного электрода, где режущее действие осуществляется током
высокой частоты и значительной силы.
1 Аппарат для хирургической диатермии более правильно назы-
вать электрохирургическим аппаратом для резекции и коагуляции.
354
б)	Воспламенение может произойти в самом аппарате.
В электрическую цепь более старых аппаратов входит факти-
чески ряд искровых промежутков, которые обычно видны
через вентиляционные отверстия в крышке. В современных
высокочастотных аппаратах для диатермии этого нет, но все
же неисправность изоляции может вызвать искровые разряды.
в)	Неисправные ножные переключатели и любые другие
переключатели аппарата, не помещенные в газонепроницаемый
корпус, могут «искрить» и зажигать воспламеняемые смесп.
Большинство газонепроницаемых ножных переключателей
слишком тяжелы и не пользуются популярностью среди хирур-
гов (см. стр. 369).
г)	Даже при отсутствии всех перечисленных выше опас-
ностей остается еще одна, свойственная известным типам аппа-
ратов для диатермии. Токи очень высокой частоты, проходя-
щие через тело больного, помещенное между электродами,
могут индуктировать значительные разности потенциалов
переменного тока между больным и соседними предметами,
например операционным столом пли руками анестезиолога.
Это свойство токов с частотой порядка миллионов герц,
которая намного выше частоты обычной электросети (50 гц).
Больной может в какой-то мере уподобиться передающей
антенне миниатюрной радиостанции, которая индуктирует
сильные разности потенциалов в близлежащих предметах;
эти разности потенциалов могут вызвать искру на расстоянии
от электродов, причем такпе искры обладают достаточной
энергией для зажигания воспламеняемых смесей.
Мы неоднократно наблюдали и ощущали искры, проска-
кивавшие между нашими пальцами и головой больного при
хирургической диатермии на нижних конечностях, несмотря
на строгое соблюдение заводских инструкций по эксплуата-
ции аппарата. По-видимому, безопасность не определяется
расстоянием между активным электродом и наркозным аппа-
ратом около головы больного.
Искры, вызываемые статическим электричеством
Здесь не рассматриваются ни принципы электростатики,
ни механизм генерирования электричества трения (статиче-
ского электричества), поскольку за последние годы как в
анестезиологических, так и в общемедицпнскпх и физических
журналах было опубликовано много элементарных и более
сложных работ, касающихся этих явлений [11, 15] .
Образование статических зарядов
Тем не менее читателю необходимо знать, что «трение»
не имеет ничего общего с «генерированием» электрических
зарядов и в этом смысле аналогия между электричеством
23 *
355
трения и теплотой трения была бы ошибочна. Протирание
пластмассовой авторучки тряпкой или стаскивание одеяла с
матраца, покрытого обычной резиновой простыней, оставляет
две разъединенные части противоположно заряженными.
Основная функция «трения» заключается в том, чтобы уста-
новить тесный контакт между микроскопически малыми
выпуклыми точками на двух предметах. Если материал А
менее «привлекателен» для электронов, чем другой материал
В, электроны переходят с предмета -4 (например, стеклянная
палочка) па предмет В (например, шелковая ткань). Они
заряжают В отрицательно, оставляя А с равным, но положи-
тельным зарядом.
Такой простой опыт возможен лишь потому, что предметы
А и В являются хорошими изоляторами; если бы они обла-
дали какой-то электропроводностью, заряды нейтрализова-
лись бы через рукп и тело экспериментатора по мере их
образования трением. Упомянутой выше авторучке можно
быстро сообщить некоторую поверхностную электропровод-
ность, подышав на нее, и она перестанет быть заряженной.
Большинство мер предосторожности против создания высоких
статических напряжений на предметах оборудования опера-
ционной сводится к обеспечению электропроводящих путей
между различными предметами, которые исключают возмож-
ность наращивания заметных разностей потенциалов в резуль-
тате трения.
Частота взрывов, вызываемых статическими зарядами
Воспламенение горючих наркозных паров от статического
электричества получило широкую известность отчасти благо-
даря несколько таинственному происхождению и неправиль-
ному поведенпю статических зарядов, а может быть и потому,
что этим проблематичным источникам иногда было удобно
объяснять взрывы, фактически связанные с более явными
и устранимыми причинами.
Еще лет 20 тому назад публикуемые данные о взрывах,
связанных со статическим электричеством, показывали резкое
различие в числе взрывов США и в Англии. Очень сухая атмо-
сфера создает благоприятные условия для зарядки предметов
статическпм электричеством, поскольку на них нет никакой
электропроводящей влажной пленки. Усовершенствованные
системы кондиционирования воздуха могут быстро создать
климат сухой пустыни пз-за какой-либо незамеченной неис-
правности в увлажнительной части установки.
Связано ли сейчас большинство наркозных взрывов со
статическим электричеством? Как это часто бывает, ответ
зависит от того, с какой стороны подойти к статистическому
материалу. В одной опубликованной работе [16] приводятся
356
данные, согласно которым в 230 случаях наркозных взрывов
статическое электричество было причиной взрывов в 27%
случаев.
Можно также группировать взрывы на основе смертель-
ных исходов. Перестановка предыдущих данных показывает
следующее распределение смертельных исходов во время
наркозных взрывов: статическое электричество было причиной
взрывов со смертельными исходами в 40% случаев.
Различие между электрическими искрами от разных
источников
Практическое различие между искрами, например в неис-
правном рентгеновском аппарате, и искрами от тележки
для инструментов, заряженной статическим электричеством,
заключается в том, что последняя обладает очень ограничен-
ным запасом энергии. Это связано с небольшой электроем-
костью (стр. 349) тех предметов, которые могут быть заря-
жены статическим электричеством в обычных условиях.
Если неисправный аппарат может давать многочисленные
мощные искры, быстро следующие одна за другой, то стати-
чески заряженный предмет дает, по-видимому, только одну
искру, теряя после этого свой высокий потенциал относи-
тельно земли пли предметов с другими зарядами.
В этой связи следует иметь в виду, что приведенные мини-
мальные энергии искры, особенно для менее воспламе-
няемых смесей, отражают результаты испытаний, при кото-
рых искру заставляли проскакивать через промежуток
много раз перед тем, как горючая смесь воспламенялась.
Энергии искр, которые зажигают воспламеняемые смеси с
первой попытки, могут быть значительно выше.
Электрические моторы и переключатели
В операционных часто используются электромоторы, слу-
жащие для приведения в действие отсасывающих аппаратов,
хирургических пил, прогонки воздуха через эфцрницы с
давлением выше атмосферного и многих других целей. Раньше
(а иногда и в наши дни) они создавали электрические дуги
на коллекторных щетках или контактных кольцах; во многих
отношениях они являются источниками зажигания, подобно
обычным незащищенным переключателям. Возможно, электро-
моторы были основным источником наркозных взрывов [17],
хотя в статистических материалах по этому вопросу они
упоминаются редко. Одна из причин этого заключается,
по-видимому, в относительно медленном распространении
пламени в эфиро-воздушных смесях, фигурирующих обычно
357
в качестве воспламеняемой среды. Повреждения невелики,
больной страдает редко. Однако для персонала операционной
эти взрывы не всегда проходили благополучно; к счастью,
повреждения ограничивались в основном ожогами и порезами
от разбитого стекла. Моторы, используемые для приведения
в действие хирургических пил или трепанов, часто находятся
на неприятно близком расстоянии от больного и любые электри-
ческие дуги, возникающие при пх работе, могут стать
источником опасности.
Необычные типы зажигания и взрыва
Зажигание сжатием
Имеются сообщения о взрывах или, скорее, сильнейших
процессах горения [18], которые начинались в редукцион-
ных клапанах на кислородных баллонах, когда клапан
главного баллона внезапно открывали. Газ высокого давле-
ния, врывающийся в каналы, наполненные газом прп атмо-
сферном давлении, может нагреть последний подобно диско-
вому поршню. Этот процесс напоминает действие пневмати-
ческой зажигалки, которая употреблялась до спичек.
Рпс. 331. Цилиндр, наполненный атмосферным воздухом
(давление на манометре равно 0), закрыт с верхнего конца
поршнем. Съемное дно цилиндра содержит легко воспламеняе-
мый твердый материал типа трута1.
Рпс. 332. Поршень резко вталкивают в цилиндр, сжимая
воздух; давление па манометре повысилось до 5 атм. Меха-
ническая работа, затраченная на сжатие воздуха, превра-
щается в тепло, которое повышает температуру воздуха.
Предполагается, что температура достаточно высока, чтобы
инициировать горение трута в кислороде сжатого воздуха.
Трут начинает тлеть.
Рис. 333. Дно цилиндра можно отвинтить и использо-
вать в качестве источника зажигания для других материалов.
Эти иллюстрации должны рассматриваться как коли-
чественное описание зажигания сжатием, что станет ясным
пз последующего изложения.
Ранее прп рассмотрении законов для газов (я, стр. 89)
подразумевалось, что все тепло, выделяющееся при сжатии,
немедленно передавалось пз сосуда в наружную среду. Такой
изотермический процесс нетрудно осуществить, производя
очень медленное сжатие. С другой стороны, действие пнев-
матической зажигалки, как и случайное воспламенение газа,
прп резком впуске под высоким давлением в редукционный
1 Порошок из высушенного древесного гриба, смешанный с сели-
трой.
358
клапан, возможно лпшь в том случае, если сжатие происхо-
дит очень быстро.
Вследствие повышения температуры отношение началь-
ного объема к конечному не будет равно отношению конеч-
ного давления к начальному, как это было при изотермиче-
ском изменении объема (стр. 89). Отношение абсолютных дав-
Рпс. 331.
Рпс. 333.
ленпй (рпс. 331 и 332) равно (5+1)/1 =6; с другой стороны,
согласно теории этого адиабатического (т. е. идущего без
теплоотдачи наружу) процесса сжатия, отношение объемов
составляет лишь 3,0/1. Отношение конечной абсолютной
температуры к начальной равно 1,7/1; это отношение темпе-
ратур можно также вычислить прямым путем, используя
отношения давлений и объемов из законов для газов. Из
вырая;енпя Р • Р — Т (подстрочная сноска на стр. 283) полу-
чим :
Т'ч _ Pl. U2 __ g _	У
Pl О1 3,6
359
Начиная сжатие прп комнатной температуре (7\=300°К),
получаем конечную температуру Т2 = 500 °К, плп около 200°С.
Если бы даже сжатие было увеличено настолько, что
конечное давление достигло 10 атм., конечная температура
повысилась бы только до 300°С. Поскольку такие темпера-
туры слишком низки для зажигания большинства веществ,
этот процесс необходимо повторить несколько раз, позволяя
поршню отскакпвать после каждого сжатия. С каждым разом
начальная температура будет выше, а конечная еще выше.
Воспламенение редукционных клапанов
Газ высокого давления (из баллона) неожиданно врыва-
ется в клапан и сжимает газ низкого давления в каналах
клапана до 100 атм.; соответствующее повышение темпера-
туры в результате адиабатического сжатия должно составить
около 800°С (Т2/Т1 = 3,8). Прп этом может произойти воспламе-
нение остатков смазки, частиц горючей пыли и т. п., а после-
дующее повышение температуры может вызвать также вос-
пламененпе других частей клапана.
При расследовании подобных воспламенений не упускали
из вида возможность того, что внезапный впуск газа под
высоким давлением мог послать мощпые ударные волны в ка-
налы редукционного клапана, наполненные в этот момент
газом под низким давлением. Хорошо известно, что любая
ударная волна вызывает известное повышение давления в
том месте, где она сталкивается с неподвижным газом. Прп
этом происходит гораздо большее повышение температуры,
чем прп адиабатическом сжатии газа. Под последним подра-
зумевается то, что поршень, сжимающий газ, двигается не
со сверхзвуковыми скоростями, а с такой скоростью, которая
гораздо нпже скорости звука в газе (табл. 30).
Таблица 30
Сравнение температур, создаваемых ударной
волной >1 адиабатическим сжатием
Степень сжатия Vi/Vi	Давление ударной волны Ра (атм.)	Температура (в°С)	
		при ударной волне	при адиаба- тическом сжатии
2,8	9	200°	150°
3,9	10	430°	240°
е,о	50	2 000°	520°
Данные в табл. 30 приведены для ударной волны, пере-
мещающейся через воздух с начальной температурой 0°С
и давлением, равным 1 атм.
360
Например, если давление во фронте ударной волны равно
50 атм., удельный объем воздуха уменьшится в отношении
6:1 и его температура повысится примерно до 2000°С. Если
бы ударную волну создавали быстрым движением поршня,
то скорость поршня должна была бы более чем в 5 раз превы-
сить скорость звука в воздухе при нормальной температуре и
давлении.
Если бы тот же самый воздух был сжат до той же степени
(V1'V2=6/1) сравнительно медленно двигающимся поршнем,
то в адиабатических условиях1, когда не происходит теплоот-
дачи наружу, его температура повысилась бы только до
520°С, а давление до р2=12 атм.
Попытки предотвратить воспламенение в редукционных кла-
панах привели к тому, что во многих конструкциях объемы
каналов как со стороны высокого, так и со стороны низкого
давления сведены до минимума. Даже если газы нагреваются
внезапным сжатием до высокой температуры, теплосодержа
ине в этом случае настолько мало, что тепло быстро переда-
ется в окружающие металлические стенки. Кроме того, в
конструкциях некоторых технических клапанов для предупреж-
дения образования и распространения ударных волн преду-
смотрены узкие щелевидпые каналы с резко изменяющимися
направлениями. Опасность воспламенения можно также умень-
шить, если не применять в конструкции диафрагмы и других
частей клапана органические вещества.
Необходимо иметь в виду, что в большинстве случаев
причинами воспламенения редукционных клапанов были,
по-видимому, просто грязь, следы смазки и различные горю-
чие вещества, которых в клапанах не должно быть. Воспламе-
нение их может произойти даже при непосредственном кон-
такте с кислородом под высоким давлением без какого-либо
заметного дополнительного нагревания.
Взрывы при отсутствии внешних горючих веществ
Нельзя пренебрегать и самим человеческим телом как
источником воспламеняемых веществ. Некоторыми из них
являются: а) естественно образуемые кишечные газы, состо-
ящие из метана, водорода и т.д., б) горючие вещества, обра-
зующиеся в процессе прижигания, хирургической диатермии
и т. д.; разложение тканей может дать этилен, водород п
т. д., тогда как при разложении воды выделяется «электроли-
тический» газ (2Н2О-*2Н2 + О2). Произведенное недавно
1 С другой стороны, если бы сжатие производилось прп сохра-
нении исходной температуры воздуха (т. е. изотермически), конечное
давление было бы равно лишь 6 атм. (предполагается, конечно, что
воздух подчиняется законам для идеального газа).
361
исследование [19] установило с полной ясностью, что оба про-
цесса а), б) сопряжены с реальной опасностью, которую
нельзя не учитывать.
Для образования воспламеняемых смесей (а) необходимо
наличие повышенного по сравнению с нормой количества
кислорода; предполагается, что этот излишек создается в
результате глотания, эндоскопии и вдыхания высоких кон-
центраций кислорода с последующим увеличением давления
кислорода в просвете внутренних полых органов. Однако,
если применяется электрорезекцпя пли аналогичная операция,
нельзя упускать пз виду разложение воды и связанное с
этим выделение кислорода.
Не стоит упоминать, что все хорошо документированные
случаи подобного рода происходили прп отсутствии какого-
либо воспламеняемого анестетика; разрыв мочевого пузыря
в результате взрыва при трацеуретральной резекции под
крестцовой анестезией является лишь одним из примеров
[20] . При взрыве этого типа страдает всегда только больной,
хотя бывали случаи, при которых могли пострадать и окружаю-
щие, например, когда из сигмоидоскопа вырвалось пламя
длиной более полуметра!
Взрывы в больших ограниченных пространствах
Мы неоднократно подчеркивали безобидный характер
пламени в смесях горючего с воздухом по сравнению с опас-
ными взрывными эффектами при детонациях в смесях горю-
чего с кислородом. Это правильно лишь до тех пор, пока
речь идет об ограниченных объемах, существующих в наркоз-
ных аппаратах и в дыхательном тракте больного.
Однако если воспламеняемыми смесями горючего напол-
нены большие резервуары пли комнаты, как это было прц
многих катастрофах на производстве, на первый план высту-
пают другие стороны горения. Если зажигание происходит в
закрытом сосуде, давление продуктов сгорания достигнет
значительной величины благодаря высокой температуре пла-
мени. Может развиться давление до 5 атм. и выше, приводя-
щее к значительным разрушениям. Даже если пространство
ограничено не совсем плотно, скорость распространения
пламени может быть очень большой при зажигании в цен-
тральной части комнаты, наполненной воспламеняемой сме-
сью. Горячие газы за фронтом сферически расходящегося
пламени приводят в движение окружающую свежую смесь.
Таким образом, пламя перемещается в потоке газа и поэтому
скорость его гораздо выше, чем скорость пламени в непод-
вижном газе.
В те времена, когда пользовались открытыми угольными
каминами, вентиляция была недостаточной и не знали об
362
опасностях взрыва, существовала реальнейшая угроза заго-
рании крупного масштаба. Выдержка пз протокола следствия,
производившегося в 1899 г., не нуждается в пояснениях:
«... операционная представляет собой маленькую ком-
натку с ... высоким шкафом, содержащим банки с эфиром
. . . Одна сестра сидела . . . около камина, другая считала
банки на одной пз полок, когда банка с эфиром столкнулась
с другой банкой ... и ... разбилась. Сразу же последовал
взрыв, который выбил несколько оконных стекол и поджег
мебель и деревянные предметы . . . Обе сестры впоследствии
погибли от полученных травм» [21].
Подобные случаи происходили не только по вине сестер.
«Д-р Эврплл (Averill) разлил эфир около камина, пере-
ливая его из банки емкостью около 3 л в пузырек. Эфир
воспламенился и последовал взрыв, который потряс весь
дом, разбил стекла и стеклянную посуду в операционной
и зажег одежду на докторе» [22] .
Опасное выливание воспламеняемых жидкостей
Скопление воспламеняемых смесей в большом простран-
стве не всегда является случайным. Вредная привычка выли-
вать жидкий эфир п другие воспламеняемые жидкости в рако-
вины для стока воды может привести к следующему ходу
событий.
Рпс. 334.
Рис. 334. В комнате слева содержимое эфирнпцы выливают
в раковину. Затем в комнате справа в раковину бросают
тлеющий окурок.
Рпс. 335. Вскоре происходит сильный взрыв, который
может быть особенно заметен в комнате слева. При опреде-
ленных условиях эфпрно-воздушная смесь в трубах может
оказаться очень богатой (затемненные участки на рисунке)
363
Рпс. 335.
вошла в л,
и холодное пламя, зарождаемое тлеющей сигаретой, переме-
щается по канализационной трубе в комнату слева. Здесь
смесь в раковине может быть разбавлена воздушными тече-
ниями до нормальной воспламеняемoii концентрации (слегка
затемненный участок) и холодное пламя вызывает нормаль-
ное горение. Вследствие большого объема возможны весьма
мощные эффекты. Такая последовательность событий не
является досужим вымыслом, хотя
подобного рода случаи краппе ред-
ки по очевидным причинам: когда
произошел взрыв, в комнате слева
не было никакого видимого источ-
ника зажигания. Однако такие случаи
бывали в химических лабораториях;
возможно, и следующая таинственная
история, происшедшая в американ-
ской больнице, имеет ту же ос-
нову .
«... лаборант в анестезиологи-
ческом отделении . . . вылил . . .
эфир в сливную раковину. Несколько
минут спустя наркозная сестра
. . . пламя вырвалось из ракови-
ны ... на расстояние . . . около метра. Она находилась на
расстоянии около 2,5 метров от раковины, когда появилось
пламя» [23] . В комнате не было никаких видимых источ-
ников зажигания.
Все эфиро-воздушные смеси тяжелее чистого воздуха и
поэтому до перемешивания воздушными течениями они рас-
ходятся на уровне пола. Поэтому воспламеняемая смесь
может достичь источника зажигания, который находится
далеко от того места, где был разлит эфир. Приводят случай
с анестезиологом, который имел обыкновение держать банку
с эфиром в кармане своего пиджака.
Эфир однажды разлился в кармане, пары эфпра достигли
пола и воспламенились от неисправного рентгеновского
аппарата. Пламя охватило брюки и врач получил ожоги.
Взрывы при использовании невоспламеняемых смесей
Имеются сообщения о взрывах прп использовании одной
лишь смеси закиси азота с кислородом. По крайней мере
утверждают, что никакие другие вещества при этом не исполь-
зовались. Однако во многих пз этих случаев эфпрница,
содержавшая некоторое количество эфира, находилась на
наркозном аппарате, хотя регулирующий кран был закрыт.
Приводимые ниже иллюстрации показывают, как утечка
364
паров в каналы аппарата может случайно принять опасные
размеры.
Рпс. 336. Непосредственно перед закрыванием регулиру-
ющего крана больному была введена сильная наркотическая
смесь; поэтому жидкий эфир находится прп температуре,
гораздо ниже комнатной. Пары в эфпрнице имеют соответ-
ственно низкое давление.
Рпс. 337. Эфпрница постепенно нагревается, как это пока-
зывает термометр, погруженный в жидкий эфир. Давление
насыщенных паров соответственно поднимается выше; это
Рис. 336.
Рпс. 337.
показано более темным тоном над жидкостью. Эфир испаря-
ется и суммарное давление в эфпрнице становится выше
атмосферного.
Хотя роторная трубка регулятора закрывает как впускной,
так и выпускной каналы эфпрницы, срез трубки очень близок
к выпускному отверстию. Крап этого типа редко бывает
газонепроницаемым и вследствие положительного давления
в эфпрнице пары эфпра попадают в поток газо-кпелородной
смеси (см. также стр. 366).
ЛИТЕРАТУРА
1.	N е vv i 11 D. M. a. Townend D. T. A. Combustion phenomena of
hydrocarbons in The Science of Petroleum, IV cf. 2862, 1938.
2.	Featherstone H. W. Proc. R. Sec. Med., 1931—1932, 25,
119—122.
3.	Mannheimer W. II. Anesthesiol., 1953, 14, 99.
365
4.	Russ S. J. Instn. electr. Engrs, 1938, 83, 164—165.
5.	Greene B. A. Surg. Gynec., Obst., 1942, 74, 259—265.
6.	S t о u t H. P. a. Jones E. In: Third Symposium on Combustion,
Baltimore, 1949, N. 35, p. 329—336.
7.	Meek J. M. a. Craags J. D. Electrical breakdown of gases,
cf. Chapter VII. Oxford, 1953.
8.	Jones E. T. Phil. Mag., 1928, 6, 1090—1103.
9.	Elbe G. v. In: Fourth Symposium (International) on Combustion,
1953, N. 2, p. 13—20. Baltimore.
10.	Silsbee F. B. Static electricity, Rational Bureau of Standarts,
Circular C, 1942, 438.
11.	Guest P. G. Static, electricity in nature and industry U. S. Bureau
of Mines, Bulletin, 1938, 368.
12.	Blanc M. V. et al. In: Third Symposium on Combustion, 1949,
N. 40, p. 363—367. Baltimore.
13.	Finch G. I. Proc. R. Soc. Med., 1934—1935, 28, 1130—1133.
14.	Cazeneuve P. a. P о n c e t A. Mem. Sci. Med. Lyon, 1879, 19,
195-200.
15.	В г а с. к e n \. Med. ill., 1952, 6, 643—650.
16.	Greene B. A. Anesthesiol., 1941, 2, 144—160.
17.	Greene B. A. Surg. Gynec. Obst. 1942, 75, 73—75.
18.	Rimarski W. a. No ack J. Autogene Metallbearb., 1940, 33,
69—76.
19.	Galley A. H. Proc. R. Soc. Med., 1955, 48, 502—504.
20.	Kretschmer H. L. J. Am. Med. Ass , 1934, 103, 1144.
21.	tn notation. Lancet, i, 1899, 867.
22.	Medical News. Brit. Med. J., ii, 1892, 1457.
23.	Thomas G. J. \mer. Soc. Anesth., Newsletter, 1956, 20 (12), 32.
24.	Greene B. A. Amer. J. Roentgenol., 1941, 45, 737—743.
ГЛАВА XXIII
ВЗРЫВЫ
4. МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ. ИСТОРИЧЕСКИЕ ЗАМЕТКИ
Общие меры предупреждения взрывов
Единственный способ предупреждения наркозных взрывов
с полной гарантией заключается в применении невоспламе-
няемых веществ. При ингаляционном наркозе выбор ограни-
чивается закисью азота, хлороформом, трилсном пли гало-
теном Е
В связи с опасностью утечки паров, которая была рас-
смотрена в конце предыдущей главы (рис. 368), все наркозные
испарители, содержащие воспламеняемые анестезирующие веще-
ства, должны быть сняты с аппарата во избежание выхода
воспламеняемых паров в поток смеси закиси азота с кисло-
родом. С первого взгляда на кривую давления паров эфпра
(стр. 74) п на температуры в эфпрннцах Бойля (стр. 35)
видно, что положительное давление в эфпрнице может воз-
расти до величин, на несколько сот миллиметров ртутного
столба превышающих атмосферное давление.
Всегда необходимо сопоставлять опасность взрыва при
использовании воспламеняемого анестетика с риском приме-
нения менее пригодного, но невоспламеняемого анестезирую-
щего вещества. Такое положение создается прп введении
анестетиков в темных рентгеновских лабораториях. Введение
закиси азота с недостаточным количеством кислорода взрос-
лому или введение хлороформа ребенку неопытным врачом
может быть сопряжено с большей опасностью, чем опасность спо-
койного горения слабо воспламеняемой эфирно-воздушной
смеси.
1 Или «флюотаном» (торговая марка трпфторхлоробромэтана фирмы
«Империал Кемпкл Индастриз»).
367
Нередко хирург решает применить диатермию, прижи-
гание пли рентгенографию в процессе операции, не имея
возможности предупредить заранее анестезиолога. Поэтому
необходимо рассмотреть меры, которые сводят до минимума
опасность взрывов.
а)	Простейшая мера состоит в том, чтобы прекратить
введение воспламеняемой смеси и продолжать наркоз невос-
пламеняемым анестетиком.
Когда больной уже в течение долгого времени находится
в состоянии глубокого эфирного наркоза, парциальное дав-
ление эфпра в его венозной крови должно быть в равновесии
с давлением эфпра в газовой смеси, содержащей от 4 до 6%
эфпра. Если подача эфира прекратится, концентрация эфира
в альвеолах быстро упадет до этого уровня. Скорость сни-
жения концентрации эфпра в верхних дыхательных путях
зависит от типа дыхания; большие дыхательные объемы обе-
спечивают быстрое смешивание альвеолярных газов со свежим
воздухом. Однако последняя порция каждого объема, обмени-
ваемого за одно дыхание (конец выдоха), будет содержать
более высокую концентрацию эфира, чем предыдущие пор-
ции выдоха.
Разные исследователи пришли к различным выводам отно-
сительно того, когда концентрация анестетиков в выдыхае-
мом воздухе падает ниже предела воспламенения.
Одни пз ппх утверждает [1], что через 3 минуты после
прекращения подачи эфпра выдохи уже невоспламеняемы.
Считают, что для циклопропана такой интервал безопасности
составляет от 6 до 8 минут [2] . Другой автор [3] рекомен-
дует простой способ проверки: небольшую пробу газа всасы-
вают из глотки в шприц с резиновой грушей и затем выпус-
кают на пламя спиртовки. Отрывистый звук указывает на
взрывчатость смеси, тогда как изменение цвета пламени гово-
рит о том, что диаметрия пока еще небезопасна.
б)	Другая простая мера предосторожности против воз-
можной детонации и гибели больного заключается в замене
кислорода воздухом в наркозной смеси. Взрывы эфиро-воз-
душных смесей характеризуются отсутствием детонации с ее
гибельными взрывными эффектами. Повреждения, причиняе-
мые относительно слабым пламенем, обычно невелики и огра-
ничиваются ожогами.
«Единственной горючей наркозной смесью, которую можно
без риска вводить больному в операционной..., является смесь
эфира с воздухом» [4] .
Эти замечания не относятся к воспламенению эфирно-воз-
душных смесей, которые могут образоваться, когда пары из
разбитой эфпрцицы быстро смешиваются с большим объемом
комнатного воздуха и не удаляются вентиляционной системой.
в)	Предотвращение скопления взрывчатых паров в комнате.
368
Вентиляция. Система вентиляции должна быть такова,
чтобы тяга шла не от головы больного к ногам, а в противо-
положном направлении. Вытяжные каналы вентиляционных
систем должны быть расположены около пола. Такими мерами
взрывчатые пары удерживаются на расстоянии от электри-
ческих аппаратов, используемых хирургом. Общего перемеши-
вания комнатного воздуха следует избегать, поскольку это
может способствовать контакту воспламеняемой смеси с источ-
никами зажигания, расположенными на некотором расстоянии.
В прежние годы надлежащая вентиляция была главной
мерой предосторожности против взрыва вне наркозного аппа-
рата; затем появление закрытых систем и других средств
предотвращения утечки анестезирующих газов в комнату обе-
спечило дополнительные меры безопасности.
Закрытая система. Как маятниковые, так и циклические
абсорберы в равной степени эффективно предотвращают утечку
заметных количеств взрывчатых паров в комнатный воздух.
Однако они не гарантируют полной безопасности и всегда
существует возможность утечки газа между маской и лицом
или в самом аппарате. Ни в коем случае нельзя полагаться
на взрывобезопасность закрытой системы, когда около головы
больного находится возможный источник зажигания. Невни-
мание к этому было причиной многочисленных взрывов, хотя
высказываются самые различные точки зрения относительно про-
странственных пределов воспламеняемости смесей, попадаю-
щих в атмосферу комнаты в результате утечкп.
По некоторым данным, смеси эфира пли циклопропана
воспламенялись на расстоянии до 30 см от места утечки,
хотя один автор [5] утверждает, что на расстоянии более
5 см воспламенение уже невозможно. Такие высказывания
без тщательной научной проверки не заслуживают особого
доверия [6] и могут фактически ввести в опасное заблуждение.
Принудительное удаление выдыхаемых газов. К металличе-
скому соединительному патрубку, надеваемому на выдыха-
тельный клапан, можно прикрепить короткую трубку для
отведения выдыхаемых газов в абсорбер, наполненный акти-
вированным углем [7] (таким углем во время войны заряжали
противогазы). Уголь поглощает без остатка пары эфира;
соответствующая конструкция обеспечивает низкое сопротив-
ление дыханию. Прп другом способе используют вытяжную
тРубу, отводящую выдыхаемые газы пз операционной в
наружную атмосферу [8].
Предотвращение электрической дуги и искр
Все электрические аппараты с питанием от электросети
должны быть заземлены. Это означает, что металлический
корпус мотора или аппарата подсоединяется к заземляющему
24 Физика для анестезиологов
369
проводу своего трехпроводнпкового кабеля. Тогда в случае
неисправности провода опасное напряжение сети на корпус
не попадает, а просто расплавит предохранитель.
Переключатели. Самым простым решением было
бы выведение всех переключателей, «предрасположенных» к
возникновению электрической дуги между контактами, за
пределы операционной. Поскольку этот способ имеет много
недостатков, часто используют аварийные выключатели. Одним
из них является качающийся ртутный выключатель (рис. 338);
Выключено
Рпс. 338.
Включено
Рис. 339.
электрическая дуга возникает в закрытой стеклянной трубке
и не может воспламенить смеси, находящиеся снаружи.
Рпс. 338. Качание выключателя, который показан здесь
в нулевом положении, ограничивается упорами. Два прочных
металлических штырька герметически заплавлены в стеклян-
ную трубку через ее верхнюю стенку; трубка частично напол-
нена ртутью. В нулевом (выключенном) положении только
левый металлический штырь погружен в ртуть и возмож-
ность прохождения тока между двумя наружными проводами
исключена.
Рис. 339. Выключатель в рабочем положении, стеклянная
трубка лежит горизонтально и ртуть соединяет два металли-
ческих штырька; теперь ток наружного источника питания
может проходить через выключатель.
Прп возвращении выключателя в нулевое положение в
момент отхода ртути от правого металлического штырька
образуется дуга. Поскольку воздух из трубки выкачан, дуга
относительно слаба и гасится быстрым увеличением проме-
жутка под действием пружины слева.
Другую разновидность составляют «огнестойкие» переклю-
чатели, широко используемые в промышленности наряду с
другим огнестойким электрооборудованием. Недостаток этих
переключателей в том, что они обычно очень громоздки.
370
Безопасность пх работы обеспечивается герметически закры-
тым корпусом и сальниками вращающихся осевых стержней;
промежутки между всеми подвижными п неподвижными час-
тями переключателя сделаны достаточно узкимп для «гашения»
любых пламен. Если бы воспламеняемые газы попали в пере-
ключатель и воспламенились от электрической дуги, пламя
не смогло бы войти через узкий промежуток между фланцами
наружу и воспламенить газы в окружающем пространстве.
На производстве пары обычно содержат воздух, и промежутки
около 0,25 мм считаются достаточно узкимп [9] . Однако нельзя
давать полную гарантию, что они остановят детонацию.
В качестве общей меры предосторожности переключатели
лучше всего располагать высоко над уровнем пола во избе-
жание их контакта с тяжелыми парами. То же относится к
настенным штепсельным розеткам; специальные блокирующие
устройства не позволяют извлечь соединительную вплку, пока
переключатель в розетке находится в рабочем положении.
Тем самым исключается возможность образования дуги между
контактами, когда вставляют или извлекают вплку.
Предотвращение статической электризации [10]
Двумя основными источниками статического электричества
в операционных являются одежда из различных изолирующих
материалов и резиновые изделия в виде роликов передвижных
аппаратов, матрацев и подушек.
Раньше тканями, создававшими большие разности стати-
ческих потенциалов прп трении (или скорее прп отделении
пх друг от друга), были в основном шерсть и шелк. Теперь
количество таких тканей значительно возросло за счет много-
численных искусственных материалов типа нейлона, терилена
и др. Во всех случаях, когда условия благоприятствуют
статической электризации, следует избегать присутствия этих
материалов и применять вместо них хлопчатобумажные ткани.
По крайней мере рекомендуется убирать шерстяные одеяла
перед приближением больного к любому воспламеняемому
анестетику.
Вообще говоря, степень статической электризации зависит
от конкуренции между накоплением противоположных заря-
дов на двух изолированных предметах во время пх разделе-
ния и «утечкой» этих зарядов на землю вследствие электро-
проводности предметов. Такие материалы, как резина, стекло
п многие ткани, хотя их и называют изоляторами, имеют
конечное, пусть даже очень большое сопротивление. Чем
медленнее производится разделение двух изолированных пред-
метов (например, одеяла и резинового матраца), тем меньше
скорость накопления зарядов и тем меньше опасность созда-
ния больших разностей потенциалов до «утечки» зарядов.
24*
371
С другой стороны, чем меньше сопротивление «утечки» на
землю пли сопротивление между предметами, тем меньше
разность потенциалов, развивающаяся при трении двух пред-
метов .
Когда шерстяную или хлопчатобумажную одежду берут в
теплом виде из сушильного шкафа, опа обладает высоким
сопротивлением; это очень хороший изолятор. После нахож-
дения одежды в теченпе часа в обычном влажном комнатном
воздухе электрическое сопротивление тканей (особенно хлоп-
чатобумажных) уменьшается в результате поглощения влаги
[И]. Большое преимущество хлопчатобумажной ткани над такой
тканью, как шелк, заключается в том, что ее сопротивление
составляет примерно одну тысячную от сопротивления шелка
при одной и той же влажности атмосферы. Непосредственно
после автоклавирования пли высушпванпя хлопчатобумажная
ткань, а тем более шерсть являются очень хорошими изоля-
торами и могут генерировать статические заряды.
Увлажнение атмосферы
Хотя во многих опубликованных работах этот способ под-
вергали большому сомнению, он все же является важным
средством снижения электризации, если нельзя принять
никаких иных мер.
Воздействие повышенной влажности комнатного воздуха
не сводится к повышению его электропроводности, хотя это
иногда утверждали авторы некоторых статей по данному во-
просу. В рамках нашей задачи воздух является почти совершен-
ным пзолятором независимо от того, сухой он или влажный.
Высокая влажность воздуха приводит к образованию более
или менее непрерывных пленок влаги на многих твердых
предметах.
Влага воздуха может также вступать в химические
реакцпп во всеми гигроскопическими веществами х. Одним
из них является цемент, используемый для некоторых полов
«тераццо».
Хотя чистая вода служит хорошим пзолятором, следы
примесей сообщают ей достаточную электропроводность, и
поэтому любые статические заряды на предметах, покрытых
водяной пленкой, быстро уходят в землю. По аналогичным
причинам часто рекомендовали перед употреблением наркоз-
ного аппарата и дыхательных шлангов промывать их водой
пли предпочтительно физиологическим раствором, который
является лучшим проводником, так как содержит электро-
1 Неочищенная столовая соль па влажном воздухе становится
«комковатой», поскольку в иен содержатся малые количества хлористого
магния, обладающего высокой гигроскопичностью.
372
литы. Пленка влаги действует тогда как проводник, и все
части аппарата поддерживаются при одном и том же потен-
циале. Не следует полагаться на продолжение электропро-
водящего пути к полу с помощью волочащейся цепочки; для
обеспечения хорошей электропроводности она должна быть
очень чистой. Анестезиолог, который держит в руках маску,
обеспечивает дополнительный и лучший электропроводящий
путь через свое тело, особенно если он в обуви на кожаной
подошве. Путь к земле должен быть завершен через пол;
многие полы «тераццо» имеют достаточно низкое сопротивле-
ние; нормальные полы из линолеума являются обычно отлич-
ными изоляторами и поэтому опасны.
Повышает безопасность ношение обуви на антистатической
резине, изготовление роликов и шпн из этого матерпала и
настилка полов «тераццо» на электропроводящих маяках.
Каковы бы ни были меры для рассеивания статпческих
зарядов, сопротивление «утечки» на землю не должно быть
слишком малым, иначе при случайном контакте человека с
электросетью (240 в) через него могут пройти чрезмерно
сильные токи, не исключающие возможность смертельной
электротравмы. Прп суммарном сопротивлении между элек-
тросетью и землей около 0,1 мегома (0,1 мегома =105ом) ток,
проходящий через тело, был бы равен 240 в/100 000 ом = 0,0024а
или около 2,5 миллиампер (ма).
Это вызвало бы лишь слабый удар, но при снижении дан-
ного сопротивления в 2 раза удар током удвоенной силы мог
бы оказаться крайне неприятным. По этой причине общее
сопротивление всего оборудования операционной току на
землю поддерживается обычно выше 0,1 мегома.
Проблемы увлажнения
Легкость образования водяной пленки на любом предмете,
находящемся во влажном воздухе, а также снижение сопро-
тивления любой хлопчатобумажной или шелковой ткани зави-
сит от относительной влажности (стр. 67) окружающего воз-
духа.	।
Однако для определения количества воды, которое надо
испарить для повышения влажности в комнате до определен-
ной величины, важна абсолютная влажность. Она опреде-
ляется как вес водяных паров, в едпнице объема воздуха при
данном барометрическом давлении и температуре.
Объединяя закон Бойля (стр. 89 и подстрочная сноска
на стр. 284).	|
।
Р • Vo = для Ро = 273°К (р в атм., V в л/г) (1)
373
с законом Шарля (стр. 100—101)
-£ = У° ; n =	(2),
Г 1	1
получим
т/ то 22,41	Т7 22,41	/Q.
1 т м	м. т0	'
Применяя уравнение (3) для ненасыщенного водяного пара
при Т0 = 273°К, подставим вес 1 моля воды (М = 18 г):
Т7 22,41 Гр
р • V = —— -3	(4).
18-273
Поскольку нас интересует температура воздуха главным
образом в операционных и в других теплых комнатах, можно
для удобства брать среднее значение Т = 300°К (или 27°С):
р (атм.). V (л/г) =	 = 1,37	(5).
Отсюда абсолютная влажность:
W (г/л) = 1 =	(6).
V 1,37
Так как парциальные давления воды будут не более несколь-
ких миллиметров ртутного столба, предпочтительно исполь-
зовать эти единицы вместо атмосферы; кроме того, поскольку
мы имеем дело с большими объемами, абсолютную влажность
лучше выражать в кубометрах (1 м3—около 1000 л). С этими
новыми единицами правая сторона уравнения 6 должна быть
разделена на 760 и умножена на 1000:
W (г/м3) = р (мм рт. ст.) •	=
1,37-/60
= />(мм рт.ст.)- р (мм рт. ст.)
Теперь становится ясным преимущество выбора этих еди-
ниц: абсолютная влажность численно равна парциальному
давлению водяных паров.
Подобно тому как имеется максимальное парциальное
давление водяных паров при любой температуре, известное
под названием давления насыщенных паров (/д), существует
и максимальная абсолютная влажность (Ид). Она, конечно,
определяется давлением насыщенных паров и выводится из
уравнения (7) с добавлением в обеих частях индексов (s).
Пример. При 1=20°С давление насыщенных водяных паров
ps = 17,5 мм ртутного столба (см. рис. 53, стр. 68).
Соответствующее максимальное значение абсолютной влаж-
ности приблизительно равно: Ws=17 г воды на 1 м3 влажного
воздуха.
В этой связи можно упомянуть еще одно удобное мнемо-
ническое правило: если давление водяного пара измеряется
в миллиметрах ртутного столба, а температура в °C, то их
численные значения в рассматриваемом диапазоне температур
почти одинаковы.
Это совпадение вполне хорошее при t = 27°C, ps = 26,7 мм
ртутного столба, а также прп низких температурах: t = 9°C,
ps = 8,6 мм ртутного столба. При температуре тела отклонение
уже значительно: при /, 36'С, ps — 45 мм ртутного столба.
Относительная влажность пробы газа есть отношение
абсолютной влажности пробы к максимально возможной влаж-
ности при данной температуре:
Относительная влажность =	• 100 = — • 100%.
IT S	Ps
Пример. При 24°С проба воздуха 5 м3 содержит 44 г воды.
Какова относительная влажность пробы?
Абсолютная влажность этой пробы равна:
44
W = —- = 8,8 г/м3.
5
Правильное давление насыщения ps=22 мм ртутного стол-
ба, из приблизительно верного уравнения (7) получим макси-
мально возможную абсолютную влажность:
Ws = 22 г/м3;
8 8
относительная влажность =	• 100 = 40%.
Когда проба влажного воздуха нагревается в закрытом
сосуде, ее абсолютная влажность измениться, очевидно, не
может. Утверждение, что абсолютная влажность пробы не
изменяется при нагревании, приблизительно верно и в том
случае, если проба не находится в закрытом сосуде, а может
расширяться в процессе нагревания и поэтому суммарное
давление все время остается на уровне атмосферного. Парци-
альные давления (ненасыщенного) водяного пара и воздуха
остаются тогда постоянными, поскольку сумма их равна
постоянному барометрическому давлению.
Согласно теории, абсолютная влажность изменяется обратно
пропорционально температуре. Однако если ограничиваться
сравнительно малыми повышениями температуры, как это
бывает зимой при нагревании наружного воздуха для утеп-
ления комнаты, снижением абсолютной влажности для наших
целей можно пренебречь.
Так, если воздух нагревается в диапазоне 30°С прп пос-
тоянном давленпп, абсолютная влажность уменьшится лишь
на 10%.
375
Действительно важное значение имеет огромное уменьше-
ние относительной влажности, которое происходит при тех
же условиях. Даже если холодный внешний воздух (например,
при t = 0°С, ps =5 мм ртутного столба) насыщен влагой, подо-
гревание его до 30°С снизит относительную влажность в про
порции 5/32	1/6, поскольку давление насыщения при 30°С
равно 32 мм ртутпого столба. Иными словами, первоначаль-
ная проба с относительной влажностью 100% теперь имеет
относительную влажность только 100/6=16% (пренебрегая
расширением пробы при нагревании).
Этот факт имеет практическое значение в тех случаях,
когда операционная оборудована системой кондиционирования
воздуха, по увлажнительная установка несовершенна. Зимой
холодный воздух втягивается в кондиционер, промывается
и подогревается. Если увлажнитель неэффективен, относи-
тельная влажность чистого и теплого выпускаемого воздуха
может оказаться гораздо ниже относительной влажности хо-
лодного и сырого наружного воздуха, несмотря на добавле-
ние значительных объемов водяного пара к входящему воздуху
в установке для повышения его абсолютной влажности. Необ-
ходимо испарить большие объемы воды для повышения отно-
сительной влажности в операционной и поддержания ее на
высоком уровне. Это связано в основном с конденсацией
жидкой воды во всех случаях, когда воздух приходит в кон-
такт с холодными стенами и окнами. Величину этих объемов
можно уяснить из следующего примера.
Пример. Сколько воды требуется испарить в воздух опера-
ционной (10x10x4 м3) при температуре 25°С для повышения
относительной влажности от 35% до 60% ?
Прп 25°С максимальная абсолютная влажность щ, = 23 г/м3;
относительной влажности 35% соответствует абсолютная влаж-
ность :
w — — • 23 г/м3.
100
Требуемой относительной влажности (60%) соответствует
абсолютная влажность:
w — — • 23 г/м3.
100
Путем вычитания первой величины из второй находим
повышение абсолютной влажности:
(i2_L5. 23 = — • 23 = 5,7 г/м3.
100	100
Объем комнаты равен 10x10 x 4=400 м3; отсюда общее
количество воды, которое необходимо испарить, будет равно:
5,7 г/м3 • 400 м3 = 2280 г, или 2,25 л.
376
Зимой поддержание высокой относительной влажности
может натолкнуться на другую трудность. Широкое окно, сде-
ланное, как это часто бывает в некоторых странах, с одним
оконным стеклом, отделяющим воздух операционной от наруж-
ного воздуха, действует как большая охлаждающая площадь.
Внутренний воздух, приходящий в контакт с окном, охлаж-
дается ниже точки росы (стр. 69). Часть водяного пара кон-
денсируется и содержание влаги в комнатном воздухе пони-
жается .
Большое количество воды, которое в предыдущем примере
пришлось добавлять к комнатному воздуху для повышения
его относительной влажности, могло бы легко обратиться в
«непроизводительные» потери вследствие конденсации на окне.
Очевидным выходом было бы окно с двумя рамами с достаточным
воздушным пространством между ними; такие окна широко
применяются в странах с рациональным взглядом на эко-
номию топлива во время холодной зимы.
Влажность в операционных
Часто утверждают, что при отсутствии увлажнительной
системы паровой стерилизатор, расположенный рядом с опе-
рационной, обеспечивает достаточное увлажнение атмосферы.
Это может быть верным лишь в том случае, если стерилиза-
тор больших размеров постоянно применяется и свободно
сообщается с воздухом операционной. Тем не менее, если
стены операционной плохо изолированы, окна имеют одну
раму, а температура наружного воздуха нпзкая, потребова-
лись бы очень большие количества пара для поддержания
высокой относительной влажности.
Согласно одному исследованию по взрывам, связанному
со статическим электричеством, большинство взрывов прои-
зошло прп относительной влажности операционной 60% или
ниже [12] . В 9% случаев взрывов относительная влажность
была ниже 50%.
Однако статические искры возможны [13] прп относитель-
ной влажности до 65%. За наименьший безопасный предел
относительной влажности, значительно снижающий опасность
статической электризации, принимают обычно 60%.
Имеются опубликованные величины относительной влаж-
ности, которую можно поддерживать без сильного затумани-
вания окон вследствие конденсации [14] . Прп температуре
наружного воздуха около точки замерзания (0°С) возможна
относительная влажность 35%, если окна сделаны с одной
рамой, и до 65% при окнах с двойными рамами.
По-впдпмому, гигрометрический контроль в средней опера-
ционной весьма часто показывал бы неожиданно низкую отно-
сительную влажность. Везде, где существует тенденция к
377
статической электризации, полезно иметь прибор для опре-
деления относительной влажности.
В очень теплых операционных комнатах относительная
влажность выше 65% может быть весьма неприятной и плохо
сказываться на работе операционной брпгады.
Снятие статических зарядов
Ионизация комнатного воздуха
Предлагались различные способы увеличения проводимости
самого воздуха или во всей комнате пли по крайней мере
рядом с предметами, которые не должны заряжаться. Боль-
шинство их [151 основано на частичной ионизации молекул
воздуха с помощью радиоактивных веществ; воздух прп этом
становится слабо проводящим и заряды на предметах с раз-
ными потенциалами могут переходить от одного на другой и
уходить в землю. Несмотря на то что эти способы исполь-
зуются в печатном производстве и других отраслях промыш-
ленности, они не нашли широкого применения в операционных.
Предусмотрение отдельных электропроводящих путей
от оборудования к земле
Раньше для отвода электрических зарядов служила метал-
лическая спираль в дыхательном шланге, соединявшая боль-
ного с металлическими частями аппарата. Для предупреждения
электризации дыхательного мешка его заключали в прово-
лочную сетку. Дальнейшая проводимость обеспечивалась
волочащимися цепочками; сам пол пересекали многочислен-
ные заземленные металлические полоски.
Эти устройства, за исключением волочащихся цепочек,
давно вышли из моды. Короткое замыкание между неисправ-
ным кабелем сети питания и любой частью обнаженной метал-
лической проволоки в дыхательном шланге или на дыхатель-
ном мешке могло бы вызвать сильные токи и чрезмерное
нагревание; таким путем может произойти воспламенение взрыв-
чатой смесп. Далее, случайное попадание напряжения сети
на любой участок этого металлического электроотводящего
пути могло бы вызвать сильный удар или смертельную элек-
тротравму. Кроме того, любой незамеченный разрыв прово-
локи мог грозить искрой прп накоплении между двумя кон-
цами достаточной разности потенциалов.
Попыткой устранения этих недостатков явился «взапмосос-
дпнптель» Нортона (Norton) [16] . Главная особенность этой
системы заключается в довольно высоком сопротивлении
(1 мегом) проводов между определенными лицами и предметами
в операционной. Однако это сопротивление достаточно мало,
что обеспечивает быстрое стекание статических зарядов, и в
то же время настолько велико, что пропускает лишь самые
378
слабые токи прп случайном контакте с сетью питания; при
этом перегрев и проскакивание мощных искр исключены.
Устройство состоит из небольшой коробки с сопротивлениями,
от которых ведут провода к больному , хирургу, анестезиологу
и наркозному аппарату; последний соединяется волочащимися
цепочками с полом, который должен иметь достаточную
электропроводность.
Одним из недостатков системы Нортона являются провода,
опутывающие операционную; этим и объясняется тот факт,
почему эта система больше не находит широкого применения
в США, где ее впервые ввели незадолго до второй мировой
войны. И здесь разрыв в любой части системы грозит нако-
плением чрезмерной разности потенциалов.
Применение антистатической резины
Обычная резина является хорошим изолятором; например,
обычный дыхательный шланг, изготовленный из красной ре-
зины, имеет очень высокое сопротивление. Введение в прак-
тику слабо проводящего материала, известного под назва-
нием антистатической резины, опять преследует цель урав-
нять электрические потенциалы всех предметов. Поскольку
многие предметы в операционной заземлены, все другие пред-
меты также необходимо приблизить к потенциалу земли.
Люди, двигающиеся в операционной, пли передвигаемые
тележки не накопят зарядов, если между ними и землей
имеются достаточно малые электрические сопротивления.
Вообще говоря, сопротивление обуви на кожаной подошве [17]
является достаточно малым для этой цели, хотя многие авторы
предпочитают использовать обувь на антистатической резине
с определенным и меньшим сопротивлением.
Основная часть всей заземляющей цепи больного состопт
из резины: наркозная маска, дыхательный шланг, дыхатель-
ный мешок, шины на колесах тележки и т. д. На производ-
стве, где непрерывно накапливаются нежелательные крупные
статические заряды, которые необходимо быстро рассеивать,
давно применяется так называемая электропроводящая, резина.
При включении в состав резины (в процессе ее изготовле-
ния) некоторого количества газовой сажи резина, обычно
очень хороший изолятор, становится проводником с малым
сопротивлением, которое может быть в миллионы раз меньше
сопротивления стандартной резины. Шины на колесах боль-
ших автомобилей или самолетов при движении по сухим
дорожным поверхностям действуют как непрерывные элек-
тризующие машины, легко генерируя разности потенциалов
до 50 кв [18]. Этот недостаток давно устранен путем приме-
нения электропроводящих шин с общим сопротивлением
гораздо меньше 0,1 мегома.
879
Однако используемые в наркозной аппаратуре резиновые
детали должны иметь достаточно большое сопротивление,
чтобы избежать сильных токов прп случайном контакте с
электросетью (см. стр. 373).
Хотя проводящую резину использовали в наркозной аппа-
ратуре еще 30 лет назад [19] , такие резиновые детали даже
и теперь не всегда удовлетворительны. Проводимость анти-
статической резины связана с микроскопическими цепочками
частиц углерода; нередко при растягивании дыхательного
шланга его сопротивление значительно повышается, что можно
объяснить временным перерывом углеродных цепей.
Известно, что сопротивление различных частей из анти-
статической резины со временем возрастает, поэтому необхо-
димы периодические проверки. Они не так легки, как изме-
рение сопротивления, скажем, электрического камина, по-
скольку здесь часто приходится иметь дело с высоким
переходным сопротивлением между резиной и любым прилагае-
мым металлическим электродом [20] . Площадь контакта меж-
ду ними должна быть хорошо увлажнена для получения
точных показаний омметра.
Меры безопасности должны касаться не только самого
наркозного аппарата. Насколько «внимательно» в Англии
относятся к опасности статической электризации, говорит
следующий факт: персонал операционной часто носит обувь
на обычной резиновой подошве, сопротивление которой может
достигать 20 000 мегом, тогда как любое сопротивление больше
10 мегом уже нежелательно. При ходьбе с шарканьем в
обуви на обычной резиновой подошве можно легко генериро-
вать разность потенциалов в несколько киловольт между
человеком и другими предметами.
Максимальное сопротивление, допустимое для снятия зарядов
Величины общего сопротивления [21] от 0,1 до 10 (иног-
да от 1 до 100) мегом, которые считаются достаточными для
предотвращения опасных разностей потенциалов между раз-
личными предметами в комнате [22], основаны на экспери-
ментальных наблюдениях, а также на теории. Теоретические
данные получены путем расчета максимальной скорости элек-
тризации, которая может иметь место, например, при стаски-
вании шерстяного одеяла с металлической тележки на изоли-
рующих роликах. Известно, что скорость электризации может
соответствовать току в несколько микроампер х, направлен-
ному на изолированный предмет и повышающему разность
потенциалов между ним и другими соседними предметами или
землей.
1 Микроампер равен одной миллионной ампера, или 10-8 а.
380
Необходимо предусмотреть соответствующее сопротивле-
ние между заряженным предметом и землей для стекания
зарядов по мере их накопления. Предполагая, например,
что разность потенциалов между предметами не должна пре-
вышать 300 в во избежание образования воспламеняющих
искр, необходимое сопротивление можно вычислить по закону
Ома. Если скорость накопления заряда соответствует току
30 микроампер, требуемое сопротивление будет равно:
300 в	.	. f.
------т- - 10'ом = 10 мегом.
30 - 10“6а
По сравнению с этими желаемыми сопротивлениями утеч-
ки сопротивление человека в обуви на обычной резиновой
подошве или телёжки на стандартных резиновых роликах
гораздо больше — возможно, в 10 000 раз пли более.
Скорость рассеивания электростатических зарядов
Иногда полезно определить скорость, с которой исчезает
высокий электростатический потенциал заряженного предмета,
если предусмотрено заземление. Исчезновение разности потен-
циалов между предметами данной электроемкости происходит
экспоненциально х. Поэтому надо выбрать какое-то время,
в течение которого разность потенциалов падает до известной
части своего первоначального значения; в последующей фор-
муле мы выбрали время, которое требуется для того, чтобы
разность потенциалов снизилась до 10% своей первоначаль-
ной величины.
За единицу времени принята миллисекунда, сопротивле-
ния — мегом, емкости — пикофарада. Чтобы составить неко-
торое представление относительно общей применимости этой
формулы, полезно вспомнить, что большинство предметов в
операционной, которые могут накапливать электростатические
заряды, имеет электроемкость в несколько сот пикофарад.
Согласно теории,
2 3
t (10%) = 1000 ’ электроемкость (иф)- сопротивление (мегом).
Пример. Электроемкость С=200 пф; сопротивление R —
= 100 мегом. Это может соответствовать электроемкости и
1 Термин «экспоненциально» применяется в тех случаях, когда
скорость изменения количества в любой момент пропорциональна зна-
чению количества в этот момент. Читателю могут быть знакомы следу-
ющие примеры: рост денег в банке по сложным процентам или выделе-
ние медикаментозных препаратов пз тела. Экспоненциальной зависи-
мостью, в которой не участвует время в качестве переменной величины,
выражается снижение барометрического давления прп увеличении высоты
(см. крайнюю справа кривую на рис. 63, стр. 78).
381
сопротивлению относительно земли человека, стоящего в
обуви на кожаной подошве на полу «тераццо».
2 3
г(1Оо/о) = ~1000 ' 200  100 = 16 мсек, пли около 1/20 сек.
Поскольку в эту формулу не входит абсолютное значение
разности потенциалов, проходит то же время, пока перво-
начальная разность потенциалов падает от 10 000 в до 1000 в,
или от 3000 до 300 в.
Если в предыдущем примере взят случай, вряд ли при-
водящий к образованию опасных электростатических искр,
то в следующем примере рассмотрена тележка па обычных
резиновых роликах, которая легко может наэлектризоваться
до опасно высоких потенциалов.
Пример. Электроемкость С=300 пф; сопротивление 100 000
мегом.
^(1О«/о) =	' 300  10000 = 70000 мсек, или 70 сек.
Таким образом, любой случайно образовавшийся заряд
будет долго сохраняться. Непрерывное трение при перекаты-
вании тележки по полу, покрытому обычным линолеумом,
может поднять разность потенциалов до очень больших зна-
чений .
Антистатические полы
Еще одним звеном в электропроводящей цепи, которую
необходимо создать между наркозным аппаратом и землей,
служит пол [23, 24] . Полы, крытые линолеумом пли деревян-
ными плитками, могут иметь сопротивление в несколько тысяч
мегом. Многие полы пз гранолита также имеют высокое
сопротивление, по некоторые полы, сделанные из смеси мел-
кого камня с определенным сортом цемента, весьма удовлет-
ворительны. Антистатические свойства этих полов «тераццо»
частично связаны с гигроскопической природой цемента. Кроме
того, черный пол может включать в себя проволочную сетку
и газовую сажу. Опубликованы инструкции как по настилке,
так и по испытанию таких полов [23] .
Нейтрализация воспламеняемых смесей разбавителями
Польза этого метода в клинической практике весьма огра-
ничена. Мы можем грубо предсказать действие разбавителя,
исходя из предыдущего обсуждения пределов воспламенения;
там наиболее распространенный разбавитель (азот) добавляли
к воспламеняемой смеси в постоянном отношении к кисло-
роду, т. е. пределы воспламенения в воздухе сравнивали с
382
пределами воспламенения в чистом кислороде. Было установ-
лено, что нижний предел не подвержен большим изменениям,
тогда как верхний предел может быть очень сильно снижен.
Действие таких разбавителей связано не только с вызы-
ваемым ими снижением парциального давления кислорода в
смеси горючего, кислорода п разбавителя. Следующие опыты
показывают это со всей ясностью [25] .
Небольшая спиртовая лампа зажигается и ставится в
стеклянный сосуд, наполненный воздухом. Воздух постепенно
замещается кмслородпо-азотвыми смесями с понижающимся
содержанием кислорода. Когда концентрация кислорода падает
от 21% чуть ниже 15%, пламя гаснет; нижнее предельное
парциальное давление кислорода равно 112 мм ртутного
столба.
Во втором опыте спирт горит в чистом кислороде при
атмосферном давленпп; давление постепенно понижается. Пла-
мя гаснет лишь после того, как давление падает до 27 мм
ртутного столба.
Способность третьего компонента (разбавителя) снижать
воспламеняемость смесей горючего с кислородом зависит как
от его удельной теплоемкости, так и от теплопроводности.
В большинстве случаев разбавитель с высокими значениями
этих двух показателей! более эффективно, чем другие, пони-
жает верхний предел воспламенения горючего. Разбавитель
с высокой удельной теплоемкостью эффективно поглощает
часть тепла, выделяющегося прп сгорании, снижая этим тем-
пературу пламени. Кроме того, тепло, выделяющееся при
сгорании, лучше передается стенкам сосуда, если разбави-
тель имеет хорошую теплопроводность. Прп этом тепла,
доступного для нагревания слоев свежей смеси, может ока -
заться слишком мало, и пламя не будет распространяться.
Пример. 1) Пределы воспламенения смесей циклопропана
с кислородом: нижний предел — 2,2% и верхний предел —
60%. Смесь 50% циклопропана и 50% кислорода обладает
высокими детонационными свойствами.
Однако если 12% кислорода в последней смеси заменить
гелием, пламя не сможет распространяться [26] . Смесь из
50% циклопропана, 12% гелия и 38% кислорода невоспла-
меняема. Более того, любая такая смесь с концентрацией
кислорода ниже 38% и соответственно более высоким содер-
жанием гелия также невоспламеняема.
2) Смесь пз 20% циклопропана и 80% кислорода имеет
исключительно высокую способность детонации. Если 54%
кислорода пли более заместить гелием, смесь опять стано-
вится невоспламеняемой, имея концентрацию кислорода 26%
или менее.
3) Смесь 4% циклопропана п 96% кислорода воспламе-
няема. Чтобы сделать ее невоспламеняемой, по крайней мере
383
84% кислорода нужно заменить гелием. Любая смесь 4%
циклопропана с гелием и кислородом, содержащая менее
12% кпелорода, невоспламеняема, но даже если бы коли-
чество добавленного гелпя было недостаточно высоким, про-
цесс сгорания происходил бы очень слабо.
Способ предупреждения воспламенения или взрывов, осно-
ванный на разбавлении смесей, имеет явные недостатки
смеси с низкими концентрациями циклопропана можно вво-
дить лишь с низкими концентрациями кпелорода, а это может
оказаться нежелательным с физиологической точки зрения.
Другая трудность заключается в поддержании правиль-
ных составов смесей в наркозных аппаратах, употребляемых
в настоящее время, по крайней мере насколько это касается
закрытых систем. После того как аппарат был доотказа
наполнен кислородом — например, в случае неотложной
помощи,—точную добавку разбавителя придется производить
заново.
В последнее время этот метод нашел некоторое применение
в малой хирургии, где пользуются миниатюрными цилин-
драми, содержащими циплопропан и смесь кпелорода с гелием
или азотом в качестве разбавителя [27, 28] .
Азот почти не уступает гелию по своему подавляющему
действию, но гелий предпочитают по другим причинам. Гелий
не так легко, как азот, пропускает электрические искры,
и поэтому случайное воспламенение смесп с гелием менее
вероятно. Концентрация кислорода в таких трехкомпоиептных
смесях неизбежно низка, однако гелий облегчает дыхание и
частично компенсирует пониженную концентрацию кпелорода,
способствуя повышенному дыхательному обмену.
«Гашение». Ловушки пламени
Ущерб, причиняемый воспламенением горючих смесей,
был бы значительно меньше, если бы можно было предотвра-
тить самораспространепие пламенп от места зажигания. Одним
из известных примеров применения этого принципа в
технике является безопасная лампа для шахтеров (рудничная
лампа Дэви).
Рис. 340. Открытое пламя масляной лампы заключено в
стеклянный цилиндр, над которым установлен другой цилиндр
из тонкой проволочной сетки. Наружный воздух имеет сво-
бодный доступ внутрь лампы через отверстия сетки. Зажжен-
ную лампу можно без риска использовать в умеренно взрыв-
чатых атмосферах.
Когда воспламеняемая смесь рудничных газов, содержа-
щая метан, попадает внутрь лампы, она зажигается статиче-
ским пламенем лампы, но пламя не распространяется наружу.
384
Благодаря хорошей теплопроводности проволочной сетки пламя,
приближаясь изнутри к проволочной сетке, охлаждается
до такой степени, что не может нагреть смежный слой све-
жего газа до температуры воспламенения; пламя «гасится»
проволочной сеткой.
Рис. 340.
Лампа Дэви [29] служит также в качестве грубого инди-
катора взрывчатости. На рпс. 340 показано пламя лампы,
когда окружающий воздух не содержит рудничных газов.
На рис. 341 показано пламя прп наличии воспламеняемых
рудничных газов, хотя их состав пока еще ниже нижнего
предела воспламенения. Пламя окружено большим ореолом,
в котором сгорают воспламеняемые газы, входящие в лампу
путем диффузии или конвекции. Это сигнализирует шахтеру
об опасности задолго до того, как содержание метана превы-
шает нижний предел воспламенения.
35 Физика для ансстезиологоз
385
В легко воспламеняемой атмосфере, особенно в условиях
быстрых воздушных течений, данное устройство не гарантирует
безопасность, и пламя может легко распространиться наружу.
Мы уже встречались с процессом «гашения» пламени в
зоне зажигания, рассматривая искровой разряд между очень
Рис. 341.
близко расположенными друг к другу электродами. Аналогич-
ный тип гашения в месте зажигания можно иллюстрировать
на следующем примере.
На рпс. 342. Широкая трубка (скажем, диаметром 1 см),
наполненная воспламеняемой смесью, имеет в левом конце
проволочную спираль, которая может быть накалена электри-
ческим током. В нулевое время ток был включен, спираль
накалена и зажжено яркое самораспространяющееся пламя.
Ток быстро выключают, и за несколько секунд пламя пере-
мещается через большую часть длинной трубки, между тем
как спираль охладилась.
386
Рис. 343. Схема опыта такая же, Как п на Предыдущем
рисунке, за исключением того, что широкая трубка заменена
гораздо более узкой (скажем, диаметром 0,2 см). Хотя ток
не выключают и спираль остается в накаленном состоянии в
течение длительного времени, пламя вдоль узкой трубки не
перемещается.
Возникает лишь ореол около накаленной спирали в том
месте, где к ней диффундирует свежая смесь. Благодаря бли-
зости холодных стенок трубьп тепло слишком быстро отби-
рается у любого пламени, которое могло бы начать переме-
щаться по трубке.
Рпс. 342, 343.
В промышленности было сконструировано много ловушек
пламени с целью ограничить взрыв, предотвратить его распро-
странение в другие участки, наполненные воспламеняемыми
смесями.
Рпс. 344. Широкая трубка с резким сужением в середине
наполнена воспламеняемой газовой смесью. Смесь была заж-
жена в нулевое время с левого конца, и за несколько секунд
пламя переместилось через большую часть широкой трубки
слева от сужения, оставляя за собой продукты сгорания.
Рпс. 345. После этого прошел большой промежуток вре-
мени, в течение которого спираль поддерживали в накаленном
состоянии током от электробатареи. Однако пламя исчезло,
и наличие свежей смеси указывает на то, что пламя не прошло
через сужение.
Ловушки для пламени пробовали применять и в наркозных
аппаратах [30] на входе в дыхательный шланг или около
маски. Однако следует четко уяснить, что такие ловушки
могут лишь ограничить распространение медленного пламени,
возникающего при нормальном горении. Действие проволоч-
ной сетки в ловушке для пламени основано на высокой тепло-
проводности металлов. С другой стороны, детонация распро-
страняется не теплопроводностью, а ударной волной, которая
без всякого труда может пройти через металлическую сетку.
Правда, изготовляют технические ловушки пламени, пред-
назначенные даже для ограничения детонаций [31], однако
высокое сопротивление газовому потоку делает их непригод-
ными для практического применения в наркозных аппаратах.
Такне ловушки иногда изготовляют из спеченных металли-
ческих дисков, которые образуют нечто вроде губчатого слоя
с большим количеством микроскопических каналов [32] .
Исторические сведения о взрывах
Первые примеры взрывов воспламеняемых смесей описаны
задолго до знаменательного 1846 г. Так, зажигание воспламе-
няемых паров электростатическими искрами практиковали
для демонстраций за 100 лет до этого.
Рис. 346. Слева рука «трет» вращающийся изолятор (шар
из серы), электростатические заряды передаются через тонкие
проволочки, прикасающиеся к шару, на металлическую полосу,
подвешенную па изолирующих шелковых нитях. Метал-
лическая цепочка передает заряды демонстратору, который
стоит на изолирующей платформе. Он заряжается до высокой
разности потенциалов относительно ассистента, стоящего на
полу (на вставках показана рука ассистента с ложкой, напол-
ненной спиртом)
388
На верхней вставке впдны искровые разряды от пальца
к ложке, воспламеняющие смесь паров спирта с воздухом.
Эта иллюстрация заимствована пз работы, опубликован
нои в 1745 г. аббатом Нолле (Nollet), который комментирует
ее следующим образом: «... искры зажигают приближаемые
к ним пары и воспламеняемые смеси; это зрелище достойное
большого интереса, и никогда не надоест видеть наэлектри-
зованного человека, зажигающего спирт копчиком своего
пальца» [33] . Он проводил аналогичные опыты с другими вос-
Piic. 346.
пламеняемыми смесями и нашел, что гораздо легче зажигать
пары, если ложка подогрета, т. е. если давление паров доста-
точно повышено, чтобы обеспечить присутствие воспламеня-
емых смесей над жидкостью.
Было даже известно, что жидкость зажечь труднее, если
ее налить не в металлическую ложку, а в сосуд пз изолирую-
щего материала (стекла).
Заряженные изоляторы дают менее мощные искры,
чем, заряженные проводники
Когда искра проскакивает между предметами, находящи-
мися при различных потенциалах, весь заряд переходит с
одного предмета на другой в одной искре только в том случае,
если оба предмета являются проводниками. Если один пз
них изолятор, искра нейтрализует на нем лишь ограниченный
участок, поскольку заряды пз более отдаленных мест не могут
достаточно быстро притекать к зоне искрового заряда. Иными
словами, вся электрическая энергия заряженных проводников
389
может быть рассеяна в одной единственной искре, но если
оба или одни из предметов являотся пзолятором, в одной
искре рассеивается лишь часть электрической энергии.
Концентрационные пределы воспламенения
Впервые пролил свет на концентрационные пределы воспла-
менения в газовых смесях Генри Кэвендиш (Cavendish),
хотя его отличная работа иногда теряется среди похвал,
воздаваемых Дж. Пристли и X. Дэви. Еще в 1766 г. он при-
готовлял смеси водорода в сосудах емкостью около 1 л.
Зажигание пытались производить, поднося пламя к отверстию
сосуда. Для безопасности экспериментатор проделывал это
на расстоянии. Некоторые из его опытов [33] приведены
в табл. 31, причем использована терминология того времени.
Таблица 31
Водород		Воздух		Результат попытки зажигания
1	часть	9	частей	Пламени нет
2	части	8	»	«Очень громкий шум»
3	»	7	»	«Очень громкиlii шум»
4	»	6	»	«Звук чуть громче»
5	частей	5	»	«Звук чуть громче»
6	»	-4	части	«Не очень громкий звук»
7	»	3	»	«Совсем слабый звук»
8	»	2	»	Пламенп нет
Кэвендиш сделал также несколько косвенных наблюдений
за скоростью пламени, отметив, что смеси с концентрациями
от 2U до 40% взрывались настолько быстро, что свет едва
можно было видеть.
Его работа тем более интересна, что до нее не понимали
необходимости присутствия воздуха для сгорания воспламе-
няемого газа. «Из этих опытов следует, по-впдпмому, заклю-
чить, что . . . (водород) ... не может гореть без помощи
обычного воздуха».
Взрывы эфгнра
Первое связующее звено между работой врачей и взры-
вами эфпра обнаруживается в исследовании Иигеп-Хаусца
(Ingen-Housz), «врача их императорских величеств и члена
Королевского общества». Ознакомившись с некоторыми каче-
ственными опытами в Голландии, он взялся за глубокое
исследование зажигания смесей эфира с воздухом и кислоро-
дом, итоги которому он подвел в 1779 г.
390
Следуя наблюдениям Кэвендиша относительно пределов
взрывчатости в смесях водорода, он установил, что эфиро-
воздушные смесп высоких концентрации не взрываются.
За несколько лет до этого Пристли уже отметил, что
богатые кислородом смеси взрываются сильнее, чем смесп
с воздухом. Поэтому Ицген-Хаусц был приятно удивлен,
обнаружив сильные детонации в смесях паров эфпра с кисло-
родом .
Рис. 347.
Окончательные испытания были проведены с помощью
аппарата, рисунок которого заимствован из оригинальной
работы [36].
Рпс. 347. Этот «воздушный пистолет» с электрозажнганпем
был изготовлен известным лондонским инструментальщиком
Нэпрном (Nairne).
Рпс. 348. Продольный разрез аппарата. Поршневой шток
R проходит через рукоятку к поршню Р, на внутренней
стороне которого сидит коническая головка С; последняя
заполняет мертвое пространство в стволе пистолета, привин-
ченном к большому цилиндру, когда поршень проталкивается
влево. Поршень, ствол и большой цилиндр сделаны из металла,
конус С из слоновой кости для изоляции двух проволочек,
ведущих через отверстпя в нем к искровому промежутку.
Наружный конец одной проволоки лежит в выемке малого
изолятора В, прикрепленного к поршню, другая проволочка
присоединена к поршню Р и тем самым к цилиндру. Потен-
циал от аппарата для электризации может быть приложен
между цилиндром (см. клемму на рпс. 347) и другим электро-
дом только в том случае, если поршень оттянут назад, как
это показано на рис. 347. Тогда конец второй проволочки
обнажается в вырезе рукоятки (рис. 348).
301
Пистолет заряжали следующим образом.
Небольшую резиновую камеру наполняли эфпро-кпсло-
родной смесью и прикрепляли к левому концу узкого ствола.
Поршень оттягивали вправо и одновременно слегка снимали
камеру. Большой цпллпидр («воздушная камера») длиной
100 м и диаметром 50 мм имеет объем около 200 см3. Наконец,
в ствол пистолета слева забивали свинцовую пулю, обернутую
в кожу, и через искровой промежуток (шириной около 2 мм)
пропускали искру.
Первые опыты не всегда проходили гладко, о чем сви-
детельствуют следующие цитаты:
«... последовавший взрыв оторвал различные части
пистолета».
Автору помогал аббат Фонтана (Fentana), директор Каби-
нета естественной истории, принадлежавшего великому гер-
цогу Тосканскому.
«... Аббат Фонтана обернул полотенце вокруг пистолета
для безопасности (эфиро-кислородная смесь) . . . взорвалась
с таким сильным звуком, что мы оба чуть не оглохли».
Л II Т Е Р А Т У Р А
1.	Pinson К. В. Brit. med. J., ii, 1930, 312.
2.	G u e d e I A. Inhalation anesthesia, cf. p. 151, New York, 1937.
3.	Flagg P. J. Arch. Otolaryng. Chicago. 1937, 25, 83—84.
4.	G r e e n e P. A. Anesthesiology, 2, 144—60; cf. p. 158, 1941.
5.	Ila sler J. K. Practitioner, 1938, 140, 270—76.
6.	См. ссылку [4], стр. 148.
7.	Epstein 11. G. Lancet, i, 1944, 114 - 16.
8.	В nil о ugh J. Lancet, i, 1954, 798 — 801.
9.	British Standard. Flameproof enclosure of electrical apparatus. 1946,
No 229.
10.	Guest P. G., Sikora V. W. a. Lewis B. Static electricity
in hospital operating suites: direct and related hazards and pertinent
remedies, U. S. Bureau of Mines Bep. Invest., 1952, No. 4833.
11.	В u 1 g i n D. Brit. J. appl. Phys., 1953, 4, S. 87—91.
12.	См. ссылку [4], стр. 257.
13.	Woodbridge P. D., II о r t о n I. W. a. Connell K. J.A.M.A.,
1939, 113, 740—44.
14.	Report of Committee on Static Electricity Anesthesiol, 1942, 3, 85—91 ;
cf. p. 89.
15.	Slocum IL C. a. Fin void R. Anesthesiol., 1944, 5, 33—9.
16.	См. ссылку 13
17.	Greene B. A. Anesthesiol., 1952, 13, 203—6.
18.	L a n e K. A. a. Gardner E. II. I.R.I. Trans., 1948—1949, 24,
70—91.
19.	Ritter a. Rimarsky W. Muench, med. Wsch., 1928, 75, 314—16.
20.	British Standard. Laboratory tests for resistivity of conductive and
antistatic rubbers, 1953, No. 2044.
21.	British Standard. Resistence of conductive and anti-static rubber
products, 1953, No. 2050.
22.	В u 1 g i n D., Llewellyn F. J. a. Thomas G. Lancet, i,
1949, 789.
392
23.	Report of a working party on Anaesthetic explosions including safety
code for equipment and installations. London, 1956.
24.	National fire protection association. Standart No. 56, 1956.
25.	Do 11 wig II. C. et al. J. Amer. Chem. Soc., 1917, 39, 2224—31.
26.	Report of the Council on pharmacy and chemistry of cyclopropane
J.A.M.A., 1947, 116, 2502—4.
27.	Hings on R. A. J.A.M.A., 1954, 156, 604—606.
28.	Bourne J. G. a. Morton H. J. V. Lancet, i, 1955, 20—22.
См. там же.
Hewer C. L. a. Lee J. A. Recent advances in anaesthesia and
analgesia, cf. p. 20, London, 1957.
29.	Davy, Humphery (1818). On the safety lamp for coalminers, London.
30.	Cheney M. B. Curr. Rest. Anesth., 1929, 8, 261—2.
31.	J ent zs ch H. Brennstoff-Chem., 1950, 31, 381—2.
32.	Egerton A. C. et al. in: Fourth Symposium (International)
on Combustion, No. 87, 689—95. Baltimore, 1953.
33.	L’A b b e Nollet (1745) Hist. Acad. Roy. Sei. Paris, 1749; cf.
p. 112; Pl. I, fig. 1 and 2.
34.	Bulgin D l.R.L Trans., 1947—1948, 23, 35—40.
35.	Cavendish, The Hon. Henry. Phil. Trans., 1766, 56, 141—84
cf. p. 148.
36.	Ingen Housz J. Phil. Trans., 1779, 69, 376—418, cf. p. 411,
p. 418.
Физические
			Формула	V- й вес	Плотность		Удельный объем в	О? о £
				Молен: лярны:	г/см8 при 20°C	г/л при i атм.	см8/г прп 20° Са	Давле! паров (абсол! при 20
1 2	Хлороформ	Жид- кость Пары	СНС.1	119	1,49	(Прп ТК)' 4,4	0,67 200	160 мм рт. ст.
3 4	Этиловый ел в рт	Жид- КОСТЬ Пары	сукон	46	0,79	(при ТК) 1,6	1,27 520	44 мм рт. ст.
6	Xлорэтпл	Жид- КОСТЬ Пары	С»НБС13	64	0,92	(при ТК) 2,7	1,09 370	1,3 атм.
7 8	Днэтпл- эфпр	Жид- кость Пары	(С2нБ)2о	74	0,71	(При ТК) 3,1	1,41 320	440 мм рт. ст.
9 10	Т рилеп	Жид- кость Пары	С,НС13	131	1,47	—	0,68 180	00 мм рт. ст.
11 12	Дпвпнпл- эфпр	Жид кость Пары	(СгНз^О	70	0,77	—	1,30 340	550 мм рт. ст.
13 14	Вода	Жпд кость Пары	Н2О	18	1,0	(при ТК) 0,60	1,0 1 300	18 мм рт. ст.
15 16	Двуокись углерода	Жид- КОСТЬ Пары	со2	44	0,77	(при 20°С) 1,84	1,3 При 56 атм 550	56 атм.
17 18	Цикло- пропан	Жид- кость Пары	с3н6	42	0,68 прп 30°С	(при 20’С) 1,75	570	6,3 атм.
19 20	Закиси» азота	Жпд- кость Пары	N.0	44	0,80	1,84	1,25 при 51 атм 550	51 атм.
21	Воздух			29		1,20	830	
22	Кислород		о..	32	Прп	1,33	750	
23	Азот		N2	28	20°С	1,17	850	
24	Гелии		п<	4		0,16	6 200	
25	Этилен		С2Н4	28		1,19	840	
1	ТК — температура кипения.
2	Предполагается, что газы и пары при 1 атм. ведут себя как идеаль-
ные газы.
304
постоянные
Скрытая теплота испарения в кал/г	Удельная тепло- емкость8		Температура кипения (ТК в°С)	Критическая температура в°С	Критическое давление в атм.	Раствори- мость в воде	в см’/на 100 см8 при 20°С	Вязкость относи- тельно во- ды (=1) при 20°С
	кал/см8	кап/г					при пар- циальном давлении 1 атм.8	
64 (прп 20°С)	0,34 0,0007	0,23 0,14	61	260	55	0,49	690	0,57 0,010
220 (при 20°С)	0,46 0,0008	0,58 0,40	78	240	63	С^3 4	О	1,2 0,009
92 (при 20°С)	0,33 0,0009	0,36 0,32	12	190	52	0,62	160	0,010
87 (прп 20°С)	0,38 0,0014	0,53 0,44	35	190	35	10	3 900	0,23 0,007
58 (при ТК)	0,32	0,22	87			0,07	230	0,55
89 (прп ТК)			28			0		
580 (прп 20°С)	1,0 0,0003	1,0 0,46	100	370	220			1 0,0097
35 (прп 20°С)	0,0004	0,70 0,20	—	31	73		90	0,15
	0,0006	0,32	—33	125	54		30	0,0087
41 (прп 20°С)	0,0004 о,0003	0,21	89	36	72	68		0,014
		0,24		- 141	37	2,0		0,018
	0,0003	0,22		-119	50	3,3		0,020
	0,0003	0,25		-147	33	1,7		0,017
	0,0002	1,25		-268	2,3	0,9		0,019
	0,0004	0,36		10	51	13,0		0,010
3 Предполагается, что пары находятся прп указанных условиях п, за
исключением двуокпсп углерода, подчп|няются закону Генри.
4 Растворим в любом отношении.
395
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие редактора к русскому изданию...................... 5
Предисловие авторов к первому изданию ........................ 6
Предисловие авторов ко второму изданию ....................... 8
Глава I. Плотность газов ..................................... 9
Глава II. Удельная теплоемкость ...........................   20
Глава III. Испарение ........................................ 28
Глава IV. Опыты с испаренном эфира........................... 35
Глава V. Теплоотдача при наркозе ............................ 44
Глава VI. Скрытая теплота крпсталлнзацпп..................... 53
Глава VII. Парциальное давление ............................. 57
Глава VIII. Давление паров .................................. 64
Глава IX. Атмосферное давление .............................. 71
Глава X. Сжатые газы п законы газовых состоянии.......	84
Глава XI. Редукционные клапаны ...........................   105
Глава XII. Ламинарный поток жидкостей и газов в трубках.. ..	137
Глава XIII. Поток жидкостей и газов в наркозных аппаратах.. 148
Глава X1V. Поток жидкостей и газов через отверстия ......... 170
Глава XV. Дозиметры......................................... 174
Глава XVI. Инжектор и его применение	  195
Глава XVII. Растворенпе газов .............................. 211
Глава XVIII. Диффузия н осмос............................... 221
Глава XIX. Основы устройства некоторых наркозных аппаратов 242
Глава XX. Взрывы. 1. Окисление, горение и пламя............. 256
Глава XXI. Взрывы. 2. Нормальное горение и детонации в
горючих смесях .......................................... 298
Глава XXII. Взрывы. 3. Источники зажигания и потенциаль-
ные опасности взрыва .................................... 33J
Глава XXIII. Взрывы. 4. Меры предосторожности. Историчес-
кие заметки.............................................. 367
Физические постоянные ...................................... 394