CH 3 Biophysique de l'état gazeux - medramo

BIOPHYSIQUE DE1 L’ETATGAZEUXCours de Biophysique1 ère année MédecineM me le Professeur N. BEN RAIS AOUAD

Mme Pr N Ben Raïs AouadDirecteur de la Formation et la recherche enbiophysique et médecine nucléaireFaculté de médecine et de pharmacie RabatChef de service de médecine nucléaireHôpital Ibn SINA RabatEquipe de médecine nucléaire Ibn SinaPr N Ben Rais,Pr As I Ghfir, Pr As H GuerroujN BEN RAIS AOUAD 2

BIOPHYSIQUE DE L’ETATGAZEUXPlanI. DéfinitionII. Grandeurs fondamentalesIII. Etat gazeux parfaitIV. Mélanges gazeuxV. Dissolution des gazN BEN RAIS AOUAD 3

I- Définition:L'état gazeux est l'état le plus dispersé dela matière. Il présente certaines propriétés :- Il n'y a quasiment aucune interaction entreles molécules.- Les particules gazeuses se déplacent de manièredésordonnée.- Un gaz n'a pas de forme propre.- Un gaz est compressible.N BEN RAIS AOUAD 4

II. Grandeurs fondamentales:L’état d’un gaz dépend de 4 variables: la pression « P »,le volume « V », la température « T » et la quantité expriméeen nombre de moles « n ».A- Pression « P »:P = FSF: force (en Newton) exercée sur la surface:S (m 2 )N.B: la tension T =N BEN RAIS AOUAD 5FL

Unités :• Le Pascal ou N/m 2 : PaDim: MLT -2 .L -2 = ML -1 T -2• Le cm de mercure (cmHg): c’est lapression nécessaire pour induire unedénivellation h=1 cm dans un manomètre àmercure(1cmHg = 98,1 Pa).• L’atmosphère : AtmCorrespond à la valeur de la pressionatmosphérique au niveau de la mer :1 Atm = 760 mmHg ≈ 100 kPa ≈ 10 md’eau ≈ 1 kg/cm 2 ≈ 1 BarN BEN RAIS AOUAD 6

Loi fondamentale de la statique desfluides: (Loi de Pascal)Dans un fluide (liquide ou gaz) au repos, existe unepression due au poids du fluide et appelée en généralpression hydrostatique, cette pression obéit aux 3 loissuivantes:- En un point du fluide cette pression a la mêmevaleur dans toutes les directions.- En tout point d’un même plan horizontal cettepression a la même valeur.N BEN RAIS AOUAD 7

- La différence de pression ∆P existant entre deuxniveaux d’une différence de hauteur ∆h dans unfluide de masse volumique ρ soumis à l’intensitédu champ terrestre g est donnée par la relationgénérale:∆P = - ρ.g.∆hN BEN RAIS AOUAD 8

B- Volume «V» :• Il est exprimé en m 3 . Dim:L 3• Pour un nombre de moles n et une température θconstants , le volume V diminue lorsque la pressionP augmente ( loi de Boyle-Mariotte) : PV=CteC - Température:• Elle est exprimée en degré Kelvin (K) ou degréCelsius (°C) [0 °C = +273 °K] .• Pour n = Cte et P = Cte , le V varie linéairementavec la température ( Loi de Gay Lussac).N BEN RAIS AOUAD 9

D - La quantité en moles «n»:• Exprimée en mole.• Sous une P = 1 atm et θ = 0 °C :1 mole de gaz parfait occupe unvolume de 22,4 L= 22,4. 10 -3 m 3N BEN RAIS AOUAD 10

III. Etat gazeux parfait:A- Définition:Un gaz est considéré parfait lorsque sesmolécules sont très éloignées les unes desautres ,c’est-à-dire lorsqu’elles se trouventdans un très grand volume donc àpression faible ou à température élevée .N BEN RAIS AOUAD 11

III. Etat gazeux parfait:B- Équation d'état des gaz parfaits:PV = n.R.TP: pression (Pa)V: volume en m³n: nombre de moles de gazT: température en KelvinR: constante des gaz parfaits = 8.314 J.mol-¹.K-¹N BEN RAIS AOUAD 12

PV = n.R.TDim de R:R=P V/n.T=ML -1 T -2 .L 3 (n -1 .θ -1 )Dim R=ML 2 T -2 (n -1 .θ -1 )N BEN RAIS AOUAD 13

C- Conditions d’expression des volumesgazeux:En médecine, on exprime les volumes gazeux sous troisconditions principales:1. STPD: S: standard de température:T (= 0 °C), P:pression(1atm), D: Dry (sec:non mélangé à la vapeur d’eau)2. BTPS: B :Body ,T:Temperature (Température du corps),P: pression de l’atmosphère où le gaz se trouve,S: saturé en vapeur d’eau.3. ATPS: A: ambiant (pression et température),S: saturé en vapeur d’eau (mesure in vitro).N BEN RAIS AOUAD 14

IV. Mélanges gazeux:A. Fraction molaire/ Composition en volume :1. Fraction molaire « x i »:Si considère un Gaz i dans un mélange gazeux, la fractionmolaire x i est définie par le rapport :n i : nombre de moles du gaz iX i = n inn: nombre de moles du mélange gazeuxX i est alors une grandeur sans dimension.Sachant que:n = Σ n iΣ x i = 1N BEN RAIS AOUAD 15

Si on applique la loi des gaz parfaits: Au gaz i : PVi = ni RT Vi =Au mélange : PV = nRTViV= nin= x iV = n RTni RTN.B : La composition en volume, très utilisée dans l’industrie et les mesuresdes gaz, correspond en fait à la fraction molaire x i .PPViVN BEN RAIS AOUAD 17

B- Notion de pression partielle « Pi » :Si on place dans le volume V ( d’un mélange gazeux),ni moles d’un gaz i, à la température T, elles se trouvent àune pression Pi:Pi = n iRTVPour le mélange gazeux :P =nRTVN BEN RAIS AOUAD 18

D’où:PiP=ninPini= X PnViP = x P = Comp en vol x PVPi = Comp en vol x P = xi x PPi: pression qu’aurait le gaz i s’il occupait seul le volume,elle est appelée pression partielle du gaz i dansle mélange.N BEN RAIS AOUAD 19

V. Dissolution des gaz:Lorsqu’un gaz est au contact d’un liquide, desmolécules de gaz se dissolvent partiellementdans le liquide; la concentration Ci (mol/L) dugaz i dissous est, lorsque l’équilibre est réalisé,proportionnelle à la pression partielle Pi du gaz ià l’état gazeux:Ci = ai x Piai : coefficient de solubilité du gaz iN BEN RAIS AOUAD 20

A. Loi de Henry:En pratique physiologique, on a l’habituded’exprimer la concentration du gaz dissous i par V in’est autre que le rapport du volume V i du gaz i(STPD) par unité de volume de la solution V.quiDonc:Vi =V iV= s i .Pi (Loi de Henry)si: est le coefficient de solubilité du gaz i dans le liquide.N BEN RAIS AOUAD 21

si: est le coefficient de solubilité du gaz idans le liquide. exprimé en atm-1 (L/L.atm) ou en Pa-1Dim si =Dim ViPi= 1 / ML -1 T- 2 = M- 1 LT 2N BEN RAIS AOUAD 22

Puisque une mole de n’importe quel gaz supposé parfaitoccupe en STPD un volume de 22,4 L.Vi =ViV= ni.22,4= 22,4 CiVOr on sait que :Donc:Viai : coefficient de solubilité du gaz iV= s i.Pi22,4 .Ci = s i .Pisi = 22,4. aiN BEN RAIS AOUAD 23

B. Surdissolution des gaz:• La dissolution des gaz est unphénomène relativement lent quis’effectue toujours de façonprogressive jusqu’à ce que la pressionpartielle Pi du gaz dissous soit égale à lapression partielle du même gaz dansl’atmosphère gazeuse.N BEN RAIS AOUAD 24

• Quand la pression partielle Pi du gaz augmente, un excès de ce dernierest dissous et on parle alors de surdissolution.• Quand la Pi diminue lentement, le gaz passe progressivement à l’étatGazeux sans formation de bulles.• Quand la Pi diminue rapidement, le gaz surdissous passe à l’étatgazeux en formant de nombreuses bulles (bouteille d’eau minérale gazeuseouverte brutalement).Ces phénomènes sont à la base des accidents de plongée sous-marine.N BEN RAIS AOUAD 25

Lors de la plongée, la pression augmente (1 atm tousles 10 mètres) et par suite les pressions partiellesdes gaz respirés, ainsi les quantités de gaz dissous dansle plasma augmentent donc elles aussi et cecisans problème physique.A la remontée, la pression diminue et par suite les Pi desgaz également et on observe des phénomènes dépendantde la vitesse de la remontée:N BEN RAIS AOUAD 26

• Si la remontée se fait lentement, lespressions diminuent aussi lentement et lesgaz dissous en excès passent à l’état gazeuxprogressivement au niveau despoumons sans formation de bulles dans lesang.N BEN RAIS AOUAD 27

• Par contre si la remontée est trop rapide,les gaz dissous en excès forment des bullesdans le sang. Ces bulles produisent des effetsnocifs dans l’organisme à l’origine de l’emboliegazeuse (scintigraphie pulmonaire).• Pour éviter ces accidents, les plongeursdoivent remonter à la surface par paliers dedécompression et non d’un seul coup.N BEN RAIS AOUAD 28