Какой процент углекислого газа содержится в выдыхаемом человеком воздухе

В данной работе рассмотрено влияние концентрации углекислого газа на организм человека. Данная тема актуальна в связи с частым нарушением уровня комфортной концентрации СО2 в закрытых помещениях, а также в связи с отсутствием в России нормативов на содержание углекислоты.

In this paper, the effect of the concentration of carbon dioxide on the human body is considered. The actual topic is topical in connection with the frequent violation of the level of comfort of CO2 concentration in enclosed premises, as well as in concentration with the absence in Russia of standards for the content of carbon dioxide.

Дыхание — физиологический процесс, гарантирующий течение метаболизма. Для комфортного существования человек должен дышать воздухом, состоящим из 21,5% кислорода и 0,03 – 0,04% углекислого газа. Остальное заполняет двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха, один из самых распространённых элементов на Земле – азот.

Существует ошибочное мнение, что это проявления нехватки кислорода. На самом деле, это признаки повышенного уровня углекислого газа в окружающем пространстве.

В то же время углекислый газ, необходим организму. Парциальное давление углекислого газа влияет на кору головного мозга, дыхательный и сосудодвигательный центры, углекислый газ также отвечает за тонус сосудов, бронхов, обмен веществ, секрецию гормонов, электролитный состав крови и тканей. А значит, опосредованно влияет на активность ферментов и скорость почти всех биохимических реакций организма.

Уменьшение содержания кислорода до 15% или увеличение до 80% не существенно влияет на организм. В то время как на изменение концентрации углекислого газа на 0,1% оказывает существенное негативное воздействие. Отсюда можно сделать вывод о том, что углекислый примерно в 60-80 раз важнее кислорода.

Современный человек очень много времени проводит в помещении. В условиях сурового климата люди пребывают на улице всего 10 % своего времени.

В помещении концентрация углекислоты растет быстрее, чем понижается концентрация кислорода. Данную закономерность можно проследить по графикам, полученным опытным путем в одном из школьных классов

Уровень углекислого газа в классе во время урока (а) постоянно растет. (Первые 10 минут – настройка приборов, поэтому показания скачут.) За 15 минут перемены при открытом окне концентрация СО2 падает и затем снова растет. Уровень кислорода (б) практически не меняется.

При концентрации углекислого газа внутри помещения выше 800 — 1000 ppm, люди, работающие там, испытывают синдром больного здания (СБЗ), а здания носят наименование «больные». Уровень примесей, которые могли бы вызвать раздражение слизистых оболочек, сухой кашель и головную боль растет значительно медленнее, чем уровень углекислого газа. А когда в офисном помещении его концентрация опускалась ниже 800 ppm (0,08%), то и симптомы СБЗ становились слабее. Проблема СБЗ стала актуальна после появления герметичных стеклопакетов и низкой эффективности принудительной вентиляции из-за экономии электроэнергии. Бесспорно, причинами СБЗ могут выступать выделения строительных и отделочных материалов, споры плесени и т д. при ненадлежащей вентиляции концентрация этих веществ будет расти, но не так быстро, как концентрация углекислоты.

Рассмотрим, как были получены данные цифры:

Главный критерий – это объем углекислого газа, выделяемый человеком. Он, как было рассмотрено ранее, зависит от вида деятельности человека, а также от возраста, пола и т. д. Большинство источников рассматривают 1000 ppm как предельно-допустимую концентрацию углекислоты в помещении для длительного пребывания.

Для расчётов будем использовать обозначения:

• V – объем (воздуха, углекислого газа, и т.д.), м3;
• Vk – объем комнаты, м3;
• VСО2 – объем СО2 в помещении, м3;
• v – скорость газообмена, м3/ч;
• vв – “скорость вентиляции”, объем воздуха, подаваемого в помещение (и удаляемого из него) за единицу времени, м3/ч;
• vd – “скорость дыхания”, объем кислорода, замещаемого углекислым газом в единицу времени. Коэффициент дыхания (неравность объема потребляемого кислорода и выдыхаемого углекислого газа) не учитываем, м3/ч;
• vСО2 – скорость изменения объема СО2 , м3/ч;
• k – концентрация, ppm;
• k(t) – концентрация СО2 от времени, ppm;
• kв – концентрация СО2 в подаваемом воздухе, ppm;
• kmax – максимально допустимая концентрация СО2 в помещении, ppm;
• t – время, ч.

Найдем изменение объема СО2 в помещении. Оно зависит от поступления СО2 с приточным воздухом из системы вентиляции, поступления СО2 от дыхания и удаления загрязненного воздуха из помещения. Будем считать, что СО2 равномерно распределяется по помещению. Это значительное упрощение модели, но дает возможность быстро оценить порядок величин.

dVСО2(t) = dVв * kв + vd * dt – dVв * k(t)

Отсюда скорость изменения объема СО2:

vСО2(t) = vв * kв + vd – vв * k(t)

Если человек вошел в помещение, то концентрация СО2 будет расти до тех пор, пока не придет к равновесному состоянию, т.е. удаляться из комнаты будет ровно столько, сколько поступила с дыханием. То есть скорость изменения концентрации будет равна нулю:

Установившаяся концентрация будет равна:

k = kв + vd / vв

Отсюда легко выяснить необходимую скорость вентиляции при допустимой концентрации:

vв = vd / (kmax – kв)

Для одного человека с vd = 20л/час (=0.02 м3/ч), kmax = 1000ppm (=0.001) и чистым воздухом за окном с vв = 400ppm (=0.0004) получим:

vв = 0.02 / (0.001 – 0.0004) = 33 м3/ч.

Мы получили цифру, данную в СП. Это минимальный объем вентиляции на человека. Она не зависит от площади и объема комнаты, только от “скорости дыхания” и объема вентиляции. Таким образом, в состоянии спокойного бодрствования концентрация СО2 вырастет до 1000 ppm, а при физической активности будет превышение норм.

Для других значений kmax объем вентиляции должен быть:

Требуемый воздухообмен для поддержания заданной концентрации СО2

Из этой таблицы можно найти требуемый объем вентиляции при заданном качестве воздуха.

Таким образом, воздухообмен 30 м3/ч, принятый нормативным в России не позволяет чувствовать себя комфортно в помещении. Европейский стандарт воздухообмена 72 м3/ч позволяет одерживать концентрацию углекислого газа, не влияющую на самочувствие человека.

Состав вдыхаемого, выдыхаемого и альвеолярного воздуха

Альвеолярный
и выдыхаемый воздух по своему составу
значительно отличаются друг от дру­га.
Отличие их состава связано с тем, что
при выдохе к альвеолярному воздуху
примешивается воздух,
который находится в воздухоносных
путях, в так называемом вредном
пространстве. Сле­довательно,
выдыхаемый воздух представляет собой
смесь альвеолярного воздуха и воздуха
вред­ного
пространства. Если считать, что человек
в среднем выдыхает (при одном выдохе)
500 мл, то этот
воздух будет состоять из 360 мл альвеолярного
воздуха и 140 мл воздуха, находившегося
во вредном
пространстве.

Переход газов в
легких из воздуха в кровь и, наоборот,
поступление газов из крови в воздух
“одчиняется определенным физическим
законам, связанным с парциальным
давлением и коэф­фициентами растворимости
газов в жидкостях.

Каждый
газ растворяется в жидкости в зависимости
от своего парциального давления. Что
же называется парциальным давлением
газа? Если имеется смесь газов, то
парциальное давле­ние
каждого газа определяется процентным
содержанием данного газа в смеси газов.
Таким обра­зом,

парциальным
давлением называется та часть общего
давления, которая приходится на долю
каждого
газа в газовой смеси. Поясним это
примером. В состав атмосферного воздуха
входят кислород,
углекислый газ и азот, причем, как нам
известно, кислорода содержится 20,94%,
угле­кислого
газа 0,03% и азота 79,03%. Каково же будет
парциальное давление каждого из этих
газов? Атмосферное
давление равно 760 мм рт. ст. Следовательно,
если воздух оказывает давление, рав­ное
760 мм, то парциальное давление кислорода
будет равняться 20,94% от общего давления,
т. е. от
760 мм, и будет равно 159 мм рт. ст; парциальное
давление азота составит 79,03% атмосферного
давления
и будет равно 600,8 мм рт. ст. Углекислого
газа содержится очень мало — всего
0,03%. Поэтому
и парциальное давление углекислого
газа будет составлять приблизительно
0,2 мм рт. ст. Если
парциальное давление газа в окружающей
среде выше, чем давление (напряжение)
этого же газа
в жидкости, то газ растворяется в
жидкости, и между жидкостью и окружающим
ее газом устанавливается
определенное равновесие. Напряжение
газа измеряют парциальным давлением
газа над жидкостью, с которой он находится
в равновесии. Если, например, парциальное
давле­ние
кислорода в альвеолярном воздухе будет
выше, чем в притекающей венозной крови,
то кисло­род
из альвеолярного воздуха будет переходить
в кровь. Но в силу той же разницы газ из
жидко­сти
будет выходить в окружающий воздух,
когда напряжение газа в жидкости выше,
чем его пар­циальное
давление в окружающей среде. Если
напряжение углекислого газа в венозной
крови будет
выше, чем его парциальное давление в
альвеолярном воздухе, то этот газ будет
выходить из венозной
крови в альвеолярный воздух. Переход
газа из жидкости в окружающую смесь
газов будет
продолжаться до тех пор, пока не
установится равновесие. Таким образом,
газ растворяется

в
жидкости или выходит из жидкости в
окружающую среду в зависимости от
величины парциаль­ного
давления этого же газа в воздухе и его
напряжения в жидкости, причем газ
переходит из среды,
где имеется высокое давление, в среду
с меньшим давлением. Этот переход
продолжается до
тех пор, пока не установится равновесие.

Кроме
парциального давления, при растворении
газов в жидкостях большое значение
имеют температура
жидкости и коэффициент растворимости
газа в жидкости. Между температурой
жидкости
и количеством растворенного в ней газа
существует определенная зависимость:
чем выше
температура жидкости, тем меньше газа
в ней растворяется. Общеизвестно, что
при кипяче­нии
воды из нее выделяются пузырьки
растворенного в ней воздуха. Коэффициентом
раствори­мости называется то количество
газа, которое может быть растворено в
1 мл воды при давлении 760 мм рт. ст. при
данной температуре. Коэффициент
растворимости меняется в зависимости
от температуры
раствора. Разные газы имеют разный
коэффициент растворимости, так же как
и в разных растворителях может раствориться
разное количество одного и того же газа.

Переход
газов в легких из воздуха в кровь и,
наоборот, поступление газов из крови в
воздух подчиняются
рассмотренным выше физическим законам.
Однако в легких имеется ряд особенно­стей.
Воздух, находящийся в альвеолах, и кровь,
протекающая по капиллярам, отделены
друг от друга
всего лишь двумя слоями клеток: стенкой
альвеолы и стенкой капилляра. Незначительная
толщина
перепонки, отделяющей газ от крови, не
мешает свободному переходу газа. Полный
газообмен
между альвеолярным воздухом и кровью
возможен в короткий срок протекания
крови по
легочным капиллярам в том случае, если
имеются условия для лучшего и быстрого
перехода газов.
Одним из таких условий является большая
площадь легких. Действительно, если
растя­нуть
легкие, то их поверхность равняется в
среднем 90 м2.
Вся огромная площадь легкого густо
покрыта
капиллярами, по которым кровь растекается
очень небольшим слоем. Огромная пло­щадь
соприкосновения крови и воздуха при
незначительной толщине слоя протекающей
в капил­лярах
крови способствует быстрому насыщению
крови кислородом и отдаче углекислоты.
Газо­обмен
совершается в легких между альвеолярным
воздухом и кровью. Обмен газов в легких
может протекать
совершенно нормально, так как имеется
вполне достаточная разность в напряжении
газов
в крови и их парциальном давлении в
воздухе. Эта разность видна из табл.
5.2.

Парциальное
давление кислорода, углекислого газа
и азота во вдыхаемом и
альвеолярном воздухе, а также их
напряжение в крови

Кислород
из альвеолярного воздуха в кровь, а
углекислый газ из крови в альвеолярный
воз­дух
переходят путем диффузии. Диффузия
возможна потому, что парциальное давление
кислоро­да
в альвеолярном воздухе составляет 110
мм рт. ст., а в венозной крови — 40 мм рт.
ст. Таким образом, создается
разность давления в 70 мм рт. ст., чего
вполне достаточно, чтобы обеспечить
переход кислорода. Потребность человека
в кислороде равна 350 мл в минуту; при
работе потребность в кислороде
возрастает и доходит до 5000 мл в минуту.
Разности в парциальном давлении в 1 мм
рт. ст.
достаточно, чтобы за минуту перешло в
кровь 250 мл кислорода, а между парциальным
давле­нием
крови в альвеолярном воздухе и его
напряжением в крови имеется разность
в 70
мм рт. ст. — разность, вполне достаточная
для обеспечения максимальных потребностей
орга­низма.
Что же касается углекислого газа, то и
здесь имеется достаточная разность
между напря­жением СО2
в крови и его парциальным давлением в
альвеолярном воздухе. Эта разность
равна 6—7
мм рт. ст., что обеспечивает переход
углекислого газа из крови в альвеолярный
воздух.

Связывание,
перенос и отдача кислорода, а также
связывание и перенос углекислоты в
орга­низме
человека осуществляются кровью. Кислород
и углекислый газ находятся в крови в
физи­чески
растворенном состоянии (растворение
газов в жидкости называется абсорбцией)
и в хими­чески
связанном виде. Из 100 мл крови можно
выделить только 20 мл кислорода; между
тем в физически
растворенном состоянии в 100 мл крови
может находиться только 0,3 мл кислорода.
Так как количество кислорода, содержащегося
в 100 мл крови, во много раз больше, чем
может находиться
в растворенном состоянии, то ясно, что
кислород в основном находится в химически
связанном
виде. Веществом, вступающим в химическую
связь с кислородом, является гемоглобин,
содержащийся
в эритроцитах (см. главу 6). Кислород из
воздуха диффундирует в плазму крови, а
из
плазмы поступает в эритроциты и вступает
в химическую связь с гемоглобином.
Гемоглобин при
этом превращается в оксигемоглобин; 1
г гемоглобина может связать 1,34 мл
кислорода. Пре­вращение
гемоглобина в оксигемоглобин, т. е
степень насыщения гемоглобина кислородом,
связа­но
с величиной парциального давления
кислорода, но зависимость эта не прямо
пропорциональ­ная.
Гемоглобин обладает особым свойством,
имеющим очень важное биологическое
значение: он может
энергично вступать в соединение с
кислородом даже при его незначительном
парциальном давлении.

Артериальная
кровь, насыщенная в легких кислородом,
идет в капиллярную сеть большого круга
кровообращения, где оксигемоглобин
отдает тканям кислород. Оксигемоглобин,
отдавший кислород,
называется восстановленным гемоглобином
(дезоксигемоглобином). В артериальной
крови
почти весь гемоглобин превращен в
оксигемоглобин, а в венозной крови,
оттекающей от капилляров
большого круга кровообращения (см. главу
6), преобладает дезоксигемоглобин. В
переходе кислорода из крови к тканям
решающее значение имеет разность
напряжений кисло­рода
в артериальной крови и в тканях. Кислород
из крови поступает в тканевую жидкость
и из нее в клетки, где принимает участие
в окислительных процессах. Это возможно
потому, что напряже­ние кислорода,
растворенного в артериальной крови,
протекающей через капилляры, равно 100—
НО
мм рт. ст., в тканевой жидкости — 20—40 мм
рт. ст., а в клетках свободного кислорода
нет. Разность
напряжения растворенного кислорода,
равная 70—80 мм рт. ст., обеспечивает
энергич­ный
переход кислорода из плазмы крови в
тканевую жидкость. Оксигемоглобин,
который являет­ся нестойким соединением,
отдает кислород в плазму; в силу разности
напряжения растворенный кислород
переходит в тканевую жидкость и оттуда
в клетку, где вступает в окислительные
про­цессы.
Помимо разности в напряжении растворенного
кислорода, на степень отдачи кислорода
оксигемоглобином
сильно влияет величина напряжения
углекислого газа, растворенного в
кро­ви.
Специальными исследованиями доказано,
что чем выше напряжение углекислого
газа, ра­створенного в крови, тем
слабее становится связь гемоглобина с
кислородом, т. е. тем больше кислорода
освобождается. В капиллярах большого
круга кровообращения наряду с переходом

кислорода
из крови в тканевую жидкость происходит
и переход углекислого газа из тканевой
жидкости
в кровь. Количество углекислого газа
растет и его напряжение в крови возрастает,
а это обстоятельство
вызывает ослабление связи гемоглобина
с кислородом и способствует большему
освобождению
кислорода. В легких же происходит отдача
углекислого газа; его напряжение в крови
падает и благодаря этому сродство
гемоглобина с кислородом повышается,
т. е. гемоглобин начинает
более энергично соединяться с кислородом
и превращаться в оксигемоглобин. На
проч­ность
связи гемоглобина с кислородом влияет
также температура. При повышенной
температуре связь ослабевает, при
пониженной — увеличивается.

Связывание
и перенос углекислоты также осуществляет
кровь. Углекислота находится в кро­ви
преимущественно в виде бикарбонатов
натрия и калия. Кроме этих солей, в
переносе углекис­лого
газа участвует и гемоглобин. Для
поступления углекислого газа в кровь
и перехода из крови в альвеолярный
воздух требуется наличие разности его
давления. В тканевой жидкости напряже­ние
углекислого газа составляет около 60 мм
рт. ст., а в артериальной крови 40 мм рт.
ст. Следова­тельно,
имеется достаточная разность, и углекислый
газ диффундирует в кровь. В венозной
крови его
напряжение составляет 47 мм рт. ст., а его
парциальное давление в альвеолярном
воздухе — 40
мм рт. ст. Такая разность давлений вполне
достаточна для перехода углекислого
газа в альве­олярный воздух, а оттуда
— в атмосферный воздух.

Итак,
мы кратко рассмотрели основы
функционирования дыхательной системы
человека, одной
из физиологических систем, изменения
динамики которых в ходе полиграфной
проверки регистрирует
и анализирует специалист-полиграфолог.

Мы
констатировали, что в регуляции
респираторной активности организма
человека при­нимают
участие нервная и сердечно-сосудистая
системы. Поэтому в следующей главе мы
изло­жим основы анатомии и физиологии
сердечно-сосудистой системы, еще одной
системы, актив­ность
которой регистрирует и анализирует
полиграфолог в ходе инструментальной
«детекции лжи».

санитарного
показателя загрязненности воздушной

На загрязненность
воздуха может указывать изменение
различных пара­метров. Так, при
пребывании в помещении людей через
некоторое время можно выявить следующие
изменения:

Увеличение
концентрации углекислого газа Увеличение
микробной обсемененности Увеличение
концентрации антропотоксинов Увеличение
концентрации тяжелых ионов Увеличение
влажности воздуха Увеличение содержания
пыли Уменьшение числа легких ионов
Снижение концентрации кислорода

Однако,
основным косвенным показателем
загрязненности воздух жилых помещений
служит углекислый
газ (точнее
его концентрация в воздухе).

При нахождении в
помещении людей концентрация углекислого
газа по­степенно увеличивается, так
как выдыхаемый воздух содержит повышенное
его количество.

ПДК
углекислого газа в
воздухе жилых помещений равна:

•
0.07 % (0.7 %») – для
“чистых” помещений (больничных)
–
операцион­ных, палат, перевязочных и
тд.

•
0.1 % (1 %«) – для обычных
жилых
помещений.

Нормирование
содержания углекислого газа в воздухе
связано с тем, что при увеличении его
концентрации он оказывает неблагоприятное
действие на человека. Так, при возрастании
концентрации углекислого газа во
вдыхаемом воздухе до 2 % и более он
оказывает токсическое действие, при
концентра­ции – 3-4 % – сильное токсическое
действие, а концентрация 7-8 % является
летальной.

По
углекислому газу рассчитывают необходимую’
величину вентиляции (см. следующий
вопрос).

Гигиенические требования к вентиляции раз­личных помещений. Воздушный куб. Нормы воз­духообмена.

Сколько воздуха
нужно человеку для нормального
существования?

Вентиляция помещений
обеспечивает своевременное удаление
избытка углекислого газа, тепла, влаги,
пыли, вредных веществ, в общем, результатов
различных бытовых процессов и пребывания
в помещении людей.

1)
Естественная.
Заключается
в естественном воздухообмене между
по­мещением и внешней средой за счет
разницы температур внутреннего и
на­ружного воздуха, ветра и тд.

Естественная
вентиляция может быть:

1.
Неорганизованная
(путем
фильтрации воздуха через щели)

2.
Организованная
(через
открытые форточки, окна и тд) –
проветри­вание.

1.
Приточная
–
искусственная подача наружного воздуха
в поме­щение.

2.
Вытяжная
–
искусственная
вытяжка воздуха из помещения.

3.
Приточно-вытяжная
–
искусственный приток и вытяжка.
По­ступление воздуха происходит через
приточную камеру, где он обогревается,
фильтруется и удаляется через вентиляцию.

Общий
принцип вентиляции заключается
в том, что

• В
грязных помещениях должна преобладать
вытяжка (чтобы
исключить самопроизвольное поступление
грязного воздуха в со­седние помещения)

• В
чистых помещениях должен преобладать
приток
(чтобы
в них не поступал воздух из грязных
помещений).

Как определить,
сколько чистого воздуха должно поступать
в помещение в час на одного человека,
чтобы вентиляция была достаточной?

Количество
воздуха, которое необходимо подать в
помещение на одного человека в час
называется объемом
вентиляции.

Он может быть
определен по влажности, температуре,
но точнее всего определяется по
углекислому газу.

В воздухе содержится
0.4 °А= углекислого газа. Как уже упоминалось,
для помещений, требующих высокого уровня
чистоты (палаты, операционные), допускается
содержание углекислого газа в воздухе
не более 0.7 А° в обыч­ных помещениях
допускается концентрация до 1 °А».

При пребывании в
помещении людей количество углекислого
газа уве­личивается. Один человек
выделяет приблизительно 22.6 л углекислого
газа в час. Сколько же нужно подать
воздуха на одного человека в час, чтобы
эти 22.6 литра разбавить так, чтоб
концентрация углекислого газа в воздухе
по­мещения не превысила бы 0.7 А- или 1
А»?

Каждый литр
подаваемого в помещение воздуха содержит
0.4 А» углеки­слого газа, то есть каждый
литр этого воздуха содержит 0.4 мл
углекислого газа и таким образом может
еще “принять” 0.3 мл (0.7 – 0.4) для чистых
по­мещений (до 0.7 мл в литре или 0.7 А°
) и 0.6 мл (1 – 0.4) для обычных по­мещений
(до 1 мл в литре или 1 °А. ).

Так как каждый час
1 человек выделяет 22.6 л (22600 мл) углекислого
газа, а каждый литр подаваемого воздуха
может “принять” указанное выше
число мл углекислого газа, то количество
литров воздуха, которое необходи­мо
подать в помещение на 1 человека в час
составляет

1)
Для
чистых помещений (палаты,
операционные) – 22600 / 0.3 = 75000 л = 75 м3
. То есть, 75 м3
воздуха на каждого человека в час долж­но
поступить в помещение для того чтобы
концентрация углекислого газа в нем не
превысила 0.7 А=.

2)
Для
обычных помещений –
22600
/ 0.6 = 37000 л = 37 м3.
То есть, 37 м воздуха на каждого человека
в час должно поступить в поме­щение,
для того чтобы концентрация углекислого
газа в нем не превысила

Если в помещении
находится не один человек, то указанные
цифры ум- ‘ ножаются на количество
человек.

Выше было подробно
объяснено, как находится величина
вентиляцион­ного объема прямо на
конкретных цифрах, вообще же нетрудно
догадаться, что общая формула выглядит
следующим образом:

L
= (К * N)
/ (Р – Р,) = (22.6 л * N)
/ (Р – 0.4%.) где

L
– объем вентиляции (м )

К – количество
углекислого газа, выдыхаемого человеком
за час (л)

N – число людей в
помещении

Р – максимально
допустимое содержание углекислоты в
помещении (А»)

Pi
– содержание углекислого газа в атмосферном
воздухе (А»)

По
данной формуле мы рассчитываем необходимый
объем подаваемого воздуха (необходимый
объем вентиляции). Для того, чтобы
рассчитать реаль­ный объем воздуха,
который подается в помещение за час
(реальный
объем вентиляции) нужно
в формулу вместо Р (ПДК углекислого газа
– 1 А°, 0.7 /..) подставить реальную концентрацию
углекислого газа в данном помеще­нии
в промилях:

L
реальный – реальный объем вентиляции

Для определения’
концентрации углекислого газа используют
метод Суб-ботина-Нагорского (основан
на снижении титра едкого Ва, наиболее
точен), метод Реберга (также использование
едкого Ва, экспресс-метод), метод
Про­хорова, фотоколориметрический
метод и др.

Другой
количественной характеристикой
вентиляции, непосредственно связанной
с объемом вентиляции, является кратность
вентиляции. Крат­ность
вентиляции показывает сколько раз в
час воздух в помещении полно­стью
обменивается.

Кратность
вентиляции =
Объем
попядаемого (изилекяр.мого) в
час возпуха

Соответственно,
чтобы рассчитать для данного помещения
необходимую
кратность вентиляции нужно
в эту формулу в числителе подставить
необ­ходимый
объем вентиляции. А
для того, чтобы узнать, какова реальная
кратность вентиляции в
помещении в формулу подставляют реальный
объем вентиляции (расчет
см. выше).

Кратность
вентиляции может рассчитываться по
притоку (кратность по притоку), тогда в
формулу подставляется объем подаваемого
в час воздуха и значение указывается
со знаком (+), а может рассчитываться по
вытяжке (кратность по вытяжке), тогда в
формулу подставляется объем извлекаемого
в час воздуха и значение указывается
со знаком (-).

Например, если в
операционной кратность вентиляции
обозначается как + 10, -8, то это означает,
что каждый час в это помещение поступает
десяти­кратный, а извлекается
восьмикратный объем воздуха по отношению
к объ­ему помещения.

Существует такое
понятие как воздушный куб.

Воздушный
куб –
это необходимый на одного человека
объем воздуха.

Норма
воздушного куба составляет
25-27 м” . Но как было рассчитано выше
на одного человека в час требуется
подавать объем воздуха 37 м3
, то есть при данной норме воздушного
куба (данном объеме помещения.) необхо­димая
кратность воздухообмена составляет
1.5 (37 м / 25 м = 1.5).

Курсивом написаны примечания, которые можно пропустить.

Относительная плотность газа по воздуху показывает, во сколько раз газ Х плотнее (тяжелее) воздуха:

Dвозд.(X) =  M(X) / M(возд.),

где M(X) – молекулярная масса газа Х,М(возд.) – молекулярная масса воздуха.

Вы, конечно, знаете, что воздух – это не чистое вещество, а смесь газов. Молекулы воздуха не существует. В качестве молекулярной массы воздуха используется условная средняя молекулярная масса, принимаемая равной 29 г/моль.

Примечание. Условную среднюю молекулярную массу воздуха можно вычислить, исходя из состава воздуха: азот – 78%, кислород – 21%, остальные газы (в основном, аргон) – 1%. Мсредняя(воздух) = 78%*M(N₂) + 21%*M(O₂) + 1%*M(Ar) = = 0.78*28 + 0.21*32 + 0.01*40 = 28.96 ≈ 29.

Dвозд.(O₂) = M(O₂) /M(возд.) = (2*16) / 29 =  32/29 = 1,1  – кислород тяжелее (плотнее) воздуха в 1,1 раза.

Dвозд.(CO₂) = M(CO₂) / M(возд.) = (12+2*16) / 29 = 44 / 29 = 1,5 – углекислый газ тяжелее воздуха в 1,5 раза.

Dвозд.(H₂) = M(H₂) / M(возд.) = (2*1) / 29 = 0,07 < 1 – водород легче воздуха.

Формально надо сказать “водород тяжелее воздуха в 0,07 раза”. Но это звучит неуклюже. Лучше сказать, что воздух тяжелее водорода в 15 раз или водород легче воздуха в 15 раз. Почему в 15 раз? Поскольку мы “обращаем” смысл фразы (меняем “тяжелее” на “легче”), то приходится обращать и число: поскольку 0,07 = 2/29 ≈ 1/15, то 1/0,07 ≈ 15. Отсюда и берется “в 15 раз”

1. Определите, во сколько раз тяжелее (легче) воздуха кислород, углекислый газ, водород, т. е. определите относительную плотность этих газов по воздуху (Dвозд).

2. Зная объемный состав воздуха, найдите количество вещества каждого газа: азота и кислорода — в 100 л воздуха при н.у.

3. Определите число молекул: а) кислорода, б) азота, содержащихся в 22,4 л воздуха при н.у.

4. Вычислите объем воздуха (н.у.), который потребуется для сжигания 20 м3 сероводорода, если при этом образуются вода и оксид серы (IV). Вычислите массу этого воздуха.

5. Приготовьте сообщение о применении кислорода.

Трудно представить нашу жизнь без кислорода. Он служит, прежде всего, для дыхания. Растворенный в воде кислород служит для дыхания обитателей водной среды. Под действием кислорода воздуха и бактерий происходит окисление органических остатков.

В промышленности кислород применяется в металлургии (при выплавке металлов), как окислитель во многих химических производствах, для сварки и резки металлов, в медицинских целях.

Жидкий кислород — окислитель для ракетных топлив, охладитель.

6. Что такое озоновые дыры? Как предупредить их появление?

Озоновые дыры появляются из-за выбросов в атмосферу хладагентов (фреонов), оксидов азота, которые образуются во многих промышленных процессах.

Для предупреждения озоновых дыр необходимо очищать выбросы промышленных предприятий и прекратить использование фреонов.

Озоновые дыры — утоньшение или разрушение озонового слоя атмосферы.

Анатолий Минеев
«Квант» №4, 2020

В данной статье речь пойдет о воздействии на человека кислорода и углекислого газа — по отдельности и вместе. Некоторую настоящую интригу придает взгляд на проблему как извне — со стороны вдыхаемого воздуха, так и изнутри — внутри самого организма. Или, более научно, как со стороны внешнего дыхания — обмена между атмосферой и клетками в легких, так и внутреннего дыхания — процессы в клетках и тканях организма.

Среднее значение давления земной атмосферы на уровне моря примерно равно pатм = 760 мм рт. ст. На долю кислорода приходится 160 мм рт. ст. или приблизительно 21%. Кислород частично усваивается организмом, углекислый газ образуется в результате химических реакций окисления. Состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха приведен в таблице.

Таблица 1. Состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха

Чем интересны эти цифры? Азот и аргон не используются организмом человека (являются инертными). Степень усвоения кислорода невелика, около 0,25. После вдоха организм выдыхает обратно основную часть кислорода. Углекислый газ практически отсутствует во вдыхаемом воздухе и активно образуется при окислительных реакциях в организме. Процент поглощения организмом кислорода (21% − 16% = 5%) оказывается близким к проценту образования углекислого газа (4%).

Инертность азота и аргона при обменных процессах в организме привела к соблазну вообще отказаться от них в условиях длительного пребывания в замкнутом пространстве. По этому пути пошли американские астронавты в первых космических полетах, перейдя на дыхание чистым кислородом. При этом давление в случае использования только O2 было существенно ниже атмосферного и составляло 260–280 мм рт. ст. Однако по мере увеличения длительности космических полетов в такой чисто кислородной атмосфере у астронавтов стали появляться проблемы с дыхательными путями. К тому же, чисто кислородная атмосфера пожароопасна. Российские космонавты с самого начала использовали состав воздуха, близкий к земному, что потребовало более сложной системы регенерации воздуха. В настоящее время при полетах в космосе и в плавании на подводных лодках используется земной состав атмосферы.

Взгляд снаружи

Эти данные соответствуют диапазону жизнедеятельности человека на уровне моря. По мере подъема в горы давление снижается, что наглядно отражают кривые атмосферного давления и парциального давления кислорода (рис. 1).

Оценка времени развития кислородной недостаточности при нахождении в замкнутом объеме. В качестве примера рассмотрим несколько ситуаций с людьми, находящимися в замкнутом объеме: один человек, застрявший в лифте объемом V = 2 м3; два человека в комнате с V = 30 м3; сто человек, застрявшие в остановившемся вагоне метро с V = 250 м3.

В каждом случае найдем, за какое время Δt в замкнутом объеме V в процессе спокойного дыхания людей концентрация кислорода снижается от первоначального уровня 21% до начала кислородной недостаточности, т.е. до 14%. Подчеркнем — спокойного, поскольку при панике это время сильно снижается. Спокойному дыханию соответствует потребление кислорода на уровне 0,25 литра в минуту. Поскольку 1 литр O2 соответствует 5 ккал энергии, то 0,25 л/мин сообщает организму за сутки 0,25 × 5 × 60 × 24 ккал = 1800 ккал энергии. Так как плотность человеческого организма около 1000 кг/м3, тело массой 70 кг занимает объем 0,07 м3, или 70 литров. Добавив одежду, получим оценку объема, вытесняемого из замкнутого помещения, в 100 литров, или 0,1 кубометра на человека.

Во всех указанных случаях (если нет паники) время развития кислородной недостаточности очень велико. Однако, такой вывод находится в противоречии с житейским опытом: в метро и застрявшем лифте бывает душно и даже после сна в комнате с закрытой форточкой наутро ощущается духота. По всей видимости, имеет место другой, более мощный механизм развития неблагоприятных ощущений в процессе дыхания при нахождении в замкнутом объеме, не связанный с потерей кислорода из воздуха. Оказывается, таким механизмом является накопление углекислого газа.

Концентрация углекислого газа в воздухе, пригодная для жизни. Диапазон допустимого содержания CO2 в воздухе составляет

Лифт. Свободный объем, занятый воздухом, равен 1,9 м3. Изменение уровня содержания CO2 в воздухе от 0,04% до 0,1% займет

Это уже ближе к житейским ощущениям и оправдывает присутствие вентиляции на потолке лифтов, необходимость проветривания комнат в домах, в школьных классах после каждого урока, а также наличие системы вентиляции в метро.

Таким образом, именно накопление углекислого газа в замкнутых помещениях в первую очередь действует угнетающе на человека. В чем это проявляется?

Еще одна проблема помещений без вентиляции — возможность расслоения воздуха на фракции. Поскольку углекислый газ в полтора раза тяжелее воздуха, он может опуститься ближе к полу и его концентрация там увеличится. Но процесс этот медленный, и любое движение воздуха перемешивает фракции.

Наконец, использование растений, казалось бы, должно помочь — ведь они выделяют кислород и поглощают углекислый газ. Однако, это происходит только днем, а вечером и ночью (когда свежий воздух особенно нужен) растения выделяют углекислый газ, усугубляя проблему с его накоплением.

Накопление угарного газа в замкнутом помещении. Казалось бы, откуда взяться угарному газу (СО) в замкнутом помещении, если нет рядом дровяной печки или камина с неидеальной вытяжкой? Но в литературе приводятся следующие данные: наряду с углекислым газом человек выдыхает также и угарный газ — в количестве примерно 1,6 мл/ч (при нормальных условиях); предельно допустимая для человека концентрация угарного газа составляет 1 мг/м3.

Этих данных достаточно, чтобы снова провести оценки времени накопления предельной концентрации угарного газа для людей в лифте, комнате, вагоне метро и школьном классе. Для этого перейдем от объема к массе образовывающегося угарного газа, воспользовавшись известным соотношением: один моль любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л. Для СО молярная масса равна 28 г, поэтому 1 мл СО имеет массу 1,25 мг, а значит, 1,6 мл/ч выдыхаемого СО одним человеком соответствует появлению в воздухе 2 мг/ч угарного газа.

В таблице 2 приведены значения времени накопления CO2 и СО до опасной концентрации, а также времени развития кислородной недостаточности в лифте, комнате, вагоне метро и школьном классе. Для детей принята половинная величина выдыхаемого СО и CO2.

Таблица 2. Сопоставление времени снижения концентрации O2, накопления СО и CO2

Видно, что накопление углекислого газа примерно на порядок опаснее накопления угарного газа и еще на порядок опаснее снижения концентрации кислорода.

Мощность систем вентиляции. Как оценить мощность систем вентиляции qвент, необходимую для поддержания нормального состава воздуха? Если отвлечься от переходных процессов установления и выравнивания потоков воздуха, то конечный результат выглядит очень просто:

Много это или мало? Как обеспечить такой приток свежего воздуха? Например, если приоткрыть дверь, то через каждый квадратный сантиметр щели при перепаде давлений по обе стороны двери Δp = 10 Па проходит в час один кубометр воздуха. Это означает, что при указанном Δp через сантиметровую щель в двери высотой два метра проходит 200 м3 воздуха за час. Отметим, что принятый уровень перепада давлений 10 Па довольно мал (это 10−4 от атмосферного) и вполне может быть достигнут. Еще более мощный эффект вентиляции оказывает проветривание при открытии окон и дверей в течение хотя бы нескольких минут.

В качестве примера рассмотрим ситуацию с кислородом и углекислым газом при спасении детей в пещере Таиланда, частично затопленной водой. В 2018 году весь мир следил за спасением футбольной команды из 12 школьников и их тренера, ушедших на экскурсию в пещеру Кхао Луанг и застрявших в ней на 18 дней (23 июня — 10 июля) из-за дождей, затопивших вход в пещеру. Они укрылись в воздушном кармане, полностью перекрытом водой и удаленном от выхода из пещеры на 5 километров. Задача заключалась в высвобождении ослабевших детей и тренера из пещеры. Ситуация осложнялась наличием узкой щели — на рисунке 2 она обозначена как «опасная точка», через которую предстояло выбираться. Особенности проплыва через щель показаны на рисунке 3. Спасателям пришлось непрерывно откачивать воду из пещеры. Поэтому в ней находилось большое количество спасателей, помогавших откачивать воду и готовить детей к выходу.

В этой ситуации оказались важны все отмеченные выше особенности поведения кислорода и углекислого газа в замкнутом объеме. Для борьбы с постепенным уменьшением количества кислорода в пещере была организована доставка кислорода с помощью специального трубопровода. Было решено, что накопление углекислого газа в пещере представляет существенно большую опасность, чем нехватка кислорода. Закачкой кислорода по трубопроводу в верхнюю часть пещеры вытесняли углекислый газ. Учитывалось также расслоение воздуха на фракции — CO2 скапливался в нижней части пещеры. Вот почему дети и тренер скрылись в верхней ее части.

Поиски ребят и подготовительные работы заняли почти две недели. За это время известный изобретатель и организатор исследований Илон Маск (космические корабли, электрокары) успел из запчастей к ракете изготовить миниатюрную подводную лодку на одного человека и доставить ее в Таиланд. Но из-за узкой щели от ее использования отказались.

Ситуация с каждым днем становилась все более сложной. Необходимо было постоянное присутствие людей, занятых на откачке воды из пещеры (иначе пещера полностью заполнилась бы водой) и установке труб для подачи кислорода. Более десятка аквалангистов доставляли в пещеру воду, еду и кислородные баллоны. Там постоянно присутствовали врачи и те, кто готовили спасательную операцию. При дыхании этих взрослых спасателей состав воздуха ухудшался еще стремительнее. Наступил момент, когда из-за накопления углекислого газа дальше ждать было нельзя. Множество кислородных баллонов было расставлено по всему маршруту из пещеры к выходу (каждый баллон рассчитан на работу только в течение часа). Тысяча спасателей снаружи, включая сто дайверов, начали операцию. В первый день 13 дайверов спасли четырех подростков. Во второй день 18 дайверов (и 70 аквалангистов сопровождения) спасли еще четверых. Наконец, в третий день были спасены оставшиеся четверо детей и их тренер, а также 4 человека, остававшиеся в пещере. Молодцы!

Взгляд изнутри

На уровне клеток организма состав воздушной среды совершенно иной. Содержание кислорода в клетках организма около 1–2% (исключение — эритроциты, в которых может содержаться до 96–98% кислорода), углекислого газа в клетках около 6%. Если концентрации CO2 в клетках уменьшается, то появляется все больше проблем с дыханием. На рисунке 4 приведена зависимость характерного времени, в течение которого человек (не рекордсмен) способен задержать дыхание, частоты пульса и степени ухудшения кровоснабжения органов от концентрации углекислого газа. Общий вывод таков: при уменьшении концентрации CO2 время задержки дыхания уменьшается и, если она приближается к 3%, клетки гибнут; быстро растет частота пульса; ухудшается кровоснабжение органов. В результате желательная концентрация CO2 в клетках должна быть 6% и даже немного больше. Примерное содержание кислорода и углекислого газа в различных частях организма человека, приведенное в таблице 3, подтверждает вышеуказанные цифры.

Таблица 3. Содержание кислорода и углекислого газа

В легких происходит обмен кислорода и углекислого газа между альвеолами и кровью. Альвеолы — концевые образования в легких, имеющие вид пузырьков, которые оплетены сетью капилляров (рис. 5). Через стенки альвеол (их диаметр около 0,3 мм, количество альвеол в легких человека около миллиарда, а общая поверхность приблизительно 100 м2) осуществляется газообмен: кислород переходит в кровь и примерно столько же углекислого газа из крови поступает в легкие. Более точно, в среднем за сутки из альвеолярного воздуха в кровь поступает 500 литров кислорода и выделяется 430 литров углекислого газа из крови в альвеолярный воздух.

Более подробно о свойствах альвеол рассказано в книге К. Ю. Богданова «Физик в гостях у биолога» (Библиотечка «Квант», выпуски 49, 133).

Что первично для организма

В нашем случае проблема выбора — что первично (иными словами, что запускает процессы в человеческом организме): кислород или углекислый газ — решается следующим образом. Раньше первичным считался кислород — ведь он основной источник энергии, дающий толчок всем процессам в организме. Но сейчас маятник выбора качнулся в сторону углекислого газа. Постепенно пришли к выводу, что первичным, запускающим, механизмом является накопление в организме углекислого газа.

Накопление CO2 в организме в ходе расщепления в клетках жиров и белков дает сигнал мозгу о том, что углекислый газ нужно выводить из клеток — он «садится» на эритроциты и перемещается к альвеолам легких. На освободившиеся места в «поезде» эритроцитов «усаживается» O2 и разносится по организму. Поэтому современный взгляд на процесс дыхания таков: сначала выдыхается углекислый газ, а потом вдыхается кислород. При этом вместе с углекислым газом выдыхаются и излишки кислорода. Для дыхания необходимы оба газа, попеременно «седлающие» эритроциты. При этом венозная кровь окрашена с помощью углекислого газа в темно-красный цвет, а артериальная кровь с помощью кислорода — в ярко-красный.

Среднее соотношение между количеством углекислого газа и кислорода в организме здорового человека примерно 3:1 (6% CO2 и 2% O2).

Взаимодействие «снаружи» и «изнутри». Итак, углекислый газ необходим для жизнедеятельности человека. Важно и поддержание определенного уровня CO2 в организме. А его недостаток и избыток вредны. Слишком высокое накопление CO2 возможно в плохо проветриваемых помещениях: при большом проценте (более 0,08–0,1%) его уровень в организме также растет (последствия этой ситуации обсуждались выше). Нехватка углекислого газа в крови (менее 4%) тоже опасна (см. рис. 4).

В каких случаях может возникнуть такая нехватка? Типичный пример — учащенное дыхание: слишком много CO2 выдыхается и мало остается в организме. При недостатке углекислого газа кислород прочно «прикреплен» к эритроцитам. И даже когда кислорода в крови много, он оказывается связанным и плохо поступает в ткани организма. Если в такой ситуации дышать еще чаще, то это только усугубит ситуацию.

Приведем еще один пример важности более редкого дыхания. Стайерам во время бега рекомендуют в случае, когда уже не хватает сил, как можно дольше задержать дыхание для того, чтобы открылось «второе дыхание» и он мог бежать дальше.

Оказание первой помощи. Дыхание «рот в рот». При оказании первой доврачебной помощи человеку в случае исчезновения дыхания одним из действенных методов является искусственное дыхание методом «рот в рот» вместе с непрямым массажем сердца.

В этой ситуации имеется некоторая аналогия с поведением спасателя при остановке сердца: он должен повернуть пострадавшего на спину и нанести ему удар ребром руки по грудной клетке. Цель — сотрясение грудной клетки, что должно привести к запуску остановившегося сердца.

Так что роль CO2 при остановке дыхания несколько иная, чем при обычном, спокойном дыхании.

Способы увеличения концентрации выдыхаемого углекислого газа. Человек в повседневной жизни «в автоматическом режиме» делает примерно 15 циклов вдох-выдох в минуту (каждый цикл имеет длительность приблизительно 4 секунды). Обычное отношение длительности вдоха и выдоха 1 : 1,3.

Смысл основных дыхательных гимнастик заключается в повышении содержания в крови углекислого газа за счет задержки, ослабления, замедления или искусственного затруднения дыхания. При этом повышение концентрации CO2 (до определенного предела, около 8%) улучшает усвоение кислорода организмом человека. В разных методиках это достигается или за счет задержки дыхания после вдоха либо после выдоха, или за счет удлиненного выдоха, или за счет удлиненного вдоха, или их комбинаций. Иными словами, нужно, чтобы фаза выдоха существенно превышала вдох.

Наиболее последовательной из современных методик является система Бутейко — поверхностное дыхание с задержкой. Она направлена на уменьшение потребления кислорода и насыщение организма углекислым газом. По этой системе усилием воли вдох занимает 2 секунды, выдох — 4 секунды, за которым следует 4-х секундная задержка дыхания. Всего цикл длится 10 секунд, укладываясь в 6 циклов в минуту.

В практике йоги правильным считается весьма продолжительный выдох с отношением длительности вдоха и выдоха 1 : 5. Утверждается, что йог в состоянии глубокой медитации может «обходиться» всего двумя-тремя циклами вдох-выдох в минуту. Первая реакция на это — не может быть! Но далее неожиданно выясняется, что очень редкое дыхание йогов может быть связано с повышенной ролью у них кожного дыхания.

И действительно, в этом что-то есть. Площадь кожи человека, покрытая 5 миллионами волосков, составляет 1,5–2 м2. А суммарная площадь 600 миллионов альвеол в легких — около 100 м2. Грубо получается, что на уровне 1–2% кожа может выполнять дыхательную функцию. Измерения показали, что через кожу выделяется около 2% углекислого газа и поглощается примерно 1% кислорода. Более того, через кожу выводится из организма порядка 800 граммов водяных паров — даже больше, чем из легких!