EXERCICES D’APPLICATION : BIOPHYSIQUE DE LA RESPIRATION EXERCICE 1:
Un récipient fermé contient un volume V de gaz, composé d'un mélange de 2 moles d’O2 et 3 moles de CO2. La pression totale qui règne à l’intérieur du récipient est de 900 mm Hg. Le récipient se trouve à une température de 37⁰C?
1- calculer PO2 et PCO2, les pressions partielles de l’O2 et du CO2 dans le mélange gazeux.
2- On introduit dans le récipient une quantité d’eau, en gardant la même quantité de gaz, que
précédemment, au-dessus de l’eau. Le récipient est muni d’un piston, que l’on positionne de façon à ce que la phase gazeuse occupe un volume V’ et que la pression totale de cette phase gazeuse au-dessus de l’eau soit maintenue à 900 mm Hg.
a- quelle est la différence qui existe entre les phases gazeuses dans les deux situations?
b- calculer P’O2 et P’CO2, les pressions partielles de l’O2 et du CO2 dans cette nouvelle situation.
3- on remonte le piston de sorte à ce que le volume qu’occupe la phase gazeuse (avec la même quantité en O2 et CO2) soit à présent de V’’= 2V’.
a- quelle est la variation de pression attendue pour chacun des gaz qui constituent le mélange.
b- calculer P’’O2 et P’’CO2, les pressions partielles de l’O2 et du CO2 dans cette nouvelle situation.
4- calculer la pression totale du mélange gazeux au-dessus de l’eau.
EXERCICE 2:
Dans une bouteille de gaz pour plongée sous-marine l’air respiré est composé d’02 à 20,92 %, d’N2 à 79,05 % et de C02 à 0,03 %. Un plongeur utilise cette bouteille de gaz pour respirer sous l’eau à une profondeur de 20m. On donne la masse volumique de l'eau de mer, ρ= 103 kg/m3 et l'accélération de la pesanteur, g=10m/s2.
1- Calculer la pression environnante à 20 m de profondeur.
2- on considère que le gaz dans l’alvéole pulmonaire du plongeur, se trouve avec la même composition que l'air de la bouteille. Calculer P02, PC02 PN2 à cette profondeur, dans l’alvéole (en bar).
3- comment devrait évoluer la pression de l’02 si le plongeur voulait aller plus en profondeur (au-delà de 20m)
4- On admet que l’02 devient toxique à partir d’une pression partielle P02 = 2 Bar. Jusqu’à quelle profondeur le plongeur peut-il aller avec le même mélange gazeux.
5- pour aller jusqu’à 150 m de profondeur. Quelle devrait être la composition maximale en oxygène.
EXERCICE 3:
Un avion de ligne vole habituellement à des altitudes de croisière supérieures à 10000 m. A cette hauteur la pression environnante est de l’ordre de 264.102 Pa, où la pression partielle de l’02 est
incompatible avec la vie. Les cabines d'avions sont pressurisées et la pression est réajustée en moyenne à 0,8.105 Pa.
1- Si le gaz respiré en cabine est composé de 16% en 02, calculer la pression partielle P02 à laquelle se trouve l’02 dans le poumon des passagers de l’avion.
2- calculer le volume d’02 dissous dans le sang des passagers
3- à cette pression partielle pour l’02 quel est le taux de saturation de l’hémoglobine?
4- calculer la quantité totale d’02 disponible dans le sang (libre et lié à l’hémoglobine).
ÉLEMENTS DE RÉPONSES EXERCICE 1:
1- PO2 = 360 mm Hg; PCO2 = 540 mm Hg
2-a- dans la deuxième situation la phase gazeuse contient, en plus de 02 et C02, de la vapeur d’eau qui provient de l’eau qui a été déposée au fond du récipient. À cause de l’agitation thermique que subissent les molécules d’eau, une quantité de ces molécules se détache de la phase liquide et passe à l’état gazeux, elle se mélange aux autres gaz et contribue à la pression totale de la phase gazeuse. À 37⁰C, cette vapeur d’eau saturante se trouve en équilibre avec la phase liquide et a une pression de 47 mm Hg.
2-b- P’O2 = 2/5 x (900-47)= 341,2 mm Hg; P’CO2 = 3/5 x (900-47)= 511,8 mm Hg
3-a- Le volume de la phase gazeuse augmente donc la pression totale du mélange gazeux diminue, cette diminution de pression concerne uniquement l’O2 et le CO2 qui obéissent à la loi de Boyle-Mariotte: à température constante P . V = cte. Mais pour la vapeur d’eau saturante la pression varie uniquement avec la température, elle ne change pas si on fait varier la pression totale du mélange ou son volume.
3-b- P’’O2 = 170,6 mm Hg; P’’CO2 = 255,9 mm Hg 3-b- PT = 473.5 mm Hg
EXERCICE 2:
1- Tout corps à la surface de la mer subit la pression atmosphérique. Un corps en immersion (sous l’eau) subit en plus de la pression atmosphérique, la pression Hydrostatique qui correspond à la pression qu’exerce le poids de l'eau sur le corps en immersion. Cette pression hydrostatique ne dépend pas du
volume d'eau mais seulement de la hauteur d'eau. Phyd = ρ.g.h. avec h= hauteur d’eau qui se trouve au- dessus du corps en immersion.
Au cours de la plongée, la pression hydrostatique à laquelle est soumis le plongeur augmente avec la profondeur. Si on considère que ρ de l’eau de mer est de 103 kg/m3, 10 mètres d’eau de mer
représentent une pression de 1 bar (10 x 103 x 10= 105 Pa). On peut dire globalement que, à la surface de la mer la pression environnante (pression totale subie par le plongeur) est de 1 bar et cette pression augmente de 1 bar tous les 10 mètres.
Ici la pression environnante est de 3. 105 Pa ≈ 3bar
Rappel sur les unités de mesure des pressions : 1 atm ≈ 1 bar ≈ 760 mm Hg ≈ 105 Pa (unité du système international)
2- Dans l’alvéole pulmonaire, en plus des gaz inspirés, il y a de la vapeur d’eau.
PO2 = 0,61 bar; PCO2 = 0,88 10-3 bar; PN2 = 2,32 bar
3- En allant plus en profondeur la pression de l’02 augmente car la pression totale subie par le plongeur augmente.
4- h=86,2m
5- pour aller jusqu’à 150m de profondeur sans dépasser 2bar pour l’02 il faut diminuer sa composition, elle doit être de 12,5 % au maximum.
EXERCICE 3:
1- PO2 = 0,1184 bar (ou atm)
2- VO2 = 2,78 10-3 ml d’02/ml de sang/atm
3- En reportant la valeur de la pression de l’O2 dissous dans le sang sur la courbe de dissociation de l’oxyhémoglobine (CDO), on constate que l’hémoglobine est à 100 % de saturation, donc tous les sites de fixation sont saturés, soit 20,85 ml d’O2 lié à l’hémoglobine/100ml de sang (voir cours).
3- La quantité totale d’02 disponible dans le sang est de 21,128 ml d’02/ml de sang.
