気道における熱と湿度の原理

表示:湿度の定義空気中のエネルギー熱、湿度の理解

湿度の定義

湿度とは、気体中に浮遊する水蒸気(気体状の水)の度合のことです。水蒸気の分子は一般的な細菌やウイルスよりもはるかに小さいので、これらの病原体を運ぶことはできません。
 


Figure 1. Relative sizing of common pathogens to water in both liquid and gas states. μm, micrometers (microns); 1 mm = 1000μm

図1。液体と気体における、一般的な病原体の水に対する相対的な大きさ。 μm、マイクロメートル(ミクロン)、1 mm = 1000μm

湿度を論じる際によく使われる3つの重要な概念があります。

絶対湿度

絶対湿度(AH)は、気体1リットルあたりに存在する水蒸気の量で、mg/L HOとして測定さ れます。体積が一定であれば、気温や気圧の変化は絶対湿度に影響を与えません。

相対湿度

相対湿度(RH)とは、ガス1リットルあたりの水蒸気の量を指し、ガスが保持できる最大量と比較したもので、’常にパーセンテージで表されます。
 
 気体の容量、したがってRHは温度に依存します。暖かい気体はより多くの水蒸気を保持できます。
 
 このアニメーションでは、灰色の円は気体の容量を表し、濃い青色の円は気体の中にどれだけの水蒸気があるかを表しています。
 
100% RHで、絶対湿度44 mg/L HOを保持する場合、ガスは飽和し、追加の水蒸気を保持することはできません。
 
2番目の画像では、ガスは同じ温度なので、灰色の円は同じ大きさです(それはまだ44 mg/L H2Oの水蒸気しか保持できません)。しかし、ガスは11 mg/L HO(青い円)しか含まず、25%のRHに相関します。

露点

露点とは、ガスが現在の含水量によって飽和している温度、つまり可能な限り最大量の水蒸気を保持しているときの温度です。
 
温度がこのポイントより下がれば、空気の容量は減少し、余分な水蒸気は結露として失われます。
 
露点のアニメーションでは、ガスは最初37 °Cにあり、44 mg/L H2Oを保持しています。しかし、ガスはその後23 °まで冷えます。これにより、最大容量が44から21 mg/L H2Oに減少します。保持できない余分な水蒸気は、凝縮のプロセスを通じて、液体の水として失われます。

エネルギーについて

ガスの加温と加湿にはエネルギーを使用します。
 
’ガスを加湿するには加温するよりもはるかに多くのエネルギーを消費します。身体が、吸気を調整するために使用するエネルギーの85%は、水蒸気含有量を増加させるために使用されます。
 


 図5
。Dawsonら(2014)により測定された、吸気に対するガスの調整に必要なエネルギー消費1。計算値は、一回換気量500mL、呼吸数12回/分の成人を表します。

気道の熱と湿度

気道が、吸気を加温し加湿するためには、熱源から熱と水を引き出す必要があります。
 
粘液線毛輸送機能(MTS)は気道生理学の重要な一部であり、空気の加温・加湿に寄与する中心的な役割の一つです。2 それは、気道に並ぶ3つの層の協調作用のことです。
  
  • 粘液層です。
  • 水(ゾル)層です。
  • 繊毛上皮層です。
 
これらの層がMTSを形成し、肺の保護に役立っています。粘液は粘着性があり、吸い込んだゴミを捕らえます。繊毛は、粘液が飲み込まれたり、気道から咳き込まれたりする場所で、粘液を上に押し上げるために水層を通って到達します。
 
このシステムの有効性は、吸気の熱と湿度に強く依存します。3 より寒く、より乾燥した空気は、粘液の粘度、水層の深さ、繊毛の協調性と運動の頻度の両方に影響を与えます。
 
加温、加湿されたガスは気道分泌液の流動性を保ち、粘膜繊毛クリアランスの継続をサポートします。2~5

 




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