9.3. Работа и мощность сердца. Аппарат искусственного кровообращения

Работа, совершаемая сердцем, затрачивается на преодоление сил давления и сообщение крови кинетической энергии.

Рассчитаем работу, совершаемую при однократном сокраще­нии левого желудочка. Изобразим V_у — ударный объем крови — в виде цилиндра (рис. 9.9). Можно считать, что сердце продавлива­ет этот объем по аорте сечением S на расстояние l при среднем давлении р. Совершаемая при этом работа

А₁ = Fl = pSl = pV_y.

На сообщение кинетической энергии этому объему крови за­трачена работа

А₂ = m²/2 = V_y²/2,

где  — плотность крови,— скорость крови в аорте. Таким обра­зом, работа левого желудочка сердца при сокращении равна

А_л=А₁ + А₂=рV_у + V_у²/2.

Так как работа правого желудочка принимается равной 0,2 от ра­боты левого, то работа всего сердца при однократном сокращении

А = А_л + 0,2А_л = 1,2 (pV_y + pV_y²/2). (9.17)

Формула (9.17) справедлива как для покоя, так и для активно­го состояния организма. Эти состояния отличаются разной скоро­стью кровотока.

Подставив в формулу (9.17) значения р = 13 кПа, V_y = 60 мл = 6 • 10^-5 м³,  = 1,05 • 10³ кг/м³,  = 0,5 м/с, полу­чим работу разового сокращения серд­ца в состоянии покоя: A_l  1 Дж. Счи­тая, что в среднем сердце совершает одно сокращение в секунду, найдем работу сердца за сутки: А_с = 86 400 Дж. При актив­ной мышечной деятельности работа сердца может возрасти в несколько раз.

Если учесть, что продолжительность сис­толы около t  0,3 с, то средняя мощность сердца за время одного сокращения (W) = А₁/t = = 3,ЗВт.

При операциях на сердце, которые требу­ют временного выключения его из системы кровообращения, пользуются специальнымиаппаратами искусственного кровообращения (рис. 9.10). По существу, этот аппарат явля­ется сочетанием искусственного сердца (на­сосная система) с искусственными легкими (оксигенатор — система, обеспечивающаянасыщение крови кислородом).

Дополнительный материал первое начало термодинамики и живые организмы

Жизненные процессы при всем своем многообразии имеют и общие черты. Любой из них требует затрат энергии. Поэто­му важным направлением биофизических исследований явля­ется изучение преобразований энергии в биологических си­стемах. Процессы энергообеспечения организма за счет внеш­них энергетических ресурсов составляют предмет исследова­ния биоэнергетики. В разработке биоэнергетических проблем можно выделить два подхода. Во-первых, исследуются меха­низмы энергетических процессов, протекающих в организме на молекулярном и субмолекулярном уровнях. Их изучение — одна из важнейших задач молекулярной и квантовой биофи­зики. С другой стороны, некоторые особенности биологических процессов изучаются на основе общих законов превращения энергии без детального изучения их молекулярных механиз­мов (говорят — на макроскопическом уровне). Это составляет содержание исследований в области биологической термоди­намики.

Определения основных термодинамических величин

В термодинамике объектом исследования служит система, под которой понимают совокупность материальных объектов(тел), ограниченную в той или иной степени от окружающей среды. Различают изолированные системы, не обменивающие­ся энергией и веществом с этой средой, иоткрытые системы,в которых такой обмен происходит. Живые организмы отно­сятся к открытым системам.

Состояние любой системы характеризуется некоторыми па­раметрами. Одни из них не зависят от массы или числа частицв системе (иначе говоря, от размеров системы), другие про­порциональны этим аргументам. Первые получили название

интенсивных термодинамических параметров. К ним относятся давление, температура и т. п. Параметры второй группы назы­ваютсяэкстенсивными. Это объем, энергия, энтропия и др.

Энергию системы (W) можно представить состоящей из двух частей: W_к+п, которая зависит от движения и положения системы как целого, и U, не зависящей от этих факторов:

W= W_к+п + U. (1)

Вторую составляющую (U ) называют внутренней энергией системы. Она включает энергию теплового движения частиц, химическую энергию, ядерную энергию. В системах, химичес­кий состав которых в ходе энергетических преобразований ос­тается неизменным, при вычислении внутренней энергии мож­но учитывать только энергию теплового движения и взаимодей­ствия частиц. Такой системой является идеальный газ.

Из полной энергии системы (W) выделяют так называемую энтальпию: H=U+pV. При постоянном давлении изменение энтальпии равно количеству тепла, полученного системой:dH=dQ. Поэтому энтальпию иногда называют теплосодержа­нием.