Laboration Människans termodynamik

Transkript

1 Laboration Människans termodynamik OBS! Förberedelseuppgifter som ska göras gruppvis innan labben finns på kurshemsidan. Lösningar ska lämnas till labbhandledaren innan labben. I korthet går labben ut på att studera termodynamiken i människokroppen, dvs metabolismen, under vila och ansträngning. Energiförbrukning (förbränning av fett och kolhydrater) mäts/beräknas och relateras till uträttat arbete/effekt under olika förutsättningar (vila, lätt ansträngning, hård ansträngning) varvid även kroppens verkningsgrad kan bestämmas. Denna labbhandledning består av tre delar: 1) Kortfattad teori, 2) Beskrivning av labbutrustningen och 3) Beskrivning av labbuppgifterna. Manualer till utrustningen distribueras separat via kurshemsidan. Dessa innehåller även en del intressant teori. Teori Luft Vanlig luft är en blandning av flera gaser, i huvudsak syre (O 2, 20.9%), koldioxid (CO 2, 0.04%), kväve (N 2, 78%), Argon (Ar, 1%) och vattenånga (H 2 O) vars andel av luften kan variera ganska kraftigt (från nära noll till flera procent). Procentsiffrorna ovan anger andelen av respektive gas för torr luft. Volymen för en gasblandning är lika med summan av de volymer som varje komponent skulle besitta om den ensam existerade vid blandningens tryck och temperatur. (Amagats lag). Den volym som en komponent skulle ha om den existerade ensam vid gasblandningens tryck och temperatur kallas komponentvolym eller partialvolym. Partialvolymen fås genom att multiplicera procentsatsen för den specifika gasen i blandningen med den totala volymen. För syre med halten 21% blir partialvolymen således: V!! = 0.209V!"! (1) Sambandet mellan tryck (p), volym (V) och massan hos en specifik gas (m) ges av ideala gaslagen: PV = mrt (2) där P är tryck, V är volym, m är massa, R är specifika gaskonstanten (unik för varje gas, R = 260 J/kgK för O 2 ) och T är temperaturen uttryckt i K. Andningsfysiologi Människans andningsapparat förser blodet med syre och för bort koldioxid från blodet. Under inandningen ökar volymen i bröstkorgen och luft sugs in i lungorna. Volymökningen orsakas av att diafragma kontraherar och rör sig nedåt, samt att musklerna mellan revbenen kontraherar och lyfter revbenen. Utandning sker genom att dessa muskler slappnar av. Ungefär ml luft sugs in i lungorna i varje andetag vid vila och andningsfrekvensen är ca 10 andetag per minut hos en genomsnittlig, frisk person. 1

2 Cellandning Vid låg arbetsintensitet kommer energin för muskelkontraktioner från aerob förbränning, under vilken syre förbrukas och koldioxid avges. Vid aerob förbränning bryts sockermolekylen glukos (C 6 H 12 O 6 ) ner via ett antal olika steg och bildar slutligen koldioxid (CO 2 ), vatten (H 2 O) och energi. Oxidationen av glukos kan förenklat skrivas enligt följande: C 6 H 12 O O 2 à 6 CO H 2 O Massa 180 g g g g Den energi som kroppen kan utvinna ur kolhydrater är ca 4 kcal/g. Ur en mol glukosmolekyler fås alltså 180 g. 4 kcal/g = 720 kcal. Energin som utvinns per förbrukat gram O 2 är därmed 720/(6. 32) = 3.75 kcal/g O 2 vid ren kolhydratförbränning. Kroppen använder även fett som energikälla. Fetter förekommer i huvudsak som triglycerider, där tre fettsyror är bundna till en glycerolmolekyl. Dessa fettsyror kan ha olika antal kolatomer och kan innehålla en eller flera dubbelbindningar (omättade fetter). I detta exempel studerar vi förbränning av fettsyran stearinsyra (C 17 H 35 COOH). C 17 H 35 COOH + 26 O 2 à 18 CO H 2 O Massa 284 g g g g Vid fettförbränning kan kroppen utvinna ca 9 kcal/g fett. Vid förbränningen av en mol stearinsyra fås alltså 284 g. 9 kcal/g = 2556 kcal. Energin som utvinns per förbrukat gram O 2 blir därför 2556/(26. 32) = 3.07 kcal/g O 2. Respiratory Exchange Ratio RER Som visas av exemplen ovan så bildas olika mycket koldioxid per förbrukat syre beroende på om kolhydrater eller fett förbränns. Skillnaden mellan koncentrationerna av O 2 och CO 2 i in- och utandningsluften kan användas för att beräkna Respiratory Exchange Ratio (RER): RER = %CO!,!" %CO!,!" %O!,!" %O!,!" = V!"! V!! = V!"! V!! (3) Genom att mäta gashalter och volymflöden kan RER beräknas, vilket är ett mått på hur mycket fett respektive kolhydrater som kroppen förbränner för tillfället. Vi har följande samband mellan RER och energiutvinningen per O 2 : RER Energiutvinning [kcal/g O 2 ] Energiutvinning [J/kg O 2 ]

3 Laborationshandledning, Termodynamik TMMV04/TMMI44 Genom linjärinterpolation mellan dessa värden får man sedan fram energiutvinningen eutv för det aktuella värdet på RER. 𝑒!"# = ! ! ! 𝑅𝐸𝑅 0.7 𝐽 (4) 𝑘𝑔 𝑂! Genom att multiplicera med massan respektive massflödet syre som konsumeras erhålls 𝐸!"# = 𝑚!! 𝑒!"# 𝐽 (5) 𝐸!"# = 𝑚!! 𝑒!"# 𝑊 (6) Ibland kan man stöta på begreppet Respiratorisk kvot (RQ) istället för RER. RQ mäter kvoten mellan avgivet CO2 och förbrukat O2 på cellnivå medan RER mäts i in/utandningsluften. RQ och RER är identiska vid kontinuerlig belastning under låg till måttlig aktivitet samt vid vila. Verkningsgrad Vi definierar kroppens verkningsgrad som kvoten mellan uträttad effekt (𝐸!"#$%&" ) som erhålls med hjälp av trainern och differensen mellan förbrukad effekt vid ansträngning (𝐸!"#,!"#$%ä!"!#!" ) och vila (𝐸!"#,!"#$ ). 𝜂= 𝐸!"#$%&" (7) 𝐸!"#,!"#$%ä!"!#!" 𝐸!"#,!"#$ Labbutrustning I labben ingår tre utrusningspaket: 1) Spirometer, 2) Logger Pro med programvara, 3) Motionscykel med effekt/kalorimätning, 4) Mätare av luftfuktighet. En introduktion till dessa ges nedan. Spirometern Spirometerutrustningen visas i Figur 1. Den består av en ansiktsmask, syre/koldioxid analysator och en datainsamlingsapparat. Utrustningen är färdigmonterad vid labbtillfället. 3

4 Fig 1. Spirometerutrustningen. Ansiktsmask nederst i bilden, S147 O 2 /CO 2 analyzer är den vita lådan och den svarta lådan högst upp är LabPro datainsamlare. Starta S147-enheten med knappen på framsidan en stund innan självamätningarna börjar. Pumpen ska vara inställd på 300 ml/min, och startas strax innan själva mätningarna börjar. Se till att sladden till LabPro sitter i eluttaget och är inställd på 6V. Montera ansiktsmasken på försökspersonen. Andas normalt. Spänn fast pulsmätaren runt bröstkorgen. För ytterligare detaljer, manual (BBB1LP Breath by Breath Metabolic Analysis System). Logger Pro 1. Starta programmet Logger Pro genom att klicka på ikonen på skrivbordet. 2. Öppna filen BBB1LP_setupfil.cmbl 3. En dialogruta öppnas som ber dig ansluta till sensorerna. Klicka på Connect tre gånger. 4. Spara om filen direkt med ett nytt filnamn, tex BBB1LP_dittLiUID.cmbl, gärna i din hemkatalog. 5. Försökspersonen gör sig redo (A: vila sittande i en stol, B: träningscykeln se nedan, C: träningscykeln se nedan). 6. Starta mätningen genom att klicka på den gröna ikonen Collect uppe till höger i verktygsfältet. Hjärtfrekvensen visas efter ca 30 sekunders mätning längst ned till vänster i fönstret. 4

5 Ur Logger Pro läser vi av följande: V!"!,!"#$ [l/min]: Volymflöde för producerad mängd CO 2 vid STPD. V!!,!"#$ [l/min]: Volymflöde för konsumerad mängd O 2 vid STPD Dessa parametrar redovisas som momentanvärden under insamlingstiden. Beräkna ett genomsnittligt värde för vardera parameter, t ex med hjälp av Excel. STPD står för Standard Temperature (0 C) and Pressure ( kpa) Dry, dvs torr luft vid normalt atmosfärstryck och temperaturen 0 C. Vid mätningen råder inte riktigt dessa förutsättningar, men felet anses försumbart. För mer information, läs i bifogad manual (BBB1LP Breath by Breath Metabolic Analysis System). Motionscykel I labbet finns en motionscykel som möjliggör mätning av utvecklad effekt samt förbrukad energi (kilokalorier, kcal). Laborationshandledaren hjälper till med inställningar på cykeln. Laborationsuppgifter A. Energiförbrukning vid vila Låt försökspersonen sitta stilla på en stol under minst 2 minuter. Sätt därefter andningsmasken på ansiktet och mät gashalterna i in- och utandningsluften under minst 4 minuter. Beräkna volymsflöden (medelvärden) för syre och koldioxid (V!"!,!"#$ [l/min] och V!!,!"#$ [l/min]). Beräkna Respiratory Exchange Ratio vid STPD, RER!"#$ =!!"!,!"#$ =!!"!,!"#$ Beräkna hur mycket energi kroppen har förbrukat under mätperioden, och vilken effekt det motsvarar. Använd ekvationerna 2-6. B. Energiförbrukning och effekt vid lätt ansträngning Låt testpersonen sätta sig på cykeln. Kalibrera utrustningen genom att ställa in testpersonens vikt och motståndets bromstid. Sätt på spirometern på testpersonen. Låt testpersonen cykla en liten stund (1-2 minuter) samtidigt som pulsen kontrolleras på cykeldisplayen. Pulsen bör ligga på ca BPM. Låt testpersonen cykla på denna nivå i minst 2 minuter innan mätningen startar. Nollställ cykeldisplayen samtidigt som insamlingen av gashalter startas! Mät gashalterna i in- och utandningsluften under ca 4 minuter då testpersonen cyklar med konstant belastning. Sluta cykla exakt när spirometermätningen avslutas! Avläs utfört arbete (trip use) samt medeleffekt (AVS) på cykeldisplayen: 5

6 Beräkna volymsflöden (medelvärden) för syre och koldioxid (V!"!,!"#$ [l/min] och V!!,!"#$ [l/min]. Beräkna Respiratory Exchange Ratio vid STPD, RER!"#$ =!!"!,!"#$ =!!"!,!"#$ Beräkna hur mycket energi kroppen har förbrukat under mätperioden, och vilken effekt det motsvarar. Använd ekvationerna 2-6. C. Energiförbrukning och effekt vid hård ansträngning Låt samma testperson som tidigare sätta sig på cykeln och sätt på spirometern. Låt testpersonen cykla en liten stund samtidigt som pulsen kontrolleras på cykeldisplayen. Pulsen ska ligga på ca BPM. Låt testpersonen cykla på denna nivå i minst 2 minuter innan mätningen startar. Nollställ cykeldisplayen samtidigt som insamlingen av gashalter startas! Mät gashalterna i in- och utandningsluften under 4 minuter då testpersonen cyklar med en då testpersonen cyklar med konstant belastning. Sluta cykla exakt när spirometermätningen avslutas! Avläs utfört arbete (trip use) samt medeleffekt (AVS) på cykeldatorn: Beräkna volymsflöden (medelvärden) för syre och koldioxid (V!"!,!"#$ [l/min] och V!!,!"#$ [l/min]. Beräkna Respiratory Exchange Ratio vid STPD, RER!"#$ =!!"!,!"#$ =!!"!,!"#$ Beräkna hur mycket energi kroppen har förbrukat under mätperioden, och vilken effekt det motsvarar. Använd ekvationerna 2-6. D. Verkningsgrad och värmeförlust Beräkna kroppens verkningsgrad vid de olika belastningsfallen genom att använda ekvation 7. Stämmer era resultat överens med verkningsgraden som antas av ergotrainern? Uppskatta överslagsmässigt hur mycket värme (värmeeffekt) som avges via andningen vid de olika belastningsfallen, och hur stor andel av förbrukad effekt denna värmeförlust står för. E. Redovisning av resultat Efter labben ska gruppen gemensamt skriva en labbrapport på max 5 sidor + bilagor som innehåller En beskrivning av labbens genomförande, använda beräkningssamband (använd ekvationsverktyget i Word eller motsvarande) samt resultat. En rapportmall finns på kurshemsidan. Analys och reflektion av resultaten. Verkar resultaten rimliga och överensstämmer de med vad ni förväntade? 6

7 Analys av mätmetoden, inklusive förenklingar och felkällor. Alla väsentliga primärdata (mätdata) bifogas i bilagor. Rapporten ska vara tydlig, välformulerad och lättläst Vi ska förstå att ni förstår! Övriga dokument (finns på kurshemsidan) Förberedelseuppgifter BBB1LP Breath by Breath Metabolic Analysis System Mollier-diagram 7