Po przeprowadzeniu wentylacji płuc (wdychaniu powietrza) i wypełnieniu płuc powietrzem następuje drugi etap oddychania – wymiana gazowa w płucach.

Płucna wymiana gazowa odbywa się w płucach pomiędzy pęcherzykami płucnymi a krwią. Jest ona również określana jako „oddychanie zewnętrzne”, ponieważ obejmuje procesy oddechowe, które mają kontakt ze środowiskiem zewnętrznym.

Proces płucnej wymiany gazowej usuwa CO2 z krwi i uzupełnia zapas O2 we krwi.

Wymiana gazowa zachodzi w dół gradientu ciśnienia, poprzez proces znany jako „dyfuzja”. Kiedy oddychamy, wdychamy powietrze składające się z mieszaniny gazów, w tym O2 i CO2.

Te gazy mają ciśnienie związane z ich stężeniem w mieszaninie gazów. Te indywidualne ciśnienia są określane jako ciśnienia cząstkowe.

Różnice w ciśnieniach cząstkowych między gazami w pęcherzykach płucnych i we krwi tworzą gradient ciśnienia przez błonę oddechową (membrana oddzielająca pęcherzyki płucne i naczynia włosowate krwi).

Gdyby ciśnienie po każdej stronie błony było takie samo, nie byłoby wymiany gazowej i nie byłoby ruchu O2 i CO2. Tam gdzie ciśnienia parcjalne O2 i CO2 są różne następuje wymiana gazowa.

Gazy przemieszczają się z obszaru o wysokim stężeniu (wysokie ciśnienie) do obszaru o niskim stężeniu (niskie ciśnienie). Ponieważ świeżo zainspirowane powietrze w pęcherzykach płucnych ma wysoką zawartość O2, O2 dyfunduje przez błonę oddechową do krwi, gdzie stężenie O2 jest niskie. Krew ta jest teraz „natleniona” i wysyłana do tkanek organizmu do wykorzystania, jak widać na poniższym obrazku.

Krew, która dotarła z tkanek organizmu do pęcherzyków płucnych ma wysoką zawartość CO2. CO2 w tej „odtlenionej” krwi dyfunduje przez membranę oddechową do pęcherzyków płucnych do obszaru o niskim stężeniu CO2, a następnie jest wydalany (wydychany) z płuc. Można to również zobaczyć na powyższym obrazku.

Aby O2 mogło zostać wchłonięte do krwi, wiąże się ono z hemoglobiną (Hb), która jest związkiem znajdującym się na naszych czerwonych krwinkach. Krew natlenowana (przenoszona w tętnicach) jest jasnoczerwona z powodu wiązania hemoglobiny i tlenu. Krew odtlenowana (płynąca w żyłach) jest dużo ciemniej czerwona z powodu braku dostępnego tlenu, który mógłby związać się z hemoglobiną.

Krew odtlenowana jest często określana jako „niebieska”, w przeciwieństwie do ciemnoczerwonej. To odniesienie jest głównie używane do rozróżnienia krwi natlenowanej i odtlenowanej, aby pomóc ludziom zrozumieć różnice i pokazać różnice na diagramach. Krew odtlenowana nie jest „niebieska” jak niebo w słoneczny dzień (proszę się nie ciąć, aby to sprawdzić!), jest raczej bardzo ciemnoczerwona, która może wydawać się niebieskawa, gdy jest oglądana przez powierzchowne żyły ciała – sprawdź kolor żył na przedramieniu lub ręce.