Посібник для дайвера - 01 - Закони про газ
1.1 Склад повітря
1.1.1 Вдихуване повітря
частка
газ
Примітка: Якщо бути точним, існує також частка водяної пари в повітрі. Це, наприклад, при 18 градусах Цельсія і 60% відн. Вологість приблизно 1,2 об.%. Оскільки сума всіх частин завжди 100%, частини всіх інших газів відповідно зменшуються.
1.1.2 повітря, що видихається
частка
газ
1,2 тиск
1.2.1 Тиск газу
Тиск визначається як сила через поверхню, тобто сила (наприклад, вага води), яка діє на певну поверхню (наприклад, водолаз). Одиниця тиску дорівнює бар або в інших країнах теж psi.
блок 1
Блок 2
= 100000 Па (Паскаль)
Ключові показники BAR/PSI:
БАР
PSI
1.2.2 Тиск води
Тиск на водну поверхню становить приблизно. 1 бар.
Під водою тиск зменшується кожні 10 метрів 1 бар до.
глибина
Тиск води
Як бачите, тиск удвічі перевищує перші 10 м при спуску або зменшує вдвічі останні 10 м при підйомі, тобто в 2 рази.
- Якщо піднятися з 20 до 10 м, тиск зменшується на 1/3.
- Якщо піднятись з 30 на 20 м, тиск знижується на 1/4.
- тощо.
Ось чому спостерігаються особливо великі перепади тиску в останні 10-15 м при підйомі, що може призвести до травм, навіть при занадто швидкому підйомі або затримці дихання!
Як бачите, тиск удвічі перевищує перші 10 м при спуску або зменшує вдвічі останні 10 м при підйомі, тобто в 2 рази.
Якщо піднятися з 20 до 10 м, тиск зменшується на 1/3,
Якщо піднятись з 30 до 20 м, тиск зменшується на 1/4 і т.д.
Ось чому спостерігаються особливо великі перепади тиску в останні 10-15 м при підйомі, що може призвести до травм навіть при занадто швидкому підйомі або затримці дихання!
1.2.3 Парціальний тиск газу - (Закон Далтона)
Тиск зростає із збільшенням глибини. Але не тільки на нас, але і на вдихувану газову суміш в організмі. Тиск впливає не тільки на загальну газову суміш, але і на всі гази, що містяться в ній. На поверхні води (тиск 1 бар) парціальні тиски в газовій суміші аналогічні об'ємним відсоткам відповідного газу, тобто:
частка
тиску
усього
1,00 бар
Зі збільшенням тиску води парціальний тиск також зростає, а саме в коефіцієнт зростаючого тиску:
Глибина занурення: 30 м ➡ тиск: 4 бар
газ
частка
тиску
вексель
Частковий тиск
Кисень (O2)
Азот (N2)
відпочинок
- Відповідно до парціального тиску газ також розчиняється в крові (закон Генрі).
- Видно, що на більшій глибині поглинається надзвичайно більше азоту. Якщо, наприклад, 21 молекулу O2 та 78 молекул N2 розчинили у певній кількості крові на поверхні води (тобто лише на 57 молекул N2 більше), на глибині 30 м це було б 84 молекули O2 та 312 молекули N2 (тобто лише 228 молекул N2 більше.).
- Для безпечного розщеплення будь-яких "збережених" молекул O2 необхідні повільна швидкість підйому (менше 10 м на хвилину) та декомпресія або безпечні зупинки. Технічні дайвери також використовують різні газові суміші під час занурення, щоб уникнути надмірного насичення O2 та N2.
- Понад 71 м стиснене повітря має парціальний тиск O2 1,7 бар, вище якого кисень надає токсичну дію (наприклад, епілептичні напади).
1.3 Тиск і обсяг: Закон Бойля і Маріотта
Закон Бойля і Маріотта виражає взаємодію між ними Тиск (р) і Об'єм (V) газу.
Зі збільшенням тиску газ стискається і, отже, менший (тобто p * V = постійна).
Це дає закон Бойля і Маріотта:
При цьому модифікація об'єму при зміні тиску (і навпаки).
- Глибина: 15 м, об'єм легенів - 6 літрів.
- Відбувається підйом на глибину 5 метрів.
- До якого обсягу розширюється повітря в легенях?
p1 = 2,5 бар (глибина води 15 м) і V1 = 6 л
p2 = 1,5 бар (глибина води 5 м). V2 = розшукується
p1 * V1 = p2 * V2 ➡ розділити обидві сторони рівняння на p2
(p1 * V1)/p2 = V2 ➡ вставити номери
V2 = (2,5 бар * 6 л)/1,5 бар
V2 = 10 л
Обсяг збільшився до 10 літрів. Оскільки легені навряд чи гнучкі, вони були б пошкоджені (розрив легенів), якби під час підйому дайвер не видихнув!
Тому повітря, яким ви дихаєте, завжди повинен видихатися на підйомі.
Ніколи не затримуйте дихання!
1.4 Тиск і температура
1.4.1 Закон Гей-Люссака
Зі збільшенням тиску газ нагрівається, із зменшенням тиску газ охолоджується.
(p/T = постійна)
Закон Гей-Люссака:
Обчислюється з Т = Кельвіна.
Для перетворення градусів Цельсія та Кельвіна застосовується наступне:
-
T [Кельвін] = градуси [o Цельсія] + 273
Ступінь [o Цельсія] = T [Кельвін] - 273
Закон "нормальному" дайверу потрібен для двох речей:
- Під час наповнення пляшки пляшка може по-справжньому нагрітися.
- Якщо в холодних водах споживається багато повітря, повітря може настільки охолонути, що регулятор замерзне.
1.4.2 Ефект Джоуля-Томсона
Ефект Джоуля-Томсона описує ефект того, що гази перестають поводитися як "нормальні" (ідеальні "гази) при дуже високих тисках (і це вже легко з водолазними балонами при 200 бар, і навіть дуже часто при 300 бар) При низьких температурах між молекулами газу відбуваються взаємодії, які змушують молекули газу «злипатися» та ефекти зрідження (закон Гей-Люссака базується на ідеальних газах і не враховує ці ефекти).
(жахливе) завдання для просунутого професіонала:
(Дякую Дірку "Калеу" за пропозицію)
Атомний підводний човен занурюється на глибину 2000 м. Всі перегородки відкриті.
Раптом торпедні перегородки ламаються в носі, і човен раптово заповнюється водою.
Питання: Як машиніст гине на кормі підводного човна?
p1/T1 = p2/T2 випливає: T2 = (p2 * T1)/p1
p1 = 1 бар (до), T1 = 20 O C (до) = 293 K, p2 = 201 бар (після)
T2 = (201 бар * 293 К)/1 бар
T2 = 58893 K = 58620 O C
Він згорає до попелу при 50 000 - 60 000 OC. (до того, як він змокне).
(Отже, навіть будучи не дайвером, слід знати закон Гей-Люссака.)
(PS: для скептиків: навіть якби на підводному човні заздалегідь було холодніше або тепліше, або якщо атомний підводний човен знаходився лише на глибині 1000 метрів, тоді тиск все одно створив би температуру приблизно 30000 ° C, чого достатньо .
PSS: для скаржників:
- 500 м: приблизно 15000 O C,
- 250 м: приблизно 7500 O C,
- 100 м: приблизно 3000 O C [все ще достатньо]
1,5 гази в рідинах
1.5.1 Роль газів в організмі
азоту N2 не (навряд чи) бере участь у процесах в організмі. Тому його також називають "інертним газом". Він вивільняється переважаючим парціальним тиском у крові, тобто він “втискається” в рідину (кров) при високому зовнішньому тиску до досягнення стану рівноваги. Чим довше вищий зовнішній тиск встигає діяти (для встановлення стану рівноваги), тим більше азоту може розчинятися (отже, більший час декомпресії при тривалих глибоких зануреннях).
Якщо зовнішній тиск падає, азот знову виходить з крові. Якщо спостерігається сильне падіння тиску, азот може пузиритися (молекули N2 злипаються) - ефект, знайомий з пляшок з содою. Бульбашки в крові можуть закупорити (важливі) судини та капіляри і, таким чином, пошкодити уражену тканину (через недостатнє надходження) або спричинити її загибель.
кисень O2 має важливе значення для підтримки функцій організму. 97% його зв’язується в крові з гемоглобіном еритроцитів (еритроцитів) і, таким чином, транспортується до органів в організмі. Лише незначна частка 3% розчиняється в крові. На місці споживання кисень проти Вуглекислий газ CO2 обмінялися. 70% вуглекислого газу дифундує в еритроцити (еритроцити) та білки крові. У крові розчиняється лише незначна частина. Вуглекислий газ транспортується в легені і видихається через альвеоли (альвеоли). Таким чином, запас кисню та вуглекислого газу не розчиняється в крові, а майже повністю (хімічно) зв’язується.
- Гази, як Чадний газ CO є настільки небезпечними, оскільки вони “сильніше” зв’язуються з еритроцитами (виділяється кисень і зв’язується чадний газ). Крім того, потрібно багато часу (навіть після того, як більше не вдихається чадний газ), поки оксид вуглецю не буде «вивільнений» еритроцитами. Тому організм більше не може бути забезпечений достатньою кількістю кисню, і настає непритомність та/або смерть.
- Благородні гази (Сюди входить, здебільшого, 1% залишкових газів у диханні) поводяться в основному як азот і не беруть участі в жодних функціях організму).
1.5.2 Закон Генріха
Гази розчиняються в рідинах, але для цього потрібен час. Якщо рідина насичена, розчинені в рідині гази прямо пропорційні відношенню парціальних тисків газу на її поверхні. Або простіше: гази розчиняються в крові в тій же пропорції, що і в дихальній суміші.