Manualul scafandrului - 01 - Legile gazelor

1.1 Compoziția aerului

1.1.1 Aerul inhalat

proporție de

gazelor

gaz

Notă: Pentru a fi precis, există și proporția de vapori de apă din aer. El este de ex. la 18 grade Celsius și 60% rel. Umiditate aproximativ 1,2% în volum. Deoarece suma tuturor părților este întotdeauna de 100%, părțile tuturor celorlalte gaze scad în consecință.

1.1.2 Aerul expirat

proporție de

gaz

1.2 presiune

1.2.1 Presiunea gazului

Presiunea este definită ca forță prin zonă, adică forța (de exemplu, greutatea apei) care se exercită pe o anumită suprafață (de exemplu, scafandru). Unitatea de presiune este bar sau și în alte țări psi.

Unitatea 1

Unitatea 2

= 100.000 Pa (Pascal)

Cifre cheie BAR/PSI:

BAR

PSI

1.2.2 Presiunea apei

Presiunea pe suprafața apei este de aprox. 1 bar.
Sub apă, presiunea scade la fiecare 10 metri 1 bar la.

adâncime

Presiune a apei

După cum puteți vedea, presiunea dublează primii 10 m la coborâre sau înjumătățește ultimii 10 m la ascensiune, adică cu un factor de 2.

  • Dacă urcați de la 20 la 10 m, presiunea se reduce cu 1/3.
  • Dacă vă ridicați de la 30 la 20 m, presiunea se reduce cu 1/4.
  • etc.

Acesta este motivul pentru care există diferențe de presiune deosebit de mari în ultimii 10-15 m atunci când urcați, ceea ce poate duce la răniri chiar și atunci când urcați prea repede sau țineți respirația!

După cum puteți vedea, presiunea dublează primii 10 m la coborâre sau înjumătățește ultimii 10 m la ascensiune, adică cu un factor de 2.
Dacă urcați de la 20 la 10 m, presiunea se reduce cu 1/3,
Dacă urcați de la 30 la 20 m, presiunea se reduce cu 1/4 etc.
Acesta este motivul pentru care există diferențe de presiune deosebit de mari în ultimii 10-15 m atunci când urcați, ceea ce poate duce la accidentări chiar și atunci când urcați prea repede sau țineți respirația!

1.2.3 Presiunea parțială a gazului (Legea lui Dalton)

Presiunea crește odată cu creșterea adâncimii. Dar nu numai asupra noastră, ci și asupra amestecului de gaze inhalate din corp. Presiunea nu are doar o influență asupra amestecului total de gaze, ci și asupra tuturor gazelor conținute în acesta. La suprafața apei (1 bar presiune) presiunile parțiale din amestecul de gaze sunt similare cu procentul volumic al gazului respectiv, adică:

proporție de

presiune

total

1,00 bar

Odată cu creșterea presiunii apei, crește și presiunile parțiale, și anume prin factorul presiunii crescânde:

Adâncime de imersiune: 30 m ➡ presiune: 4 bar

gaz

proporție de

presiune

factură

Presiune parțială

Oxigen (O2)

Azot (N2)

odihnă

  • Conform presiunii parțiale, un gaz este, de asemenea, dizolvat în sânge (legea lui Henry).
  • Se poate observa că la adâncimi mai mari, este absorbit mult mai mult azot. Dacă a existat o anumită cantitate de sânge pe suprafața apei, de ex. 21 de molecule de O2 și 78 de molecule de N2, (adică doar 57 de molecule N2 în plus) s-au dizolvat, apoi la o adâncime de 30 m ar fi 84 de molecule de O2 și 312 molecule de N2 (adică doar 228 molecule N2 mai mult).
  • Pentru a descompune în siguranță orice molecule de O2 „stocate”, este necesară o rată lentă de ascensiune (mai mică de 10 m pe minut) și decompresie sau opriri de siguranță. De asemenea, scafandrii tehnici folosesc diferite amestecuri de gaze în timpul scufundării pentru a evita saturația excesivă cu O2 și N2.
  • Peste 71 m, aerul comprimat are o presiune parțială de O2 de 1,7 bari, peste care oxigenul are un efect toxic (de exemplu, crize epileptice).

1.3 Presiune și volum: legea Boyle și Mariotte

Legea lui Boyle și Mariotte exprimă interacțiunea dintre Presiune (p) și Volum (V) a unui gaz.
Odată cu creșterea presiunii, gazul este comprimat și, prin urmare, mai mic (adică p * V = constant).

Acest lucru dă legea lui Boyle și Mariotte:

Cu asta modificare a volumului atunci când presiunea se schimbă (și invers).

  • Adâncime: 15m, volumul plămânilor este de 6 litri.
  • Există o urcare la o adâncime de 5 metri.
  • La ce volum se extinde aerul din plămâni?

p1 = 2,5 bari (15 m adâncime apă) și V1 = 6 l
p2 = 1,5 bar (5 m adâncime apă). V2 = dorit
p1 * V1 = p2 * V2 ➡ împarte ambele părți ale ecuației cu p2
(p1 * V1)/p2 = V2 ➡ introduceți numerele
V2 = (2,5 bar * 6 l)/1,5 bar
V2 = 10 l

Volumul s-a extins la 10 litri. Deoarece plămânii sunt greu flexibili, ar fi fost deteriorați (ruptura pulmonară) dacă scafandrul nu ar fi expirat în timpul ascensiunii!
Prin urmare, aerul pe care îl respiri trebuie întotdeauna expirat la urcare.
Nu-ți ține niciodată respirația!

1.4 Presiunea și temperatura

1.4.1 Legea lui Gay-Lussac

Odată cu creșterea presiunii, un gaz se încălzește, cu scăderea presiunii, un gaz se răcește.
(p/T = constantă)

Legea lui Gay-Lussac:

Se calculează cu T = Kelvin.
Pentru a converti grade Celsius și Kelvin, se aplică următoarele:

    T [Kelvin] = grade [o Celsius] + 273

Grad [o Celsius] = T [Kelvin] - 273

Scafandrul „normal” are nevoie de lege mai presus de toate. pentru 2 lucruri:

  • La umplerea sticlei, sticla se poate încălzi foarte mult.
  • Dacă în apa rece există mult consum de aer, aerul se poate răci atât de mult, încât regulatorul îngheață.

1.4.2 Efectul Joule-Thomson

Efectul Joule-Thomson descrie efectul că gazele nu se mai comportă ca „normale” (gaze „ideale”) la presiuni foarte mari (și acest lucru este deja ușor cu cilindrii de scufundare la 200 bar, și chiar foarte mult la 300 bar) La temperaturi scăzute, interacțiunile apar între moleculele de gaz, ceea ce determină moleculele de gaz să „se lipească” și efectele de lichefiere (legea lui Gay-Lussac se bazează pe gazele ideale și nu ia în considerare aceste efecte).

(macabru) sarcină pentru profesionistul avansat:

(Mulțumesc lui Dirk „Kaleu” pentru sugestie)

Un submarin nuclear se aruncă la o adâncime de 2000 m. Toate pereții sunt deschise.
Dintr-o dată pereții etanși ai torpilei se sparg în prova și barca curge brusc plină de apă.
Întrebare: Cum moare mașinistul în pupa submarinului?

p1/T1 = p2/T2 urmează: T2 = (p2 * T1)/p1
p1 = 1 bar (înainte), T1 = 20 O C (înainte) = 293 K, p2 = 201 bar (după)
T2 = (201 bar * 293 K)/1 bar
T2 = 58893 K = 58620 O C

Arde în cenușă la 50.000 - 60.000 OC. (înainte să se ude).
(Prin urmare, chiar și ca non-scafandru, ar trebui să cunoaștem legea lui Gay-Lussac.)
(PS: pentru sceptici: chiar dacă ar fi fost mai rece sau mai cald în submarin în prealabil sau dacă submarinul nuclear ar fi fost doar la o adâncime de 1000 de metri, atunci presiunea ar fi generat totuși o temperatură de aproximativ 30.000 OC, ceea ce este suficient .

PSS: pentru reclamanți:

  • 500 m: aproximativ 15.000 O C,
  • 250 m: aproximativ 7.500 O C,
  • 100 m: aproximativ 3.000 O C [încă suficient]

1,5 gaze în lichide

1.5.1 Rolul gazelor în organism

azot N2 nu este (greu) implicat în procesele din corp. Prin urmare, se mai numește și „gaz inert”. Este eliberat de presiunea parțială predominantă în sânge, adică La presiune externă ridicată este „presat” în lichid (sânge) până se ajunge la o stare de echilibru. Cu cât presiunea externă mai mare are timp să acționeze (pentru a stabili o stare de echilibru), cu atât mai mult azot poate fi dizolvat (de unde și timpul de decompresie mai lung la scufundări lungi și profunde).

Dacă presiunea externă scade, azotul scapă din nou din sânge. Dacă presiunea scade brusc, azotul poate face bule (moleculele N2 se lipesc împreună) - un efect cunoscut din sticlele de sodă. Bulele din sânge pot înfunda vasele și capilarele (importante) și astfel pot deteriora țesutul afectat (din cauza aprovizionării insuficiente) sau poate cauza moartea acestuia.

oxigen O2 este esențială pentru menținerea funcțiilor corpului. 97% din acesta este legat în sânge de hemoglobina eritrocitelor (celule roșii din sânge) și astfel transportat la organele din corp. Doar o mică proporție de 3% este dizolvată în sânge. La locul său de consum, oxigenul este contracarat Dioxid de carbon CO2 schimbat. 70% din dioxidul de carbon se difuzează în eritrocite (celule roșii din sânge) și în proteinele din sânge. Doar o mică parte este dizolvată în sânge. Dioxidul de carbon este transportat în plămâni și expirat prin alveole (alveole). Astfel, aportul de oxigen și dioxid de carbon nu este dizolvat în sânge, ci legat aproape complet (chimic).

  1. Gazele de genul CO monoxid de carbon sunt atât de periculoase, deoarece se leagă „mai puternic” de celulele roșii din sânge (oxigenul este eliberat și monoxidul de carbon) este legat. În plus, este nevoie de foarte mult timp (chiar și după ce nu se mai inhalează monoxid de carbon) pentru ca monoxidul de carbon să fie „eliberat” de celulele roșii din sânge. Prin urmare, corpul nu mai poate fi alimentat cu suficient oxigen și apare inconștiența și/sau moartea.
  2. gaze nobile (Aceasta include, în cea mai mare parte, gazele reziduale de 1% din respirație) se comportă în mare măsură ca azotul și nu sunt implicate în funcțiile corpului).

1.5.2 Legea lui Henry

Gazele se dizolvă în lichide, dar acest lucru necesită timp. Dacă lichidul este saturat, gazele dizolvate în lichid sunt direct proporționale cu raportul presiunilor parțiale ale gazului de pe suprafața acestuia. Sau mai simplu: gazele se dizolvă în sânge în aceeași proporție cu care apar în amestecul respirator.