Príručka potápača - 01 - Zákony o plyne
1.1 Zloženie vzduchu
1.1.1 Vdýchnutý vzduch
podiel
plyn
Poznámka: Presnejšie povedané, vo vzduchu je aj podiel vodnej pary. Je to napríklad pri 18 stupňoch Celzia a 60% rel. Vlhkosť približne 1,2 objemového percenta. Pretože súčet všetkých častí je vždy 100%, časti všetkých ostatných plynov zodpovedajúcim spôsobom klesajú.
1.1.2 Vydychovaný vzduch
podiel
plyn
1,2 tlaku
1.2.1 Tlak plynu
Tlak je definovaný ako sila v celej oblasti, to znamená sila (napr. Váha vody), ktorá pôsobí na určitý povrch (napr. Potápač). Jednotka tlaku je bar alebo aj v iných krajinách psi.
lekcia 1
2. blok
= 100 000 Pa (Pascal)
Kľúčové údaje BAR/PSI:
BAR
PSI
1.2.2 Tlak vody
Tlak na vodnú hladinu je cca. 1 bar.
Pod vodou tlak klesá každých 10 metrov 1 bar do.
hĺbka
Vodný tlak
Ako vidíte, prvých 10 m sa pri zostupe tlak zdvojnásobí, pri stúpaní sa posledných 10 m zníži na polovicu, t.j. o faktor 2.
- Ak pôjdete hore z 20 na 10 m, tlak sa zníži o 1/3.
- Ak vystúpite z 30 na 20 m, tlak sa zníži o 1/4.
- atď.
Preto sú v posledných 10 - 15 m pri stúpaní obzvlášť veľké tlakové rozdiely, ktoré môžu viesť k zraneniam aj pri príliš rýchlom stúpaní alebo zadržaní dychu.!
Ako vidíte, prvých 10 m sa pri zostupe tlak zdvojnásobí, pri stúpaní sa posledných 10 m zníži na polovicu, t.j. o faktor 2.
Ak pôjdete hore z 20 na 10 m, tlak sa zníži o 1/3,
Ak pôjdete hore z 30 na 20 m, tlak sa zníži o 1/4 atď.
Preto sú v posledných 10 - 15 m pri stúpaní obzvlášť veľké tlakové rozdiely, ktoré môžu viesť k zraneniam aj pri príliš rýchlom stúpaní alebo zadržaní dychu.!
1.2.3 Parciálny tlak plynu - (Daltonov zákon)
Tlak sa zvyšuje so zväčšovaním hĺbky. Ale nielen na nás, ale aj na zmes vdychovaných plynov v tele. Tlak má vplyv nielen na celkovú zmes plynov, ale aj na všetky plyny v nej obsiahnuté. Na vodnej hladine (tlak 1 bar) sú parciálne tlaky v zmesi plynov analogické s objemovým percentom príslušného plynu, t. J.:
podiel
tlak
Celkom
1,00 baru
So zvyšujúcim sa tlakom vody sa zvyšujú aj parciálne tlaky, a to faktorom zvyšujúceho sa tlaku:
Hĺbka ponorenia: 30 m➡ tlak: 4 bar
plyn
podiel
tlak
účet
Čiastočný tlak
Kyslík (O2)
Dusík (N2)
odpočívaj
- Podľa parciálneho tlaku sa plyn tiež rozpúšťa v krvi (Henryho zákon).
- Je vidieť, že vo väčších hĺbkach sa absorbuje nesmierne viac dusíka. Ak by sa napríklad v určitom množstve krvi na vodnej hladine rozpustilo 21 molekúl O2 a 78 molekúl N2, t.j. v hĺbke 30 m by to bolo 84 molekúl O2 a 312 molekúl N2 (t.j. iba 228 molekúl N2 viac.).
- Na bezpečné rozloženie všetkých „uložených“ molekúl O2 je nevyhnutná pomalá rýchlosť výstupu (menej ako 10 m za minútu) a dekompresné alebo bezpečnostné zastávky. Technickí potápači tiež používajú rôzne zmesi plynov počas ponoru, aby zabránili nadmernému nasýteniu O2 a N2.
- Stlačený vzduch má nad 71 m parciálny tlak O2 1,7 bar, nad ktorým má kyslík toxický účinok (napr. Epileptické záchvaty).
1.3 Tlak a objem: zákon Boyle a Mariotte
Zákon Boyle a Mariotte vyjadruje vzájomné pôsobenie medzi Tlak (p) a Objem (V) plynu.
So zvyšujúcim sa tlakom je plyn stlačený, a preto je menší (t. J. P * V = konštantný).
To dáva zákon Boyle a Mariotte:
S tým úprava objemu pri zmene tlaku (a naopak).
- Hĺbka: 15m, objem pľúc je 6 litrov.
- Nasleduje výstup do hĺbky 5 metrov.
- Na aký objem sa rozširuje vzduch v pľúcach?
p1 = 2,5 baru (hĺbka vody 15 m) a V1 = 6 l
p2 = 1,5 baru (hĺbka vody 5 m). V2 = chcel
p1 * V1 = p2 * V2 ➡ vydeľte obe strany rovnice p2
(p1 * V1)/p2 = V2 ➡ vložte čísla
V2 = (2,5 baru * 6 l)/1,5 baru
V2 = 10 l
Objem sa rozšíril na 10 litrov. Pretože pľúca sú ťažko pružné, mohli by sa poškodiť (roztrhnutie pľúc), keby potápač počas výstupu nevydychoval!
Preto pri výstupe musí byť vždy dýchaný vzduch.
Nikdy nezadržiavajte dych!
1.4 Tlak a teplota
1.4.1 Zákon Gay-Lussac
So zvyšujúcim sa tlakom sa plyn zahrieva, so zníženým tlakom sa plyn ochladzuje.
(p/T = konštantná)
Zákon Gay-Lussac:
Vypočíta sa s T = Kelvin.
Na prepočet stupňov Celzia a Kelvina platí toto:
-
T [Kelvin] = stupne [o Celzia] + 273
Stupeň [o Celzia] = T [Kelvin] - 273
„Normálny“ potápač potrebuje zákon na dve veci:
- Pri plnení fľaše môže byť fľaša skutočne horúca.
- Ak je v studených vodách veľká spotreba vzduchu, môže sa vzduch ochladiť natoľko, že regulátor zamrzne.
1.4.2 Joule-Thomsonov efekt
Joule-Thomsonov efekt popisuje efekt, že plyny sa už nesprávajú ako „normálne“ (ideálne „plyny“) pri veľmi vysokých tlakoch (a to je už ľahké s potápačskými valcami pri tlaku 200 bar, dokonca veľmi dobre aj pri tlaku 300 bar) Pri nízkych teplotách dochádza k interakciám medzi molekulami plynu, ktoré spôsobujú „zlepenie“ molekúl plynu a účinky skvapalňovania (zákon Gay-Lussaca je založený na ideálnych plynoch a tieto účinky nezohľadňuje).
(morbídna) úloha pre pokročilého profesionála:
(Ďakujem Dirkovi „Kaleuovi“ za návrh)
Jadrová ponorka sa ponorí do hĺbky 2 000 m. Všetky priedely sú otvorené.
Zrazu sa torpédové priedely prelomili v prove a čln bol zrazu plný vody.
Otázka: Ako zomiera strojník na korme ponorky?
p1/T1 = p2/T2 z toho vyplýva: T2 = (p2 * T1)/p1
p1 = 1 bar (predtým), T1 = 20 O C (predtým) = 293 K, p2 = 201 bar (po)
T2 = (201 bar * 293 K)/1 bar
T2 = 58893 K = 58620 ° C
Horí na popol pri 50 000 - 60 000 OC. (než zmokne).
(Preto aj ako potápač by ste mali poznať zákon Gay-Lussaca.)
(PS: pre skeptikov: aj keby bolo v ponorke predtým chladnejšie alebo teplejšie, alebo keby bola jadrová ponorka iba v hĺbke 1 000 metrov, potom by tlak stále vytvoril teplotu približne. čo je dosť .
PSS: pre sťažovateľov:
- 500 m: približne 15 000 ° C,
- 250 m: približne 7 500 ° C,
- 100 m: približne 3 000 O C [stále dosť]
1,5 plynov v kvapalinách
1.5.1 Úloha plynov v tele
dusík N2 nie je (ťažko) zapojený do procesov v tele. Preto sa mu hovorí aj „inertný plyn“. Uvoľňuje sa prevažujúcim parciálnym tlakom v krvi, to znamená, že sa „vtláča“ do tekutiny (krvi) pri vysokom vonkajšom tlaku, kým sa nedosiahne rovnovážny stav. Čím dlhšie má vyšší vonkajší tlak čas konať (na nastolenie rovnovážneho stavu), tým viac dusíka sa môže rozpustiť (tým pádom sú dlhšie dekompresné časy pri dlhých a hlbokých ponoroch).
Ak vonkajší tlak poklesne, dusík opäť unikne z krvi. Ak dôjde k silnému poklesu tlaku, môže dôjsť k prebublávaniu dusíka (molekuly N2 sa zlepia) - čo je známe z fliaš so sódou. Bubliny v krvi môžu upchať (dôležité) cievy a kapiláry a poškodiť tak postihnuté tkanivo (v dôsledku nedostatočného prísunu) alebo spôsobiť jeho smrť.
kyslík O2 je nevyhnutný na udržanie funkcií tela. Jeho 97% je viazaných v krvi na hemoglobín erytrocytov (červené krvinky) a tým sa transportuje do orgánov v tele. V krvi sa rozpustí iba malá časť 3%. V mieste spotreby je kyslík proti Oxid uhličitý CO2 vymenili. 70% oxidu uhličitého difunduje do erytrocytov (červené krvinky) a bielkovín v krvi. V krvi sa rozpustí iba malá časť. Oxid uhličitý sa transportuje do pľúc a vydychuje cez alveoly (alveoly). Zásoba kyslíka a oxidu uhličitého teda nie je rozpustená v krvi, ale je takmer úplne (chemicky) viazaná.
- Plyny ako Oxid uhoľnatý CO sú také nebezpečné, pretože sa „silnejšie“ viažu na červené krvinky (uvoľňuje sa kyslík a oxid uhoľnatý). Okrem toho trvá dlho (aj po tom, čo už nie je nadýchnutý žiadny oxid uhoľnatý), kým sa oxid uhoľnatý „uvoľní“ červenými krvinkami. Telo preto už nemôže byť zásobované dostatkom kyslíka a môže dôjsť k strate vedomia a/alebo smrti.
- Ušľachtilé plyny (To zahŕňa z väčšej časti 1% zvyškových plynov v dychu), ktoré sa správajú do značnej miery ako dusík a nie sú zapojené do žiadnych funkcií tela).
1.5.2 Henryho zákon
Plyny sa rozpúšťajú v tekutinách, ale to si vyžaduje čas. Ak je kvapalina nasýtená, plyny rozpustené v kvapaline sú priamo úmerné pomeru parciálnych tlakov plynu na jej povrchu. Alebo jednoduchšie: plyny sa rozpúšťajú v krvi v rovnakom pomere, v akom sa vyskytujú v dýchacej zmesi.