AquaTec Φυσική των Καταδύσεων

Transcript

1 Σημειώσεις για τα σχολεία Τεχνικής Κατάδυσης 1.1 AquaTec Φυσική των Καταδύσεων Βασικές έννοιες και Αρχές Νίκος Καρατζάς

2 Προειδοποίηση: Το υλικό που παρουσιάζεται παρακάτω δεν πρέπει να θεωρηθεί εγχειρίδιο ή οδηγός κατάδυσης και σε καμία περίπτωση δεν αντικαθιστά τoν εκπαιδευτή Τεχνικής Κατάδυσης. Η χρήση των πληροφοριών που εμπεριέχονται στη παρουσίαση αυτή, από άτομα χωρίς την κατάλληλη εκπαίδευση, θεωρητικές γνώσεις και καταδυτική εμπειρία μπορεί να προκαλέσουν επιπλοκές και σοβαρά ατυχήματα. H σχολή κατάδυσης AquaTec καθώς και ο δημιουργός της παρουσίασης αυτής, δεν φέρουν ούτε αναλαμβάνουν καμία ευθύνη. Η χρήση του συνόλου των πληροφοριών που ακολουθούν γίνεται με δική σας ευθύνη. 2 Περιεχόμενα Φυσική...3 Πίεση.. 3 Όγκος....3 Θερμοκρασία 3 Nόμος του Boyle Νόμος του Charles Ο νόμος του Gay-Lussac Καταστατική εξίσωση Ιδανικών Αερίων Καταδυτικά Αέρια.7 Ατμοσφαιρικός Αέρας.7 Οξυγόνο.7 Άζωτο..8 Ήλιο 8

3 3 Φυσική και Φυσιολογία των Καταδύσεων Βασικές έννοιες και αρχές 1 Τα υγρά θεωρούνται ασυμπίεστα και όποια πίεση εφαρμοστή σε αυτά δεν προκαλεί μεταβολή του όγκου. Η εξωτερική πίεση που ασκείται σε έναν όγκο υγρού, μεταδίδεται αυτούσια σε όλα τα σημεία του. Αυτός είναι ο νόμος Pascal. Τα αέρια είναι συμπιεστά ενώ τα υγρά είναι πολύ λιγότερο συμπιεστά. Το νερό θεωρείται πρακτικά ασυμπίεστο για τις εφαρμογές μηχανικής (απαιτούνται 200 atm για να μειωθεί ο όγκος του κατά 1%) Το ανθρώπινο σώμα θεωρείται σαν ένα σύστημα υγρών. Έτσι, κατά τη βύθιση του σώματος στο νερό η πίεση που ασκείται είναι παντού η ίδια. Δεν συμβαίνει το ίδιο και με τα αέρια. Οι μεταβολές από τις αλλαγές της πίεσης και της θερμοκρασίας επηρεάζουν και μεταβάλουν τον όγκο τους. Οι όποιες μεταβολές παρουσιάζονται διέπονται από τους νόμους των αερίων και συνδέουν τις μακροσκοπικές μεταβλητές των αερίων (πίεση, όγκο, θερμοκρασία) Πίεση όγκος - θερμοκρασία «Αέριο ορίζεται το ρευστό εκείνο το οποίο δεν έχει δικό του σχήμα ούτε όγκο αλλά καταλαμβάνει το σχήμα και τον όγκο του δοχείου στο οποίο περιέχεται.» Πίεση Pressure (P) Η Πίεση είναι η δύναμη που ασκείται στη μονάδα της επιφάνειας ενός υλικού και ορίζεται ως το πηλίκο της ασκούμενης δύναμης που δρα σε μία επιφάνεια δια του εμβαδού της επιφάνειας αυτής. P= (F = δύναμη, S = επιφάνεια). Η πίεση του ιδανικού αερίου κατά τη κινητική θεωρία οφείλεται στις κρούσεις των μορίων του με τα τοιχώματα του δοχείου που τα περιέχει. Στο επίπεδο της θάλασσας η ατμοσφαιρική πίεση ισούται με 1029 mb ή 1.03 kg/cm 2 ή 1 atm. Αυτή είναι και η μέγιστη τιμή ατμοσφαιρικής πίεσης, γιατί ο αέρας που βρίσκεται κοντά στην επιφάνεια της γης συμπιέζεται από την μάζα του αέρα που βρίσκεται ψηλότερα. Η απόλυτη πίεση atmosphere absolute (ΑΤΑ) είναι το άθροισμα της υδροστατικής και της ατμοσφαιρικής πίεσης.

4 Όγκος Volume (V) 4 Όγκος, είναι μια ένδειξη ποσότητας για το πόσο χώρο καταλαμβάνει ένα αντικείμενο. Ειδικό βάρος ενός αερίου στο μετρικό σύστημα είναι το βάρος σε kg που έχει 1 m 3 του αερίου. Ειδικός όγκος ενός αερίου στο μετρικό σύστημα είναι ο όγκος σε m 3 που καταλαμβάνει 1 kg βάρους του. Το ειδικό βάρος και ο ειδικός όγκος των αερίων δεν είναι σταθερά όπως συμβαίνει στα στερεά και υγρά σώματα μεταβάλλονται και εξαρτώνται πάντοτε από τη πίεση και τη θερμοκρασία Πυκνότητα (ρ) Η πυκνότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος και ορίζεται ως το πηλίκο της μάζας του ανά μονάδα όγκου ρ=. Στα αέρια η πυκνότητα μεταβάλλεται όταν αλλάζει η πίεση ή/και η θερμοκρασία. Θερμοκρασία Temperature (T) Η θερμοκρασία είναι ένα μέγεθος που συνδέεται με τη μέση κινητική ενέργεια των σωματιδίων ενός συστατικού. Δηλαδή πόση ενέργεια έχει ένα σωματίδιο στο αέριο. Πρέπει να γνωρίζουμε ότι σε οποιαδήποτε μεταβολή ενός ιδανικού αερίου, η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία. Δηλαδή αύξηση της θερμοκρασίας ενός αερίου σημαίνει ότι η εσωτερική ενέργεια του αερίου αυξάνεται και αντίστροφα. Σε υπολογισμούς που έχουν να κάνουν με τους νόμους των αερίων η θερμοκρασία πρέπει να είναι εκπεφρασμένη σε απόλυτους βαθμούς Κέλβιν (K) που είναι και η μονάδα μέτρησης της θερμοδυναμικής θερμοκρασίας στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων Φυσικών Σταθερών (S.I.) Σε θερμοκρασία Κέλβιν 273 C δηλαδή στο απόλυτο 0 δεν υπάρχει κίνηση μορίων Για να μετατρέψουμε τους βαθμούς Κελσίου σε Κέλβιν απλά προσθέτουμε 273. Παράδειγμα: Οι 32 βαθμοί Κελσίου πόσα Κ είναι; = 305 K Μονάδες Φυσικών Σταθερών (S.I) Ποσότητα Όνομα μονάδας Σύμβολο Ισοδύναμες μονάδες Θερμοδυναμική Θερμοκρασία Kelvin K Πίεση Pascal Pa N/m 2 Όγκος Κυβικό μέτρο m 3 Νόμοι των Αερίων

5 5 Nόμος του Boyle Για μια ορισμένη μάζα αερίου σε σταθερή θερμοκρασία, ο όγκος είναι αντίστροφος ανάλογος με την πίεση που ασκείτε στο αέριο αυτό. PV=σταθερό για Τ σταθερό P1 Χ V1=P2 Χ V2 Παράδειγμα: Έστω ότι έχουμε σε ασκό V=8L αερίου στην επιφάνεια δηλαδή σε πίεση P=1atm. Πόσο πρέπει να βυθίσουμε τον ασκό για να έχουμε όγκο αερίου μέσα σε αυτόν V=3L; Λύση: Από τον τύπο έχουμε: (1atm) Χ (8 L) = (x atm) Χ (3L) Λύνουμε ως προς Χ atm X atm = (1atm) Χ (8L) (3L) = 2.6 atm δηλαδή 16 μέτρα.

6 Νόμος του Charles - Νόμος ισόχωρης μεταβολής 6 Για συγκεκριμένη μάζα αερίου όπου η πίεση παραμένει σταθερή, ο όγκος είναι ανάλογος με την απόλυτη θερμοκρασία του. V T=σταθ. για P=σταθ. = Ο νόμος του Charles μας περιγράφει τη σχέση θερμοκρασίας, όγκου. Με τον παραπάνω τύπο κατανοούμε γιατί όταν αυξάνουμε την θερμοκρασία αυξάνεται και ο όγκος. Σε μια φιάλη της οποίας το σχήμα δεν μεταβάλλεται, η πίεση θα είναι ανάλογη με την θερμοκρασία. Παράδειγμα Έστω σε φιάλη έχουμε 1250L ατμοσφαιρικού αέρα και θερμοκρασία 21 Κελσίου. Ποιος θα είναι ο όγκος του αερίου στην φιάλη αν η θερμοκρασία αυξηθεί στους 40 Κελσίου; Λύση: Το πρώτο που πρέπει να κάνουμε είναι να μετατρέψουμε τους βαθμούς Κελσίου σε Κέλβιν. Απλά προσθέτουμε = 294 Κ και = 313 Κ Από τον τύπο έχουμε: 1250L 294K = xl 313K Λύνουμε ως προς xl xl = 1250L x313k =1330L 294K Άρα αν η θερμοκρασία αυξηθεί στους 40 ο όγκος του αερίου στη φιάλη θα αυξηθεί στα 1330L Ο νόμος του Gay-Lussac Η πίεση ενός αερίου σταθερού όγκου είναι ανάλογος με την απόλυτη θερμοκρασία του. P T= σταθερό για V= σταθερό = O νόμος του Gay-Lussac μας εξηγεί ότι αν αυξήσουμε την θερμοκρασία π.χ.(ήλιος), σε μια φιάλη με σταθερό όγκο η πίεση μέσα σε αυτή στη αυξηθεί και αντίστροφα. Παράδειγμα Έχουμε φιάλη με πίεση στα 210bar και θερμοκρασία 22 Κελσίου, σε επαφή της φιάλης με το νερό (θάλασσα) η θερμοκρασία πέφτει στους 16 Κελσίου. Ποια θα είναι η πίεση της φιάλης μετά την αλλαγή της θερμοκρασίας;

7 Λύση: Το πρώτο που πρέπει να κάνουμε είναι να μετατρέψουμε τους βαθμούς Κελσίου σε Κέλβιν K = 295K K = 289K Από τον τύπο έχουμε: 210bar 295K = P2 289K Λύνουμε ως προς P2 2= =205,7 295 Άρα η πίεση της φιάλης θα πέσει στα 206bar 7 Στο ανθρώπινο σώμα υπάρχουν αεροφόροι χώροι όπως οι πνεύμονες, το γαστρεντερικό σύστημα, οι παραρινικοί κόλποι. Οι χώροι αυτοί επηρεάζονται από τη μεταβολή της πίεσης και αντιδρούν σύμφωνα με τους νόμους των αερίων. Καταστατική εξίσωση Ιδανικών Αερίων Τους παραπάνω πειραματικούς νόμους, μπορούμε να τους συνοψίσουμε με τη σχέση: = σταθερά (για ορισμένη μάζα αερίου) Αν η σταθερά στην προηγούμενη σχέση είναι ανάλογη με την μάζα του αερίου, την γράφουμε σαν nr όπου n ο αριθμός των γραμμομορίων του αερίου και R είναι μια σταθερά που πρέπει να προσδιοριστεί για κάθε αέριο πειραματικά. Πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι σε χαμηλές πιέσεις και υψηλές θερμοκρασίες, το R έχει την ίδια τιμή για όλα τα αέρια η οποία είναι: 0,0821 L atm/mol K Μπορεί να πάρει και τις τιμές: R = 8,314J/mol K R=8,31 L kpa/mol K Το R ονομάζεται παγκόσμια σταθερά των αερίων. Έτσι η προηγούμενη σχέση γράφεται ως pv = nrt. Η σχέση αυτή ονομάζεται καταστατική εξίσωση των ιδανικών αερίων. H καταστατική εξίσωση είναι πιο ακριβής στα μονατομικά αέρια και σε καταστάσεις χαμηλών πιέσεων και υψηλών θερμοκρασιών. Δεν λαμβάνει υπόψη το μέγεθος των μορίων του κάθε αερίου καθώς και της εσω-μοριακές τριβές. (Van der Waals) Ιδανικό αέριο ορίζουμε το αέριο (που στην πραγματικότητα δεν υπάρχει) αυτό που υπακούει ακριβώς στην σχέση pv = nrt κάτω από οποιαδήποτε συνθήκες πίεσης, πυκνότητας και θερμοκρασίας.

8 Διάχυση 8 Διάχυση ή Παθητική μεταφορά χαρακτηρίζει την μετακίνηση των μορίων μιας ουσίας από περιοχές υψηλής συγκέντρωσης προς περιοχές μικρότερης συγκέντρωσης. Το μίγμα είναι αποτέλεσμα του φαινομένου της διάχυσης και προκύπτει από την ανάμιξη δυο ή και περισσότερων αερίων. Το αποτέλεσμα της διάχυσης είναι ένα μίγμα με ομοιόμορφη συγκέντρωση. Διαλυτότητα Διαλυτότητα ενός αερίου είναι η ικανότητα αυτού για το πόσο μπορεί να διαλυθεί μέσα σε ένα άλλο. Κατά προσέγγιση η διαλυτότητα ενός αερίου είναι ανάλογη προς την πίεση. Όσο πιο πολύ αυξάνεται η πίεση τόσο πιο μεγάλη διαλυτότητα του αερίου στο αίμα με αποτέλεσμα όσο πιο διαλυτό είναι ένα αέριο τόσο πιο μεγάλη θα είναι η συγκέντρωση του μέσα σε ένα κορεσμένο ιστό. Καταδυτικά Αέρια Ατμοσφαιρικός Αέρας Η Γη περιβάλλεται από στρώμα αερίων που ονομάζουμε ατμόσφαιρα και συγκρατείται λόγω βαρύτητας. Η Σύσταση της ατμόσφαιρας δεν είναι σταθερή, ποικίλει σε σύνθεση ανάλογα με την γεωγραφική περιοχή (Θερμοκρασία, υψόμετρο, εκπομπές ρύπων) Ο ατμοσφαιρικός αέρας περιέχει άζωτο, οξυγόνο, διοξείδιο του άνθρακα, νέον, αργό και άλλα αέρια σε μικρότερες ποσότητες. Η αναλογία των αερίων αυτών σε ξηρή (χωρίς υδρατμούς) ατμόσφαιρα παρουσιάζεται στον παρακάτω πίνακα.

9 9 Σύσταση Ατμοσφαιρικού Αέρα Αέριο Αναλογία Άζωτο (N2) % Οξυγόνο (O2) % Διοξείδιο του Άνθρακα 0.033% (CO2) Αργό (Ar) 0.934% Άλλα αέρια 0.01% Ο ατμοσφαιρικός αέρας σαν αναπνεύσιμο αέριο δημιουργεί προβλήματα όταν γίνεται χρήση αυτού σε βάθη πέρα των 40 μέτρων. Η αυξημένη πυκνότητα του αερίου έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση του έργου της αναπνοής που σαν συνέπεια έχει την μείωση ροής του αέρα στους αεραγωγούς,των μειωμένο αερισμό του δύτη και των μη επαρκή αερισμό των πνευμόνων. Οξυγόνο O 2 Διαλυτότητα = 0.11 Ναρκωτική δράση = 0.45 Mol.βάρος = 32 g/mol Το οξυγόνο είναι απαραίτητο για την ζωή αλλά προκαλεί τοξικές επιδράσεις όταν εισπνέεται σε μεγάλες πιέσεις. Οι περισσότεροι οργανισμοί προσλαμβάνουν οξυγόνο για την λειτουργία της κυτταρικής α- ναπνοής. Το οξυγόνο της ατμόσφαιρας που αναπνέουμε είναι σε μορφή μορίων. Το μόριο του Οξυγόνου είναι διατομικό αποτελείται από δύο άτομα (Ο 2 ). Είναι το πιο διαδεδομένο χημικό στοιχείο, αποτελώντας το 21% του αέρα που αναπνέουμε και το 47% w/w στο στερεό φλοιό της Γης. Είναι απαραίτητο στοιχείο για την καύση. Δεν είναι εύφλεκτο (δεν μπορεί να καεί). Έχει την ικανότητα να προκαλεί έκρηξη σε συγκεκριμένες συνθήκες. Το οξυγόνο είναι αέριο άχρωμο, άοσμο και άγευστο. Ανάλογα το ποσοστό οξυγόνου χαρακτηρίζεται το περιβάλλον σε: Νορμοξικό Οξυγόνο σε ποσοστό 18% - 21% Υπεροξικό - Οξυγόνο σε ποσοστό 23% Υποξικό - Οξυγόνο σε ποσοστό <18% Ανοξικό - Περιβάλλον όπου απουσιάζει το Οξυγόνο

10 10 Άζωτο N 2 Διαλυτότητα = Ναρκωτική δράση = 1 Mol. βάρος = 28 g/mol Είναι αέριο, άχρωμο, άοσμο και άγευστο. Η συγκέντρωση του αζώτου στον ατμοσφαιρικό αέρα είναι 78,084% και είναι απαραίτητο συστατικό όλων των ζωντανών οργανισμών. Βασικός ρόλος του αζώτου μέσα στον ατμοσφαιρικό αέρα είναι να διατηρεί σχετικά χαμηλή τη συγκέντρωση του οξυγόνου σε αυτή μειώνοντας έτσι τη δραστικότητά του με αποτέλεσμα όλες οι οξειδώσεις στη φύση, η καύση και η σήψη να προχωρούν με τη γνωστή μικρή φυσική τους ταχύτητα. Το άζωτο δεν είναι δηλητηριώδες αέριο αλλά μπορεί να προκαλέσει ασφυξία. Το εισπνεόμενο από τον άνθρωπο άζωτο κανονικά διαλύεται ελάχιστα στο αίμα. Κάτω όμως από αυξημένη πίεση, όπως στην κατάδυση, η διαλυτότητά του αυξάνεται. Έτσι, με την απότομη μείωση της πίεση π.χ. γρήγορη ανάδυση στην επιφάνεια μειώνεται η διαλυτότητα με αποτέλεσμα την δημιουργία φυσαλίδων αζώτου μέσα στο αίμα. Ήλιο He Διαλυτότητα = Ναρκωτική δράση = 5 Mol. βάρος = 4 g/mol Το ήλιο είναι αέριο άχρωμο, άοσμο, άγευστο και μη-τοξικό. Είναι το πιο αδρανές χημικό στοιχείο. Το ήλιο είναι εξαιρετικά ελαφρύ και δεν μπορεί να συγκρατηθεί από το βαρυτικό πεδίο της γης. Στην ατμόσφαιρα το βρίσκουμε μόνο σε ίχνη (5,24 ppm) Το ήλιο είναι το μοναδικό χημικό στοιχείο που ανακαλύφθηκε πρώτα έξω από τη γη. Έχει τη μικρότερη διαλυτότητα στο νερό από κάθε άλλο γνωστό αέριο Το ήλιο έχει την ιδιότητα να περνάει εύκολα πολύ λεπτά τριχοειδή αγγεία και σχισμές. Το ήλιο έχει τεράστια θερμική αγωγιμότητα και αυτός είναι ένας από τους λόγους που αποφεύγουμε την πλήρωση της στεγανής στολής με μίγματα που περιέχουν ήλιο. Στη γη το ήλιο υπάρχει σε μικρές συγκεντρώσεις στην ατμόσφαιρα. Σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις που φτάνουν μέχρι και το 7% ανευρίσκεται στο φυσικό αέριο από το ο- ποίο και παράγεται με κλασματική απόσταξη. Λόγω της πολύ μικρής διαλυτότητάς του στο νερό, χρησιμοποιείται για να μειώσει το ποσοστό του αζώτου σε καταδυτικά μίγματα.

11 11