Kursy nurkowania

Prawa fizyczne przydatne (konieczne) przy nurkowaniu

Prawo ciśnień cząstkowych Daltona:

„Ciśnienie wywierane przez mieszaninę gazów jest równe sumie ciśnień wywieranych przez składniki mieszaniny, gdyby każdy z nich był umieszczany osobno w tych samych warunkach objętości i temperatury, jest ono zatem sumą ciśnień cząstkowych”.

W formie matematycznej można je wyrazić jako:

{\displaystyle p=\sum _{i=1}^{k}p_{i},}

gdzie:

p – ciśnienie w mieszaninie k-składnikowej w objętości  V i temperaturze {\displaystyle T,}

p_{i} – ciśnienie cząstkowe składnika i w tej samej objętości i temperaturze.

Prawo Archimedesa

Prawo Archimedesa głosi, że na ciało (częściowo lub całkowicie) zanurzone w płynie (cieczy, gazie lub plazmie) działa pionowa, skierowana ku górze siła wyporu {\displaystyle F_{\mathrm {w} },} której wartość jest równa ciężarowi płynu wypartego przez to ciało:

{\displaystyle F_{\mathrm {w} }=m_{\mathrm {p} }g=\rho _{\mathrm {p} }gV,}

gdzie: {\displaystyle m_{\mathrm {p} }} – masa wypieranego płynu, {\displaystyle \rho _{\mathrm {p} }} – gęstość płynu, g – ziemskie przyspieszenie grawitacyjne, V – objętość wypieranego płynu (równa objętości części ciała zanurzonej w płynie).

Siła wyporu jest wynikiem zasad i własności ciśnienia hydrostatycznego. Ciśnienie to rośnie wraz ze wzrostem głębokości w płynie, jest zatem większe u dołu zanurzanego ciała niż w górnej jego części. W związku z tym siła parcia płynu działająca na dolne części ciała ma większą wartość niż siła działająca na górne jego części. Wypadkowa tych sił daje siłę wyporu {\displaystyle F_{\mathrm {w} }}

Prawo podziału Nersta

Układ krążenia i oddechowy jest odpowiedzialny za wyminę gazową w organizmie, krew transportuje nie tylko tlen i dwutlenek węgla, ale wszystkie gazy, które znajda się w płucach. Krew rozprowadza gazy po wszystkich tkankach organizmu do czasu ustalenia się równowagi między krwią a tkanką.

Stan równowagi określa prawo podziału Nernsta, które brzmi.

Jeżeli do układu zawierającego dwie nie mieszające się ciecze dodamy substancję, która się w nich rozpuszcza (gaz), to stosunek stężeń substancji rozpuszczonej w obu cieczach będzie wartością stałą w określonej temperaturze.

W fizjologii nurkowania stosuje się współczynniki ustalone dla fazy wodnej (krew) i olejowej (tkanki) przy temperaturze 37°C. Im współczynnik podziału olej/woda jest mniejszy, tym stan równowagi jest szybciej osiągnięty. Współczynnik podziału olej/woda dla poszczególnych gazów wynosi:

  • tlen (O2)-4,86,
  • azot (N2)-5,2,
  • helu (He)-1,7,
  • wodoru (H)-3,0.

Z przedstawionych zależności wynika jasno, nasycenie tkanek helem nastąpi znacznie szybciej niż azotem.

Prawo Henryego

Stężenie rozpuszczonego gazu C  znajdującego się w równowadze z fazą gazową jest wprost proporcjonalne do ciśnienia P wywieranego przez ten gaz. Oznacza to, że jeżeli wzrasta ciśnienie gazu na styku z cieczą, to wzrasta ilość rozpuszczonego gazu w cieczy.

lub prościej

Rozpuszczalność gazu C w cieczy rośnie proporcjonalnie do ciśnienia gazu będącego w kontakcie z cieczą (i oczywiście od współczynnika "k", charakterystycznego dla danego gazu).

C=k*P

gdzie:

  • C - stężenie rozpuszczonego gazu
  • k - wsp. rozpuszczalności gazu
  • P - ciśnienie

Zmiany ciśnienia powodują określone konsekwencje. Nasycanie zwiększa się, kiedy ciśnienie rośnie, kiedy spada nadmiar gazu musi się wydzielić. Gaz znajdujący się w stanie przesycenia, wydziela się z cieczy pod postacią pęcherzyków gazowych, które są odpowiedzialne za powstawanie choroby dekompresyjnej.

Nasycanie nazywamy saturacją, odsycanie desaturacją. Oba procesy są niezmiernie ważne z punktu widzenia teorii dekompresji.

Efekt Joule’a-Thomsona

Efekt Joule’a-Thomsona – zmiana temperatury gazu rzeczywistego podczas izentalpowego rozprężania gazu przez porowatą przegrodę (dławienie) z obszaru o wyższym ciśnieniu do obszaru o ciśnieniu niższym. Dla gazu idealnego temperatura nie ulega zmianie, dla gazów rzeczywistych w zależności od gazu i jego warunków może następować wzrost lub spadek temperatury.

Zmiana temperatury jest zależna od tzw. współczynnika Joule’a-Thomsona:

  {\displaystyle \mu =\left({\frac {\partial T}{\partial p}}\right)_{H}={\frac {1}{nC_{p}}}\left[T{\left({\frac {\partial V}{\partial T}}\right)_{p}}-V\right],}

gdzie:

n – liczba moli gazu,

C_p – ciepło molowe gazu,

H – entalpia.

Gdy \mu jest ujemny, temperatura gazu w procesie Joule’a-Thomsona rośnie, zaś dla dodatniego \mu temperatura maleje. W przypadku gazu doskonałego, współczynnik Joule’a-Thomsona jest tożsamościowo równy zeru. Zależności te prezentuje poniższa tabela:

Znak współczynnika Zakres temperatur Zmiana temperatury Uwagi
{\displaystyle \mu >0} niskie {\displaystyle \Delta T<0} tzw. dodatni efekt
{\displaystyle \mu <0} wysokie {\displaystyle \Delta T>0}

tzw. ujemny efekt

Efekt Venturiego

Efekt Venturiego można wyjaśnić w oparciu o prawo Bernoulliego i równanie ciągłości przepływu. Prawo Bernoulliego mówi, że dla gazu doskonałego suma ciśnień statycznego i dynamicznego jest wartością stała.

Jeżeli w pewnym miejscu kanału, w którym z prędkością v przemieszcza się płyn (gaz lub ciecz), znajduje się przewężenie (zwężka) o znacznie mniejszym przekroju, to nastąpi zwiększenie prędkości przepływu i spadek ciśnienia. Na podstawie różnicy ciśnień możemy obliczyć wielkość przepływu - jest to najbardziej powszechne zastosowanie zwężki Venturiego.

Inne zastosowanie zwężki to możliwość wytworzenie podciśnienia dzięki zmienieniu prędkości strugi wypływającego gazu. I właśnie ten efekt stosuj e się w drugich stopniach automatów oddechowych - efekt wspomagania.

Prawo Boyle’a-Mariotte’a

zwane też (głównie w krajach anglosaskich) prawem Boyle’a, a prawem Mariotte’a we Francji, zostało ogłoszone w 1662 r. przez brytyjskiego naukowca Roberta Boyle’a, a niezależnie od niego w 1676 r. przez Francuza Edme'a Mariotte’a. Prawo to dotyczy zachowania gazu doskonałego w przemianie izotermicznej:

„W stałej temperaturze objętość V danej masy gazu jest odwrotnie proporcjonalna do jego ciśnienia p.

W formie matematycznej można to przedstawić jako:

{\displaystyle pV=const}

lub

{\displaystyle V\sim {\frac {1}{p}}.}

Ztego prawa wynika, że jeżeli np. balonik ma na powierzchni (pod ciśnieniem 1atm) objętość V, to redukuje się ona wraz ze zwiększaniem głębokości: 10m - 1/2V; 20m -1/3V, 30m - 1/4V itd.. 

Prawo Boyle’a-Mariotte’a stanowiło jedną z przesłanek do wyprowadzenia równania stanu gazu doskonałego znanego jako równanie Clapeyrona.

Dla gazów rzeczywistych ze względu na oddziaływania międzycząsteczkowe oraz niezerową objętość własną cząsteczek gazu (cząsteczki gazu doskonałego są punktowe) prawo to nie może być spełnione.