Ирландский химик Роберт Бойль (1627-1691) отметил, что при постоянной температуре объём газа обратно пропорционален оказываемому на него давлению. Это утверждение известно, как закон Бойля. Основываясь на законе Бойля, мы можем сделать вывод, что путем изменения давления газа, а, следовательно, и его плотности, мы можем заполнить ёмкость с неизменяемым объёмом большим количеством газа под давлением. Например, баллон для погружений может содержать разное количество газа, несмотря на то, что имеет постоянный объём. Постоянным фактором в законе Бойля является температура, однако существует прямая связь между температурой и объёмом.
Французский физик Жак Шарль заметил, что при заданном давлении температура увеличивается пропорционально увеличению объёма. Гей-Люссак, другой французский физик, позднее отметил, что давление также прямо пропорционально температуре. Вместе эти законы объясняют, почему давление в оставленном на солнце баллоне будет расти, а также почему баллон нагревается при забивке. Поскольку баллоны для дайвинга твёрдые, мы не видим чтобы они расширялись при увеличении давления. Они просто становятся тёплыми, так как движение молекул происходит ближе относительно друг друга. И наоборот, при опустошении баллона давление и объём уменьшаются, и он остывает. Эти, зависящие от давления, объемные изменения газов, являются причиной, по которой дайверы должны во время погружений строго соблюдать запланированные глубину и время.
Для иллюстрации этих газовых законов, мы можем рассмотреть изменения, происходящие с пластиковой бутылкой, помещённой под растущее давление воды. Ваш инструктор SNSI может продемонстрировать это для вас при помощи прозрачной пластиковой литровой бутылки. Открыв крышку и держа бутылку вертикально донышком вверх, ваш инструктор войдёт в воду и погрузит бутылку. По мере возрастания давления в процессе погружения, вода будет постепенно проникать в бутылку из-за того, что воздух внутри будет сжиматься. На глубине 10 метров вода будет занимать половину общего объёма бутылки. Это произойдёт потому, что на глубине 10 метров бутылка будет находиться под давлением, увеличившимся ровно в два раза.
В соответствии с законом Бойля, объём обратно пропорционален давлению. В нашем случае давление в два раза выше обычного, следовательно, внутренний объём бутылки уменьшится в два раза, а давление внутри бутылки будет равно давлению снаружи. Если ваш инструктор продолжит погружаться, уровень воды в бутылке продолжит расти. На глубине 20 метров бутылка будет находиться под давлением в три раза большим, чем на поверхности. Следовательно, мы можем предположить, что уровень воды поднимется и займёт две трети пространства, оставив только одну треть для газа внутри. Если продолжить погружение до 30 метров, то бутылка заполнится водой на три четверти, сжав газ до одной четверти от общего объёма.
Когда инструктор будет всплывать, снова держа вертикально перевёрнутую вверх дном бутылку, мы увидим понижение уровня воды вследствие снижения давления и расширения газа внутри.
Вернувшись на глубину 10 метров, инструктор вернёт крышку на место и продолжит всплытие. В процессе его всплытия, бутылка станет очень твёрдой и может немного увеличиться в объёме. Если бутылка не лопнет к моменту, когда инструктор достигнет поверхности, давление газа внутри неё будет составлять две атмосферы, то есть в два раза больше, чем когда инструктор закрыл её на 10 метрах. Менее жёсткая ёмкость при тех же самых условиях увеличится вдвое по сравнению со своим обычным размером, пока давление не вернётся к норме.
Другая практическая демонстрация изменений объёма может быть проведена с помощью теннисного мячика. Поскольку мяч представляет собой герметичную полуэластичную ёмкость, он будет сжиматься пропорционально действующему на него давлению. Во время этого упражнения, на глубине около 20 метров мяч неожиданно сожмётся, а на 30 метрах он будет выглядеть полностью спущенным – так произойдёт потому, что воздух внутри сожмётся до одной четверти от изначального объёма. По мере всплытия на поверхность будет наблюдаться обратный эффект. Давление понизится и газ внутри расширится. После возвращения на поверхность, мяч примет свой прежний размер.
Понимание того, что такое плотность, как связаны с ней температура, давление и объём, а также их воздействие на жёсткие и эластичные ёмкости, чрезвычайно важны для дайверов. Всё это лежит в основе прямого и косвенного влияния давления на дайвера, и диктует шаги, необходимые для того, чтобы противодействовать физиологическим изменениям.
Закон Дальтона
Газ, вдыхаемый дайвером, представляет собой смесь нескольких газов, составляющих целое. Воздух состоит приблизительно из 78 процентов азота, 21 процента кислорода и одного процента остаточных газов, таких как аргон, углекислый газ и водяной пар. Для наших целей мы будем считать, что в воздухе 21 процент кислорода и 79 процентов азота. Дайвер, дышащий воздухом или найтроксом, всегда будет дышать двумя основными газовыми компонентами – кислородом и азотом. Что изменится - это процентное соотношение двух газов в дыхательной смеси.
Закон Дальтона гласит, что общее давление смеси газов равно сумме парциальных давлений каждого из газов, составляющих эту смесь. Парциальное давление – это давление, каждого отдельного газа, входящего в смесь. Возьмём для примера воздух: на уровне моря мы вдыхаем воздух при давлении в одну атмосферу, что эквивалентно 1 bar. Кислород составляет 21 процент воздуха, а точнее, 0,21 х 1 atm = 0,21 bar. Азот составляет 79 процентов или 0,79 х 1 atm = 0,79 bar.
Регулятор для дайвинга подаёт газ из баллона под давлением, равным давлению окружающей среды. Это означает, что на глубине дайвер вдыхает воздух под таким же давлением, под каким находится сам. Таким образом, дайвер на глубине 10 метров находится под увеличившимся в два раза давлением и вдыхает газ из баллона под давлением, тоже увеличившимся в два раза. При том, что процентное соотношение кислорода и азота в баллоне с воздухом остаётся прежним, количество, которое вдыхает дайвер, увеличивается вдвое. Опять же, используем воздух в качестве примера: дайвер вдыхает 21 процент кислорода на 10 метрах, то есть при двойном давлении 0,21 х 2 = 0,42 bar. Парциальное давление азота на этой глубине также увеличится вдвое: 0,79 х 2 = 1,58 bar. Вместе оба газа оказывают давление 2 bar, что соответствует абсолютному давлению на глубине 10 метров.
Основываясь на законе Дальтона, можно сказать, что парциальное давление газа в смеси равно давлению, которое будет оказываться, как если бы он занимал тот же объём, что и вся смесь газов. Эта концепция формирует основу для понимания того воздействия, которое оказывается при дыхании сжатым газом под водой (повышенное давление окружающей среды).
Литература
Advanced Open Water Diver [2016]
