Φυσική – Νόμοι Αερίων

Ο αέρας που αναπνέουμε αποτελείται κυρίως από Οξυγόνο (21%) και Άζωτο (79%). Ομοίως και η σύσταση του αέρα που αναπνέει ο αυτοδύτης όταν οι φιάλες του πληρούνται με αέρα – και αυτό ισχύει στη πλειονότητα των καταδύσεων. Αυτό που αλλάζει κατά την κατάδυση είναι η ΠΙΕΣΗ του περιβάλλοντος χώρου που ασκείται στο δύτη και στα συστήματά του (αύξηση ~ 1 Ατμόσφαιρας (ΑΤΑ) κάθε 10 μέτρα βάθος σε θαλασσινό νερό). Οι μεταβολές της πίεσης αλλά και ο ρυθμός αυτών των μεταβολών είναι οι καθοριστικοί παράγοντες της φυσιολογίας της κατάδυσης. Η κατανόηση της συμπεριφοράς των αερίων σε μεταβολές της πίεσης είναι σημαντική και προσφέρει την εξήγηση των διαταραχών που μπορεί να εμφανιστούν από την κατάδυση. Δίνει όμως και τη βάση για τρόπους αντιμετώπισης και (κυρίως) πρόληψης αυτών των προβλημάτων, κάνοντας την κατάδυση ασφαλέστερη.

Ας δούμε όμως μερικές από τις αλλαγές που εμφανίζονται υποβρυχίως κάνοντας αναφορά και στους νόμους των αερίων.

Ως Πίεση ορίζεται η δύναμη που ασκείται ανά μονάδα επιφάνειας. Η Πίεση είναι ο κύριος περιβαλλοντολογικός παράγοντας που δέχεται ο δύτης και συντίθεται από δύο στοιχεία : α) την πίεση λόγω της στήλης ύδατος (Υδροστατική Πίεση), β) την πίεση που ασκεί ο αέρας πάνω από το νερό (Ατμοσφαιρική Πίεση). Κύριες μονάδες μέτρησης της πίεσης είναι : Atm-Psi-mmHg-Torr-msw-fsw-bars-Pascal. Η Ατμοσφαιρική Πίεση θεωρείται ότι είναι σταθερή και ίση με 760mmHg (1Atm) στην επιφάνεια της θάλασσας. Η Υδροστατική Πίεση αυξάνει γραμμικά σε συνάρτηση με το βάθος κατά 1 Atm κάθε 10,08 μέτρα ή κάθε 33,07 πόδια (κατά προσέγγιση κάθε 10msw ή 33fsw).

Η πίεση και οι μεταβολές της παίζουν τόσο μεγάλο ρόλο και επηρεάζουν τη φυσιολογία του ανθρώπινου οργανισμού σε τέτοιο βαθμό ώστε να αναφερόμαστε τελικά σε περιβάλλον αυξημένης πίεσης (υπερβαρικό) όταν μιλάμε για το υποθαλάσσιο περιβάλλον, το οποίο διέπεται από καλά γνωστούς και αποδεκτούς νόμους. Τα αέρια όταν βρίσκονται υπό πίεση μπορούν να αποθηκεύσουν μεγάλα ποσά ενέργειας. Επίσης, μικρές μεταβολές στην ποσοστιαία αναλογία των αερίων μεγιστοποιούνται όταν αυξάνεται η περιβάλλουσα πίεση, και η προκληθείσα φυσιολογική μεταβολή ποικίλει ευρέως. Συνεπώς, για την κατανόηση αυτών των επιδράσεων, απαιτείται γνώση αυτών των νόμων.

1. Ιδανικός νόμος των αερίων: Περιγράφει τη σχέση πίεσης-όγκου-θερμοκρασίας και αριθμού μορίων κάθε ιδανικού αερίου ( ή και μίγματος αυτών ).

PxV = nxRxT , όπου :

P = απόλυτη πίεση, V = όγκος, n = αριθμός μορίων αερίου, R = παγκόσμια σταθερά των αερίων, Τ = απόλυτη θερμοκρασία (°Κ), όπου °Κ = 273+°C.

Από αυτό το νόμο προκύπτουν κάποιοι από τους επόμενους, όταν αναφερόμαστε σε σταθερή ποσότητα αερίου ( οπότε n και Rσταθερές).

2.Νόμος του Boyle: Όταν η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή, ο όγκος του αερίου είναι αντιστρόφως ανάλογος προς την πίεση που ασκείται σ’ αυτό.

P1 xV1 = P2xV2 ή V2 = (P1xV1) / P2

Στην κατάδυση, αφού κάθε 10 μέτρα καθόδου αυξάνει η Απόλυτη Πίεση κατά 1 ΑΤΑ, σε βάθος 10 μέτρων ο όγκος γίνεται ο μισός του αρχικού(V1/2). Κάθοδος από τα 20 στα 30 μέτρα προκαλεί μεταβολή όγκου από V1/3 σε V1/4. Φαίνεται πως μεγαλύτερες μεταβολές όγκου συμβαίνουν στα πρώτα μέτρα της κατάδυσης και στα τελευταία της ανάδυσης.

3.Νόμος του Charles: Όταν ο όγκος μίας ποσότητας αερίου παραμένει σταθερός, τότε η πίεσή του μεταβάλλεται ανάλογα με τη θερμοκρασία του (ή αλλιώς αυξάνοντας την πίεση που ασκείται σε ένα αέριο το κάνει θερμότερο).

Ρ1/Τ1 = Ρ2/Τ2 ή Ρ2 = Ρ1 x Τ2/Τ1.

Μερική πίεση αερίων

Σε ένα μίγμα αερίων, η μερική πίεση ενός από τα αέρια ισούται με το κλάσμα που αντιστοιχεί στην συγκέντρωση του αερίου στο μίγμα επί τη συνολική πίεση.

PGAS= FGASxPB , όπου :

PGAS :μερική πίεση αερίου

FGAS : κλάσμα συγκέντρωσης (ποσοστό)

PB: απόλυτη πίεση = (D+10)/10 ,

άρα η μερική πίεση ενός αερίου σε αναπνευστικό μίγμα αερίων, σε βάθος D (σε μέτρα) ισούται με :

PGAS= FGASx(D+10)/10.

Παράδειγμα : Ποια είναι η μερική πίεση του Ο2 στον αέρα που αναπνέει κάποιος σε βάθος 30 μέτρα ;

*Fo2 = 0,21

Po2 = 0,21 x (30+10)/10 = 0,84 ATA

Συμπερασματικά η μερική πίεση του Ο2, αλλά και του Ν2, στον αέρα αυξάνουν καθώς αυξάνει το βάθος (καθώς και οποιουδήποτε άλλου αερίου που μπορεί να βρεθεί στο εισπνεόμενο μίγμα). Να τονιστεί πως το ποσοστό του καθενός αερίου ξεχωριστά μένει το ίδιο, αλλά η αύξηση της πίεσης (βάθους) έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του ποσού του κάθε αερίου που εισέρχεται στον οργανισμό.

4.Νόμος του Dalton: Η ολική πίεση σε ένα μίγμα αερίων ισούται με το άθροισμα των μερικών πιέσεων των αερίων που αποτελούν το μίγμα.

5.Νόμος του Pascal (επίδραση της πίεσης στα υγρά): Πίεση εξωτερικά εφαρμοζόμενη μεταβιβάζεται εξίσου σε όλους τους γεμάτους υγρό χώρους. Αυτός ο νόμος εξηγεί γιατί η υδροστατική πίεση δεν συνθλίβει το δύτη (το ανθρώπινο σώμα, πλην αεροφόρων κοιλοτήτων και οργάνων, είναι ένα σύνολο αγγειοβριθών-υδατοβριθών ιστών αποτελούμενο κατά 60% από ύδωρ).