1. Materia
"Materia" jest substancją, która tworzy wszechświat. Dane, zarówno fizyków, jak i chemików, identyfikują ponad 100 odrębnych składników materii. Te różne formy materii zwane są "pierwiastkami". Z około 100 pierwiastków 90 występuje w naturze, pozostałe są produkowane w laboratorium. Na poziomie najbardziej podstawowym wszystkie substancje, zarówno żyjące, jak i nieożywione złożone są z pierwiastków, w różnych proporcjach i kombinacjach.
Wg definicji pierwiastek jest substancją, która nie może być "rozłożona" w procesie chemicznym na substancje prostsze. Fundamentalną naturę pierwiastków przejrzyście obrazuje woda, złożona z dwóch pierwiastków: tlenu i wodoru. Poprzez różnorodne procesy chemiczne woda może być zredukowana do tych dwóch pierwiastków składowych, lecz żaden proces chemiczny nie może dalej zredukować tych elementów. Pierwiastki mogą być zmieniane bądź dekomponowane drogą rozszczepienia lub fuzji jądrowej, lecz wówczas nie zachowują właściwości pierwiastków. W rzeczywistości te procesy mogą tworzyć takie zasadnicze zmiany, że pierwiastek może stać się z materii energią, co jest zasadą energii atomowej. Tak więc pierwiastek jest najbardziej podstawową formą materii.
Pierwiastki zawierają atomy. Atom jest najmniejszą cząstką pierwiastka, wykazującą specyficzne cechy chemiczne tego pierwiastka. Słowo "atom" pochodzi z greckiego pojęcia "niepodzielności". Atomy są tak małe, że aby osiągnąć grubość kartki papieru musielibyśmy posłużyć się ich kilkunastoma milionami.
Atomy z kolei zawierają jeszcze mniejsze komponenty, ładunki ujemne - elektrony, ładunki dodatnie- protony oraz cząstki nie posiadające ładunków elektrycznych zwane neutronami.
Przyciąganie ładunków dodatnich i ujemnych zapewnia spójność atomu. Dodatkowo, ponieważ całościowa liczba protonów i elektronów jest równa (w atomach niezjonizowanych - o tym więcej szczegółów dalej) atom jako całość ma charakter elektrycznie neutralny. Neutrony i protony są zlokalizowane w centrum atomu, do czego odnosimy określenie "jądro". Protony zaopatrują jądro w ładunek dodatni, wokół którego krążą ujemnie naładowane elektrony, co nazywamy. "chmurą elektronową".
Pod względem wielkości średnica chmury elektronów jest 100,000 razy większa niż samego jądra. Można to zilustrować na przykładzie atomu wodoru: jeśli samo jądro miałoby wielkość pomarańczy, to średnica atomu miałaby około 6 km . Jednakże, ponieważ protony i neutrony są około 2000 razy cięższe od elektronów, jądro stanowi 99,9 % masy atomu.
Całkowitą liczbę cząstek w jądrze atomu wyraża masa atomowa. Inną wielkością jest liczba atomowa. Mówiąc ogólnie, jest to liczba protonów wewnątrz jądra, która rozróżnia poszczególne pierwiastki.. Niektóre atomy tego samego pierwiastka mogą mieć różne liczby neutronów, choć zawierają ta samą liczbę protonów. Te wariacje tych samych pierwiastków nazywamy izotopami.
Pod wpływem wielu czynników atomy łączą się wzajemnie w molekułę. Molekuły składają się z różnorodnych elementów określanych jako związek chemiczny. Molekuła jest najmniejszą częścią umiejącą zachowywać własności tego związku. Ponadto atomy tego samego pierwiastka czasami łączą się, by formować molekuły. Przykładem tego jest azot [Nitrogen], który tworzy dwuatomową molekułę gazową azota. Taka molekuła jest nazywana molekułą dwuatomową N2. Często wykazują one własności całkiem odmienne od pierwiastków, które je tworzą. Przykładem tego jest woda. Oba pierwiastki tego związku chemicznego; zarówno wodór jak i tlen w ich naturalnej postaci są gazami. Woda natomiast jest cieczą, substancją radykalnie różną od swych części elementarnych - gazów. Podobnie, elementy molekularne (tj. gaz azotowy) mogą zachowywać się różnie od tych samych elementów w postaci oddzielnych atomów.
Atomy, wchodzące w skład molekuł połączone są w związki chemiczne. Tworzenie się związków chemicznych związane jest z reakcją chemiczną. Związki chemiczna mogą tworzyć jedynie atomy z kompatybilną strukturą atomową. Kompatybilność ta zależy od konfiguracji elektronów atomu.
Elektrony okrążają jądro w określonych orbitach lub "powłokach", przy czym każda "powłoka" jest zdolna pomieścić jedynie określoną liczbę elektronów. O reaktywności pierwiastka decyduje konfiguracja elektronów na ostatniej (najdalszej) powłoce. Jeśli powłoka jest zapełniona, atom nie reaguje chemicznie. Takie pierwiastki nazywamy szlachetnymi ( przykładem jest tu He (hel) i N (azot). Inne pierwiastki mogą wchodzić w reakcje chemiczne, ale zawsze z określonymi komponentami. Najchętniej reagują z pierwiastkami mogącymi "uzupełnić" ich zewnętrzną powłokę elektronową. Tworzą wtedy wiązanie jonowe lub kowalencyjne. Typowym przykładem jest tu sól - chlorek sodu NaCl. Atom sodu posiada tylko jeden z 11 elektronów w zewnętrznej powłoce. Chlor zaś posiada prawie zapełnioną ( 7 elektronów z 8 możliwych) zewnętrzną powłokę. W tej sytuacji chlor "zabiera" jeden elektron od sodu i zapełnia swoją powłokę. W związku z tym ładunek całego atomu chloru zmienia się - staję się ujemny, tak jak przyłączony elektron. Jednocześnie zmienia się też konfiguracja sodu i jednocześnie jego ładunek staje się dodatni. Atomy naładowane (czyli w których ilość protonów nie równa się liczbie elektronów) nazywamy jonami. Takie dwa przeciwnie naładowane jony przyciągają się tworząc chlorek sodu, czyli popularną sól kuchenną.
Niektóre atomy ani nie oddają ani nie przyjmują elektronów, dążąc do zapełniania zewnętrznych powłok. Zamiast tego "uwspólniają" z innym atomem zewnętrzne elektrony. Przykładem takiego wiązania jest woda H2O. Wiązanie takie nazywamy kowalencyjnym.
W przypadku wody - dwa bardzo reaktywne pierwiastki - wodór H i tlen O łączą się tworząc stabilny związek chemiczny. Tlen wymaga dodania dwóch elektronów, aby zapełnić zewnętrzną powłokę. Każdy atom wodoru ma tylko jeden elektron i wymaga jeszcze jednego do zapełnienia powłoki. W kombinacji z dwoma atomami wodoru tlen otrzymuje jeden uwspólniony elektron od każdego z atomów wodoru, zaś każdy wodór otrzymuje po jednym uwspólnionym elektronie od tlenu. W rezultacie tej wzajemnej wymiany elektronów powstaje woda. Takie wiązanie powoduje wiele unikalnych własności wody, które będą omówione później.
Pierwiastki i związki chemiczne mogą występować w jednej z trzech postaci: ciała stałego, cieczy i gazu. Woda np. występuje w swej naturalnej postaci jako ciecz, lecz również w postaci ciała stałego (lód) oraz gazu (para wodna). Postacie, w jakich występują zależą od tego, jak ściśle i sztywno poukładane są molekuły, tworzące substancję. Typowym najważniejszym czynnikiem, który ma na to wpływ jest temperatura (ciśnienie również lecz rzadziej), ponieważ ciepło wprawia molekuły w ruch. Temperatura jest miarą ruchliwości molekuł danej substancji. Najbardziej aktywne są molekuły ciepłej substancji, jeśli aktywność molekuł spada, mówi się o chłodzeniu substancji. Substancje z molekułami związanymi regularnie, w ścisłe wzory są ciałami stałymi. Jeśli temperatura rośnie, molekuły zaczynają wyślizgiwać się z ich ustalonych pozycji i poruszając następne, tworzą ciecz. Jeśli temperatura rośnie dalej powstaje gaz (rys. 1,2,3) Najlepszym przykładem są lód, woda i para, gdzie ciało stałe (lód) reprezentuje stan "najzimniejszy", a gaz (para) - "najcieplejszy".
Ciała stałe i ciecze w nurkowaniu uważamy za nieściśliwe. Gazy natomiast są ściśliwe w wysokim stopniu. Molekuły tworzące gaz zajmują w przybliżeniu 1/1000 całkowitej objętości, jaką ma cały gaz w temperaturze pokojowej i normalnym ciśnieniu. To wyjaśnia ogromny stopień ściśliwości gazów i to jest ich cecha, która ma ogromne znaczenie dla nurkowania.
Energia jest "zdolnością do wykonania pracy". Pojęcie energii i pracy jest bardzo zbliżone. Praca jest definiowana jako iloczyn siły i przesunięcia, mierzona jest w dżulach (J) (lub ergach). Erg to praca potrzebna do podniesienia 1 grama o 1 centymetr w polu grawitacyjnym. Dżul to mniej więcej 107 erga .
W naszych rozważaniach ciężar i masa są utożsamiane co może być przyjęte dla uproszczenia chociaż w fizyce jest niedopuszczalne. Masa jest niezmienna (wyraża ilość materii) a ciężar zależy od siły grawitacji
Z wyjątkiem reakcji jądrowych energia nie może być ani wytwarzana ani tracona lecz może zmieniać się w różne formy: ciepło, światło, elektryczność, energię chemiczną, energie mechaniczną.
• Energia cieplna jest ruchem cząstek (molekuł) tworzących materię. Większa ruchliwość (większa średnia prędkość) to wyższa temperatura. Zapamiętajmy, że każda energia może się zamienić w ciepło. Ważne jest, że przy zamianie jednego rodzaju energii na inny zawsze część jest rozpraszana w postaci ciepła.
• Światło to energia promieniowania elektromagnetycznego. Najlepszym przykładem jest energia słoneczna. Przykładem transformacji jest zmiana energii światła w procesie fotosyntezy na energia chemiczną.
• Energia elektryczna jest wynikiem oddziaływania między ujemnie naładowanym elektronem i dodatnim protonem. Dobrym przykładem jest bateria. Gromadzi energię chemiczną, która poprzez energię elektryczną zmieniana jest na światło.
• Energia chemiczna jest zgromadzona w postaci wiązań i układów molekuł. Np. benzyna - kiedy osiągnie temperaturę krytyczną reaguje z tlenem w reakcji chemicznej i oddaje ciepło.
• Energia mechaniczna przejawia się jako ruch lub zdolność do ruchu. Jeśli ciało jest przytrzymane w jakiejś pozycji (np. na naciągniętej sprężynie) tak, że po zwolnieniu może wykonać jakąś pracę mówimy o energii potencjalnej. Gdy energia jest wynikiem samego ruchu, mówimy o energii kinetycznej. Przykładem obu energii jest ciało oscylujące na sprężynie. Energia kinetyczna cyklicznie zamieniana jest w energię potencjalną.
3) System metryczny i zero absolutne
Objaśnianie chemii i fizyki wymaga poznania systemu metrycznego (SI) używanego przez te dziedziny. System metryczny dominuje w świecie, lecz niekoniecznie jest zrozumiały dla ludzi z kręgu kultury brytyjskiej (stopy, funty galony itp.). Dla nich krótki przegląd byłby użyteczny, a my skorzystamy z okazji poznania ich systemu. (rys.)
W badaniach naukowych system metryczny jest zdecydowanie wygodniejszy poprzez fakt bazowania na częściach dziesiętnych.
Dla zrozumienia prefiksów używanych w systemie dziesiętnym przypomnijmy:
kilo = tysiąc (1000)(grec. - dla jednostek większych)
mili = jedna tysięczna (0.001)(łac. - dla jednostek mniejszych)
centi = jedna setna (0.01)
deci = jedna dziesiąta (0.1)
Podstawową jednostka mierzenia długości jest metr. 1 metr =39.37 cali. Mniejsze skale posługują się decymetrem (dm; dziesiąta część metra), centymetrem (cm; setna część metra) lub milimetrem(mm; tysięczna część metra). Dla większych odległości używany jest kilometr. 1 kilometr = 1000 metrów i w przybliżeniu sześć dziesiątych mili.
Jednostki powierzchni są wyrażane jako kwadraty jednostek długości. Tak więc prostokąt 10 cm x 50 cm ma powierzchnię 500 cm2. Lub, innymi słowami, 0,05 m2 . Objętość jest wyrażana jednostką sześcienną, m3. Dodatkowo 1000 cm3 określane jest w systemie metrycznym jako litr. W przypadku skrzynki 10 cm x 20 cm x 30 cm mówimy o objętości 6000 cm3 lub 6 litrów , a nawet możemy powiedzieć o 6 000 000 mm3. Standardową jednostka metryczną dla mierzenia masy jest gram (g) zwyczajowo używaną dla określenia wagi.. 1 gram odpowiada wadze 1 cm3 wody. 1 kilogram = 1000 gram , tak więc kg = masie (wadze) 1 litra wody, która waży 2,2 funty w terminologii brytyjskiej. Jednostki długości mogą być używane pochodne (decygram i centygram - w Polsce nieprzyjęte) oraz miligram (mm).
1 kg = 1000g =1000 000mg lub 1g=0.001kg=1000mg
(Uwaga! Ściśle rzecz ujmując CIĘŻAR i MASA to dwie różne wielkości. Ciężar to SIŁA z jaką Ziemia przyciąga ciało, zaś masa to ilość materii zgromadzonej w ciele. Ponieważ najłatwiej zmierzyć masę mierząc jej ciężar przy pomocy wagi, wynika stąd częste mylenie tych pojęć. Jest ono w większości przypadków nieszkodliwe - po prostu 1 kg masy na Ziemi ma ciężar 1kG. Bez szkody dla zrozumienia w dalszej części podręcznika te pojęcia są używane zamiennie. PAMIĘTAJ ! - 1 kilogram nie zawsze waży 1kG ! Np na Księżycu waży znacznie mniej choć masa jest nadal taka sama !)
Nurkowie używający systemu metrycznego wyrażają ciśnienie w atmosferach fizycznych (1 atm) Często jest też w użyciu "milimetr słupa rtęci" (mmHg). W systemie metrycznym używany jest bar, który jest niemal równy 760 mmHg czyli 1 atm ( podstawową jednostka to paskal Pa = 1N/m2 ale to bardzo mała jednostka i niewygodnie używać tysięcy hektopascali)
Użytkownicy systemu metrycznego używają OC (Celcjusz) do oznaczania temperatury. Skala ta bazuje na wodzie : 0OC ( 32F )-zamarzanie, 100OC ( 212F )- wrzenie.
Konwersję miedzy C i F wyraża formuła:
(1OC*1.8) + 32 = 1F lub 1OC=(1F-32)*0.555
(łatwiej zapamiętać ze 1.8=9/5 , 0.555=5/9)
Prawidłową jednostka w systemie metrycznym jest kelwin (K). Jest to tzw. skala zera bezwzględnego. ( 0K=- 273C ) Skali K używa się w obliczeniach praw rządzących gazami. Zero absolutne to najniższa możliwa do osiągnięcia temperatura. W uproszczeniu można powiedzieć ze zanika ruch molekuł.
Nurkowie zajmują się głównie zjawiskami fizycznymi występującymi pod wodą, dla zrozumienia zachodzących tam zjawisk potrzebne jest więc poznanie właściwości samej wody.
Woda jest bardzo prostym związkiem chemicznym, lecz obdarzona niezwykłymi właściwościami. Jak wspomniano wcześniej, zawiera dwa atomy wodoru związane z jednym atomem tlenu (rys.). Atom tlenu przyciąga dwa atomy wodoru, co tworzy molekułę z dwoma atomami wodoru po jednej stronie i atomem tlenu po przeciwnej. Ujemny ładunek jest przesunięty w stronę tlenu zaś dodatni do wodoru. Skutkiem tej konfiguracji woda jest uważana za molekułę spolaryzowaną (dipol). Każda molekuła potrafi oddziaływać na pole innej molekuły wody. Tak więc woda posiada dwoistą charakterystykę wiązania. Podczas gdy jej atomy są związane chemicznie poprzez wiązanie kowalencyjne, molekuły wody są dodatkowo powiązane razem poprzez słabsze elektryczne (dipolowe) przyciąganie, określane jako wiązanie wodorowe, dzięki czemu woda jest cieczą.
To słabsze wiązanie wodorowe odpowiedzialne jest za mnóstwo unikalnych własności wody. Np. bez zjawiska polaryzacji cząsteczki wody miałyby tendencję do łatwego rozseparowania, podobnie do innych substancji o podobnej masie cząsteczkowej. Gdyby tak było, woda w pokojowej temperaturze byłaby gazem a nie cieczą. Życie na ziemi w znanej formie nie mogłoby powstać.
a) właściwości chemiczne i fizyczne wody
Pierwszą istotną własnością wody jest występowanie zjawiska kohezji. Siły działające pomiędzy cząsteczkami cieczy nazywamy siłami kohezji, a pomiędzy cząsteczkami płynu i ciała stałego pozostającego w kontakcie z płynem siłami adhezji. Kohezja powoduje powstawanie napięcia powierzchniowego na powierzchni płynu.
Napięcie powierzchniowe jest tak wielkie, że szpilka może być unoszona na jej powierzchni, mimo, że jest pięć razy cięższa od wody. Dlatego właśnie niektóre owady potrafią spacerować po wodzie. Rzeczywiście, woda ma najwyższe napięcie powierzchniowe ze wszystkich cieczy poza ciekłymi metalami.
Woda jest również substancja wyjątkową ze względu na to, że jest niemal uniwersalnym rozpuszczalnikiem. Rzeczywiście, więcej substancji rozpuszcza się w wodzie niż w jakiejkolwiek innej pospolitej cieczy. To znów jest związane z jej polaryzacyjną naturą.
Gdy jakaś substancja jest włożona do wody, molekuły zaczynają reagować w wyniku jej polaryzacji. Dodatnio naładowane części molekuł przyciągają stronę tlenową (ujemną) molekuły wody, a ujemnie naładowane części molekuł przyciągają stronę wodorową (dodatnią) molekuły wody. Substancje jonowe są w wodzie dosłownie rozpruwane (np. sól kuchenna)
Warto zanotować, że molekuły niespolaryzowane niechętnie rozpuszczają się w wodzie. Ponieważ oleje i tłuszcze są niespolaryzowane, ich niezdolność do reakcji ze spolaryzowana wodą wyjaśnia, czemu olej i woda się nie mieszają. Mydło "miesza" wiązania miedzy spolaryzowanymi i niespolaryzowanymi molekułami, ułatwiając wodzie rozpuszczanie tłuszczu.
Inną ważna cechą wody są jej właściwości cieplne. Woda ma jedno z najwyższych w przyrodzie ciepło właściwe (pojemność cieplną) (amoniak jest jednym z wyjątków). Dla tego marzniemy podczas nurkowania w temperaturze, która w powietrzu byłaby komfortowa. Pojemność cieplna wyraża ilość ciepła, którą trzeba dostarczyć (odebrać) do ciała, aby zwiększyć (zmniejszyć) jego temperaturę. I znowu polarna natura wody odgrywa tu istotna rolę. Podczas ogrzewania wody część energii musi być najpierw "zużyta" na zerwanie wiązania wodorowego a dopiero potem zwiększana jest energia kinetyczna molekuł. Ta wielka pojemność cieplna wody jest jednym z podstawowych czynników stabilizujących klimat na Ziemi. Z tego tez powodu ciała zawierające wodę wolniej niż inne zmieniają swoją temperaturę.
W porównaniu z innymi cieczami woda wolniej paruje podczas podgrzewania. Wolniej niż inne pospolite ciecze. Za to zjawisko odpowiedzialne jest duże ciepło parowania. Wynika ono z faktu że jak poprzednio część dostarczanej energii jest zużywana na rozbicie wiązań wodorowych Z tego samego powodu woda posiada wysokie ciepło topnienia. Kiedy woda zamarza wydziela mnóstwo energii, i podobnie kiedy topnieje pobiera energię.
Inną ważna własnością wody jest zależność gęstości (ciężaru właściwego) od temperatury. Zwykła ciecz podczas ochładzania staje się coraz gęstsza i przechodzi w jeszcze bardziej gęste ciało stałe. Ciecz zamarza i jej cząsteczki zmniejszają swoją ruchliwość i zbliżają się do siebie. Ciało stałe jest gęstsze od cieczy i gromadzi się na dnie naczynia podczas zamarzania.
Woda jednakże zachowuje się całkiem inaczej. Podczas ochładzania woda gęstnieje, ale tylko do temperatury 40C/39F gdzie jej ciężar właściwy osiąga maksimum. W tym punkcie spolaryzowane cząsteczki wody przylegają do siebie jak w sieci krystalicznej. W kryształach lodu cząsteczki są ułożone tak, że zajmują nieco więcej miejsca. W rezultacie lód ma MNIEJSZĄ gęstość niż woda i w rezultacie pływa a nie tonie. Pływający po powierzchni lód izoluje wodę i spowalnia proces dalszego zamarzania. Gdyby nie ta właściwość wody i lodu, ogromna cześć wody na Ziemi byłaby stale zamarznięta. Jednak dzięki tej właściwości woda o temperaturze 40C opada na dno i w głębokich jeziorach pozostaje w tej temperaturze cały rok.
Wymaga tu wyjaśnienia istotna różnica między CIEPŁEM a TEMPERATURĄ. Choć popularnie myślimy, że to tożsame pojęcia, tak jednak nie jest. Ciepło jest miarą energii kinetycznej wszystkich molekuł danego ciała (jak ciało jest gęstsze to przy tej samej temperaturze zawieraj więcej energii niż ciało mniej gęste). Temperatura jest zaś miarą ŚREDNIEJ energii kinetycznej, czyli energii typowej cząsteczki w danym ciele. Dwie substancje mogą mieć tą samą temperaturę, lecz całkiem inne zgromadzone ciepło - całkowitą energię kinetyczną. Porównując wodę i powietrze - wyobraź sobie czajnik z powietrzem włożony do pomieszczenia o temperaturze 95 OC. Czajnik i powietrze w nim nagrzeją się do 95OC dość szybko. Gdyby czajnik był wypełniony wodą nagrzewałby się do tej temperatury znacznie dłużej. Jest to spowodowane faktem, że woda wymaga dużo więcej ciepła, aby zmienić swoja temperaturę w porównaniu z powietrzem. Tak wiec temperatura i ciepło są miarami innych wielkości fizycznych. Temperatura jest wyrażona w stopniach (C,F lub K) zaś ciepło w kaloriach, dżulach (J) zaś w UK w British Termal Units (BTU). Kaloria jest ilością ciepła (energią) wymaganą do podgrzania 1 cm3 wody o 1 stopień Celsiusa, BTU jest ciepłem wymaganym do podgrzania 1 funta wody o 1F .
Poprzedni przykład w oczywisty sposób pokazuje, że jedna kaloria podgrzewa 1cm3 powietrza dużo więcej niż o 10C (analogicznie 1 BTU podgrzewa 1 funt powietrza dużo bardziej niż o 1F ) Tak naprawdę, gdyby MASY wody i powietrza były równe, woda wymagałaby tylko 4 razy więcej ciepła do podgrzania o tyle samo stopni. Z drugiej strony woda wymaga 3200 !!! razy więcej ciepła do podgrzania niż powietrze zajmujące tą sama OBJĘTOŚĆ.
Wynika to oczywiście z różnych gęstości. Gęstość jest miarą MASY, która mieści się w pewnej OBJĘTOŚCI. Np. litr wody ma masę 1kg. ! litr powietrza ma masę 1.3 grama . Tak więc woda jest 770 razy bardziej gęsta niż powietrze ( 0.0013kg * 770 = 1kg) ( W systemie brytyjskim 1 stopa sześcienna wody ma masę 62.4 funta zaś powietrza 0.081 funta )
Dla wyjaśnienia efektów cieplnych podczas nurkowania, należy rozważyć różne powody przewodzenia ciepła. Występują tu 3 różne procesy: 1)przewodzenie, 2)konwekcja, 3)promieniowanie.
Przewodzenie następuje w czasie bezpośredniego kontaktu. Przykładem jest łyżeczka w gorącej herbacie. Choć uchwyt pozostaje niezanurzony, w krótkim czasie staje się gorący. Molekuły wody w gorącej herbacie przekazują energię do zanurzonej części łyżeczki. Dalej energia jest przekazywana przez rączkę łyżeczki do góry, aż do momentu równowagi tzn. mniej więcej cała łyżeczka będzie miała jednakową temperaturę. Substancje łatwo transportujące ciepło ( np. metale) nazywamy dobrymi przewodnikami ciepła.
Powietrze jest raczej dobrym izolatorem, ponieważ posiada złe przewodnictwo cieplne. Woda posiada tysiące razy większą pojemność cieplną od powietrza i jest ok. 20 razy lepszym przewodnikiem ciepła od powietrza. Dla tego też zanurzony nurek marznie o wiele szybciej niż w powietrzu.
Konwekcja występuje podczas transmisji ciepła wewnątrz płynów lub gazów. Kiedy płyn jest podgrzewany, jego gęstość maleje i porcja ogrzanego płynu ma tendencje do wznoszenia się. Powoduje to ciągły ruch w podgrzewanej wodzie i transport ciepła do innych miejsc. Weźmy na przykład nurka pozbawionego ochrony cieplnej w wodzie. Woda ogrzana od skóry unosi się a na jej miejsce napływa zimniejsza. Z tego powodu zawsze marzniemy w chłodnej wodzie nawet jeśli pozostajemy nieruchomo.
Promieniowanie odpowiada za transport ciepła poprzez fale elektromagnetyczne. Z takim zjawiskiem mamy do czynienia ogrzewając się w słońcu lub pobliżu ogniska. Taki rodzaj przepływu ciepła podczas nurkowania jest pomijalny.
Ludzkie oko widzi światło odbite od obiektów, zamieniając jego energie na impulsy elektryczne transmitowane do mózgu poprzez nerw wzrokowy. Ponieważ zachowanie światła zmienia się przy przejściu przez wodę, ludzie widzą pod wodą nieco inaczej niż w powietrzu. Woda zmienia bieg światła w wyniku zmącenia, rozpraszania, absorpcji oraz refrakcji. Każde z tych zjawisk zmienia światło w inny sposób.
Chociaż tylko ok. 20% promieniowania osiąga głębokość 10m w czystej wodzie, dla procesów fotosyntezy wystarcza światła nawet na głębokości ok. 100m. Z drugiej strony w zmąconej wodzie, przy dużej koncentracji cząstek światło może być zaabsorbowane już na 3m.
Duże stężenie przypadkowych cząstek jest odpowiedzialne za zmętnienie. Cząstki mogą być organiczne (np. plankton) lub nieorganiczne Zmętnienie może być spowodowane przez niegroźne czynniki jak np zmętnienie po deszczu, lub też szkodliwe dla zdrowia zanieczyszczenia.
Nawet całkowicie czysta woda ugina i załamuje światło w zjawisku zwanym rozpraszaniem. Rozpraszanie redukuje zdolność światła do penetracji wody i zaburza jego kierunek. Dzięki temu cienie pod wodą są zredukowane lub nie występują wcale.
Absorpcja po pierwsze wymaga zrozumienia natury energii świetlnej oraz sposobu w jaki oko reaguje na światło. Energia elektromagnetyczna ( w formie widzialnego światła) ma naturę falowa. Długość fali określa jej energię. Większość fal elektromagnetycznych jest niewidoczna dla oka ( np. podczerwień, nadfiolet, promieniowanie Roentgena, czy kosmiczne). Oko ludzkie rejestruje jedynie fragment widma, w zakresie długości fal od 400nm do ok. 760nm. Różnice w długościach fal widzimy jako kolory. Kiedy światło pada na jakiś obiekt, absorbuje on część promieniowania, a część odbija. Kiedy wszystkie długości fal odbijane są tak samo, dostrzegamy obiekt jako biały. Kiedy żadna (lub bardzo mało) fal nie obija się (całość jest absorbowana) oko dostrzega kolor jako czarny.
Energia świetlna jest transportowana w postaci fal, które woda absorbuje. Kiedy światło penetruje wodę proces absorpcji zaczyna się od fal o najniższej energii - czerwonej końcówki widzialnego zakresu. Faktycznie światło czerwone zanika bardzo szybko wraz z głębokością. Kolejno absorbowane są pomarańcz i żółć. Stad głębiej obiekty, które były czerwone, lub żółte są teraz szare lub czarne. Jest tam już zbyt mało światła w takich barwach, które mogłoby się odbijać od przedmiotów.
Czysta woda jest najbardziej przejrzysta dla fal o długości 480nm, co oko odbiera jako niebieski. Jednak w zanieczyszczonej wodzie maksimum przepuszczalności jest przesunięte do ok. 530 nm - pasmo zielono-żółte. To zjawisko wyjaśnia czemu niebieski dominuje w czystej wodzie, zaś w mętnej zielenie i żółcie.
Efekty absorpcji uwidaczniają się zarówno w widzeniu kolorów jak i w kontraście. Trudniej w wodzie dostrzec obiekty o małym kontraście w stosunku do tła. Doświadczenie pokazuje, że zmętnienie, zasolenie, głębokość, oraz wielkość cząstek zanieczyszczeń mają wpływ na absorpcję światła w wodzie oraz kontrast widzenia.
Jest to jedna z przyczyn dla których wyposażenie nurka często jest w kolorach fluorescencyjnych. Takie kolory są lepiej widzialne pod wodą ponieważ nie tylko odbijają barwy lecz także emitują światło o długości fal nie występujących pod woda. Dla tego też fluorescencyjne przedmioty zachowują swój kolor pod wodą. Zjawisko takie występuje również w naturze - np. niektóre ukwiały zachowują czerwony kolor pod wodą dzięki fluorescencji.
Jeszcze jeden czynnik ma wpływ na sposób widzenia pod wodą. Oko adaptuje się do małej ilości światła otwierając tęczówkę. Gdy źrenica ma maksymalną średnicę, receptory światła w oku przestawia się z "widzenia dziennego" na "widzenie nocne". ( tzw pręciki i czopki) Zwiększa to czułość na światło lecz zmniejsza zdolność do rozróżniania barw. Ta adaptacja następuje po ok. 10 min , a w pełni po ok. 30 min. Aby przyspieszyć ten proces adaptacyjny szczególnie przed nocnym nurkowaniem, niektórzy nurkowie ( szczególnie wojskowi) ubierają czerwone okulary lub przebywają w czerwonym świetle przez 10-20 min przed nurkowaniem.
Inną własnością światła mającą wpływ na widzenie podczas nurkowania jest refrakcja. Jest to tendencja do uginania się promieni światła podczas przechodzenia z jednego ośrodka do drugiego ( jak np. z wody do powietrza). Refrakcja jest spowodowana różną szybkością rozchodzenia się światłą w różnych ośrodkach. Np. światło rozchodzi się w powietrzu nieco szybciej niż w wodzie i kąt padania światła ugina się na granicy wody i powietrza (za wyjątkiem światła padającego prostopadle do lustra wody).
Do patrzenia pod woda nurkowie używają maski. Światło przechodzi przez wodę, szkło, powietrze w masce i trafia do oka. Podczas każdej zmiany ośrodka następuje refrakcja. W rezultacie tego obiekty wydają się być bliżej ( są większe) Przybliżenie wynosi ok. 4/3. (np. obiekt odległy o ok. 4m wydaje się być oddalony o 3 m ). Początkujący nurkowie często mylą się z tego powodu, lecz z doświadczeniem szybko uczymy się prawidłowo oceniać odległość.
Tendencja do zaniżania oceny odległości z powodu refrakcji jest bardzo ciekawa, ponieważ pozorna odległość może być przeciwnie - widoczna jako większa., tak wiec może się zdarzyć, ze obiekty wydają się być dalej niż w rzeczywistości. To zjawisko zwane efektem Tyndalla (visual reversal) zależy od głębokości i wydaje się być rezultatem zmniejszania jasności i redukcji kontrastu jak i braku zaznajomienia się ze zjawiskami zmian widzenia oraz braku wskazówek znanych człowiekowi na powierzchni. W bardziej zmąconej wodzie nawet bardzo bliskie obiekty mogą wydawać się dalsze. Jednakże generalną regułą pozostaje fakt, że obiekty wydają się być bliżej niż w rzeczywistości i jest to spowodowane refrakcją. W mętnej wodzie częściej zdarza się zjawisko wywołane efektem Tyndalla.
Refrakcyjny efekt może powodować nie zmianę pozornej odległości, lecz wielkości. Powiększenie wynosi ok. 25% (jeżeli wydaje ci się, że obiekt ma metr to w rzeczywistości ma 75 cm ), lecz nurkowie szybko nabierają doświadczenia w kompensacji tego efektu. Zarówno zjawisko oddalenia jak i powiększenia są spowodowane tą sama refrakcją, lecz mózg nurka inaczej może zinterpretować efekt wizualny.
Refrakcja może też być przyczyną powstawania ciągłego zafalowania i zmarszczek światła na dnie. Najlepiej jest to widoczne na płaskim piaszczystym dnie i jest spowodowane podobnym do soczewki działaniem fal na powierzchni. Grzbiet fali ugina światło skupiając je, co widzimy jako rozjaśnienia na dnie.
Odbicia maja także wpływ na widzenie pod wodą. Kiedy światło pada na nieprzejrzysty obiekt jego część jak wspomniano ulega absorpcji, a cześć odbiciu co uzależnione jest od długości fali (koloru). Światło może się też odbijać od substancji prawie przeźroczystych, a nawet wody, jeżeli pada pod odpowiednim kątem. Z tego powodu najjaśniej pod woda jest między 10.00 a 14.00 kiedy słońce oświetla powierzchnie wody pod dużym kątem. Kiedy słońce jest niżej na niebie, coraz więcej światła odbija się od powierzchni wody i coraz mniej dostaje się pod powierzchnię.
Podobnie jak w przypadku światła, dźwięk ma naturę falową. Podczas gdy fale świetlne przenoszą energię elektromagnetyczna, dźwięk zaś energie akustyczną (będąca forma energii mechanicznej). Energia elektromagnetyczna może być przenoszona niezależnie od materii (światło rozchodzi się w próżni), dźwięk zaś występuje tylko w materii.
Jest on rezultatem pewnej akcji zachodzącej w obiekcie (np. drgań) czego efektem jest wytworzenie fali w ośrodku w którym występuje dźwięk. Taka fala może być kontynuowana w innym ośrodku. Np. dźwięk z wody (musi mieć bardzo duże natężenie) może być słyszalny na powierzchni. Fala dźwiękowa wzbudza błonę bębenkową w uchu, co nasz mózg interpretuje jako SŁYSZENIE.
W przeciwieństwie do światła, dźwięk dobrze rozchodzi się w gęstych ośrodkach takich jak ciała stałe i ciecze. Molekuły w takich ciałach są gęściej upakowane i lepiej przenoszą zaburzenia falowe. W szczególności dźwięk nie rozchodzi się w próżni. Z powodu swojej gęstości woda jest wspaniałym ośrodkiem dla rozchodzenia się dźwięku. Prędkości dźwięku w czystej wodzie w temperaturze 15OC to ok. 1410 m/s ( w słonej, morskiej wodzie 1550m/s). Jest to ok. czterokrotnie więcej niż w powietrzu.
Należy tu wspomnieć, że z punktu widzenia fizyki to nie gęstość, lecz sprężystość stanowi parametr decydujący o rozchodzeniu się dźwięku. Większość gęstych materiałów cechuje jednocześnie duża sprężystość, więc powyższe spostrzeżenie nie jest na ogół błędne. Przykładem są tu ołów i węgiel, które mimo dużej gęstości źle przewodzą dźwięk gdyż są mało elastyczne.
Rezultatem dobrego przewodzenie dźwięku pod wodą jest lepsza niż na lądzie słyszalność z dużych odległości (szczególnie dźwięków o niskich częstotliwościach). Np. statek może być słyszalny nawet z 24 km ( 15 mil ) i nurkowie często słyszą łodzie będące daleko poza zasięgiem wzroku.
Duża prędkość dźwięku w wodzie utrudnia rozeznanie co do kierunku z którego on dochodzi. Mózg określa kierunek dzięki interpretacji różnicy dźwięku w lewym i prawym uchu (różnica fazy dźwięku) co działa dobrze w powietrzu. Z powodu dużej szybkości dźwięku w wodzie, różnice te zanikają i nurek nie jest w stanie określić kierunku dźwięku.
Ponieważ woda przewodzi dźwięk, ktoś może się zdziwić, że nie można mówić pod wodą. Struny głosowe wytwarzają dźwięk dzięki drganiu powietrza, zaś dźwięk z powietrza słabo przechodzi do wody. Z tego też powodu nurek zanurzony prawie nie słyszy dźwięków z powierzchni chyba, że są bardzo silne. Przez lata ludzie wymyślali różne urządzenia do komunikacji pod woda, lecz dopiero elektronika rozwiązała ten problem w sposób zadowalający.
Różnice w prędkości dźwięku pod wpływem temperatury są widoczne szczególnie w pobliżu termokliny. Zmiany temperatury wywołują bowiem zmiany gęstości. Gdy dźwięk przechodzi miedzy ośrodkami o różnych gęstościach ( jak np. woda i powietrze) przy przejściu znaczna cześć energii jest rozpraszana. Tak więc, dźwięk ulega zmianie przy przejściu przez termoklinę lub porcję wody o innej temperaturze. Może się zdarzyć, że słychać dobrze dźwięk w jednym miejscu, zaś parę metrów dalej (np. pod termokliną) nie słychać go wcale.
Siła jakiej poddane są zanurzone obiekty nazywana jest WYPOREM. Jest to siła działająca na każdy obiekt niezależnie czy zanurzony w toni czy pływający po powierzchni. Archimedes - grecki matematyk pierwszy opisał to zjawisko i stąd nazwa - prawo Archimedesa. Brzmi ono następująco: na ciało zanurzone w cieczy działa siła wyporu skierowana do góry równa ciężarowi cieczy wypartej przez to ciało.
Prawo to jest spełnione dla dowolnych ciał zanurzonych w dowolnych cieczach. Dla danego ciała o określonej objętości i ciężarze zmiana siły wyporu są rezultatem różnic w gęstości cieczy w której ciało jest zanurzone. Bardziej gęsta ciecz to większa siła wyporu. Ta różnica ujawnia się już przy porównaniu słonej i słodkiej wody. 1 l słodkiej wody ma masę 1kg ( 62.4 funta - 1 stopa sześcienna ), 1 litr słonej wody ma masę ok. 1.03 kg . Ta niewielka różnica wpływa jednak na pływalność nurka. Tą tendencję ciała do pływania lub tonięcia najlepiej mierzyć przez wprowadzenie "gęstości względnej" (specific gravity) Wielkość ta wyraża gęstość ciała w stosunku do czystej wody. Tak więc czysta woda ma gęstość względną równa 1.0. Substancje o gęstości właściwej mniejszej od 1.0 pływają po powierzchni, substancje o gęstości właściwej większej od 1.0 toną.
W ciele ludzkim o pływalności decyduje udział różnych tkanek. Np. tkanka tłuszczowa ma gęstość względną ok. 0.7 - 0.9, kość ok. 1.9, mięśnie ok. 1.08. W zależności od proporcji tkanek gęstość względna całego ciała waha się wokół 1.0. Jednakże ekwipunek nurka, a szczególnie mokry lub suchy skafander zmniejszają gęstość względna (są lekkie w porównaniu ze swoja objętością) i zmuszają nurka do używania balastu.
Pojęcie dodatniej, ujemnej i neutralnej (zerowej) pływalności są wygodne przy opisywaniu stanu zanurzonego nurka. Obiekty pływające mają dodatnią pływalność, tonące ujemną, zaś obiekty pływające swobodnie w toni - neutralna pływalność. Stan zerowej pływalności jest pożądany przez nurka, aby nie tracić energii podczas nurkowania na pokonywanie siły wyporu (lub grawitacji).
Koncepcja pływalności pozwala rozwiązać wiele problemów technicznych spotykanych pod woda. Wyobraźmy sobie konieczność wyłowienia ciężkiego i drogiego silnika zaburtowego zgubionego z łodzi. Jeżeli silnik waży 100kg na powierzchni, jaka jest potrzebna dodatkowa siła wyporu aby unieść go z dna?
Po pierwsze musimy określić aktualną siłę wyporu działającą na silnik (prawo Archimedesa) Powiedzmy, że silnik ma objętość ok. 20l. 20 l słonej wody ma masę ok. 20.6 kg . Aby silnik osiągną neutralna pływalność musi na niego zadziałać siła, pionowo do góry, o wartości 100kG-20.6kG=79.4 kG.
Zaniedbując ciężar windy powietrznej (balonu) należy określić ile wody usunąć z windy powietrznej (ile powietrza wpompować) dzieląc ujemną pływalność przez ciężar właściwy wody morskiej - 79.4/1.03=77.1 litra wody do usunięcia. W praktyce należy dopompować do windy powietrznej tyle powietrza z butli.
Ciśnienie jest wielkością używaną do opisu siły działającej na powierzchnię. Definicja fizyczna to, ciśnienie = siła/powierzchnia. Większość nurków zapoznała się z pojęciem ciśnienia wyrażonego w kg/cm2 (atmosfera). Pod wodą dwa różne czynniki wpływają na wartość ciśnienia: wysokość słupa wody ponad nurkiem, oraz ciśnienie atmosferyczne nad wodą. W epoce renesansu Galileusz pierwszy zademonstrował, że powietrze ma ciężar, choć tego normalnie nie odczuwamy. Toricelli, włoski matematyk wywnioskował stąd, że jeśli człowiek przebywa w tym "morzu powietrza" jego ciało poddane jest ciśnieniu zewnętrznemu.
W klasycznym eksperymencie, zanurzona, odwrócona menzurka z rtęcią przy próbie wyjęcia jej z wanny z rtęcią "zasysa" ciecz. Tą siłę, podnoszącą ciecz do góry wywołuje ciśnienie atmosferyczne. Toricelli zauważył, że nie da się osiągnąć słupa rtęci wyższego niż 760mm. Stad przyjęło się też oznaczanie ciśnienia właśnie w milimetrach słupa rtęci (mmHg). Nieco później słynny francuski matematyk Pascal zademonstrował, że identyczne ciśnienie wywołuje dziesięciometrowy słup wody.
W systemie metrycznym (SI) 1 litr wody morskiej ma masę 1.03 kg . 1 litr to sześcian o bokach 10cm*10cm*10cm. Powierzchnia podstawy wynosi 100cm2 (10*10=100). Ciśnienie działające na dno wynosi: 1.03 kG/100cm2 i jest równe 0.0103 kg/cm2. Ciśnienie atmosferyczne to ok. 1.03 kg/cm2 stad widać po podzieleniu, że odpowiada około 10m słupa wody.
Terminologia dotycząca ciśnienia:
Jest wiele pojęć opisujących ciśnienie: atmosferyczne, barometryczne, absolutne, ciśnienie względne (gauge pressure), ciśnienie otoczenia.
- ciśnienie atmosferyczne 1 atm wywierane jest przez ciężar słupa powietrza ponad poziomem morza i oscyluje w pobliżu wartości 760 mm Hg. W systemie metrycznym jest to ciśnienie 1 bar. Choć jest pewna różnica przyjmuje się ze 1 bar=760mmHg.
- ciśnienie barometryczne to synonim ciśnienia atmosferycznego z tym, że zmienia się wraz z wahaniami np. pogody. Pojęcie to rzadko jest używane przez nurków.
- ciśnienie względne jest to miara przyjmująca za zero ciśnienie atmosferyczne. Jest więc różnicą miedzy ciśnieniem mierzonym a atmosferycznym. Jest to wielkość, którą mierzy np. głębokościomierz
- ciśnienie absolutne to miara przyjmująca za zero ciśnienie w próżni. Jeżeli np. licznik w butli pokazuje nam 100 bar to ciśnienie absolutne wynosi 101 bar (dodaje się jeszcze ciśnienie powietrza).
- ciśnienie otoczenia jest synonimem absolutnego.
Mimo iż materia jest ściśliwa, w zakresie ciśnień występujących w nurkowaniu można przyjąć ze woda jest praktycznie nieściśliwa. Ciśnienie jest rozprowadzane równo we wszystkich kierunkach w wodzie (i w innych cieczach). Dzięki temu działają wszystkie urządzenia hydrauliczne. Własność ta jest nazywana prawem Pascala.
Ponieważ tkanki ciała składają się w większości z wody, zewnętrzne ciśnienie jest rozprowadzane po całym ciele i nie odczuwamy bezpośredniego nacisku wody. Dlatego też nurek może wytrzymać ogromne ciśnienie panujące pod wodą.
Podczas zanurzania ciśnienie wody zwiększa się mniej więcej o 1 bar (1atm) co każde 10m zanurzenia. Nieściśliwość wody powoduje, że wartość ta jest niezależna od głębokości. Oprócz ciśnienia wody (tzw. ciśnienie hydrostatyczne) działa na nurka również ciśnienie atmosferyczne. Określając ciśnienie absolutne, musimy pamiętać o zsumowaniu ciśnienia hydrostatycznego i atmosferycznego. Np. na głębokości 30m panuje ciśnienie absolutne 4 atm (3 atm hydrostatyczne +1 atm powietrza). W wodzie morskiej każde 10 m słupa wody waży 1.03 kg tak więc wywołuje ciśnienie 1 atm. Tak wiec na głębokości 240m panuje ciśnienie absolutne 25 atm i równa się 25.75 kg/cm2.
Wiele pierwiastków występuje w stanie naturalnym jako gazy i ze względu na łatwą mieszalność nie występują raczej w stanie czystym, lecz jako mieszaniny. W atmosferze ziemskiej występuje sporo gazów, a są to: azot, tlen, argon, dwutlenek węgla, neon, hel, krypton, wodór, ksenon, radon (promieniotwórczy !), oraz tlenek węgla. Oprócz azotu i tlenu, pozostałe występują w tak małych stężeniach, że są zaniedbywalne. Podczas nurkowania możemy mieć styczność tylko z następującymi gazami: tlen, azot, dwutlenek węgla, tlenek węgla, hel, wodór, argon i neon.
W zwykłych warunkach standardowy skład atmosfery (objętościowo) przedstawia się następująco:
Azot (Nitrogen) 78.084%
Tlen ( Oxygen) 20.946%
Argon (Argon) 0.934%
Dwutlenek węgla ( Carbon Dioxyde) 0.033%
Pozostałe składniki zajmują mniej niż 0.003 %. Nie maja one wpływu na oddychanie. Z dobrym przybliżeniem można powiedzieć, że powietrze składa się z 79% azotu i 21% tlenu.
Azot jest pierwiastkiem łatwo reagującym z innymi substancjami tworzącym wiele związków chemicznych. Jako gaz występuje w cząsteczkach dwuatomowych (N2) i w takiej postaci jest "obojętny". (warto wspomnieć, że azot nie jest obojętny i np. w roślinach stanowi ważny czynnik procesów biochemicznych). Azot mimo dużego udziału w atmosferze, nie uczestniczy w procesie przemiany materii.
Podczas nurkowania wdychany azot może wywoływać sporo problemów. Mimo, że jest nieaktywny chemicznie, pod wysokim ciśnieniem oddziałuje na transmisję sygnałów w centralnym układzie nerwowym i może wywołać tzw. narkozę azotową.
W dodatku, oprócz efektu narkotycznego, azot rozpuszcza się w tkankach podczas oddychania pod wyższym ciśnieniem w czasie nurkowania. Z tego powodu muszą być przestrzegane limity czasowe podczas wynurzania, aby podczas uwalniania azotu nie tworzyły się w tkankach bąbelki gazu (choroba dekompresyjna).
Tlen jest bardzo aktywnym pierwiastkiem tworzącym wiele związków chemicznych z innymi pierwiastkami. Jest też jednym z bardziej rozpowszechnionych pierwiastków stanowiąc 20.946% atmosfery. Wielka obfitość tego gazu jest spowodowana głównie przez maleńki fitoplankton dobrze rozwijający się w rozległych, dobrze nasłonecznionych oceanach. Ten fitoplankton (głównie glony w tym okrzemki) produkują ponad 85% tlenu na Ziemi. Podobnie do azotu, swobodny tlen grupuje się w cząsteczki dwuatomowe O2. Jednak w odróżnieniu do azotu pozostaje nadal reaktywny i uczestniczy w procesach metabolizmu (zamiana pożywienia na energię potrzebną do życia).
Chociaż ciało potrzebuje tlenu do życia, jednak pod ciśnieniem staje się on gazem toksycznym. Kiedy oddychamy powietrzem podczas rekreacyjnego nurkowania nie ma to znaczenia. Jednak używając wzbogaconej mieszaniny (nitroksu)- zawierającej ponad 21% tlenu - nurek może osiągnąć głębokość na której może wystąpić takie zjawisko. (zatrucie tlenem)
Dwutlenek węgla CO2 jest kolejnym aktywnym czynnikiem rozpuszczającym się w wodzie. Woda morska zawiera znacznie więcej CO2 niż otaczające powietrze. Mimo iż pozbawiony koloru, zapachu i smaku, w większym stężeniu może mieć kwaśny zapach i smak. Np. napoje nasycone CO2 posiadają smak i zapach.
Głównym źródłem dwutlenku węgla w wodzie są zwierzęta, a właściwie ich oddychanie. (proces fotosyntezy redukuje ilość CO2 i wytwarza m.in. tlen) Drugim ważnym źródłem są zanieczyszczenia powietrza. Nurek jest zainteresowany kontrolą poziomu CO2, gdyż zbyt duży lub zbyt mały poziom CO2 może powodować problemy w organizmie.
Tlenek węgla jest przeważnie produkowany przez przemysł lub w procesach niekompletnego spalania. Jest bardzo trujący i jednocześnie pozbawiony smaku i zapachu a więc trudny do wykrycia w pomieszczeniach. Na szczęście często występuje z innymi czynnikami zapachowymi, co może ostrzec nurka przed niebezpieczeństwem. Choć zanieczyszczenie tlenkiem węgla jest raczej rzadkie, to jednak takie przypadki mogą wystąpić głównie podczas ładowania butli - np. gdy gazy spalinowe z silnika nie są prawidłowo odprowadzone z kompresora).
Hel występuje tak rzadko, że nie był znany do roku 1895.
Jest to bardzo lekki gaz (lżejszy jest tylko wodór), jest gazem szlachetnym (niereagującym chemicznie), w odróżnieniu od N2 i O2 nie formuje cząstek dwuatomowych. W nurkowaniu ma znaczenie jako czynnik zastępujący azot przy głębokich nurkowaniach gdyż nie wywołuje narkozy pod zwiększonym ciśnieniem. Mieszanki mogą zawierać helioks (hel + tlen) lub trimiks ( hel+azot+tlen)
Ponieważ hel ma małą masę atomową, mieszanki helowe mają mniejsze opory oddechowe pod wysokim ciśnieniem w porównaniu do mieszanek azotowych. Jednaj występują pewne problemy z mieszankami helowymi.
Po pierwsze nurkowie oddychający helioksem lub trimiksem muszą poddać się intensywnej i rozszerzonej procedurze dekompresji. Która nie tylko wymaga specjalnych tabel dekompresyjnych, ale także wymaga użycia specjalnych mieszanek oddechowych. Wykracza to daleko poza zakres rekreacyjnego nurkowania.
Drugi z problemów jest spowodowany małym ciężarem atomowym helu przez co zwiększona jest prędkość dźwięku. Przy próbie mówienia, głos jest zniekształcony i niezrozumiały. Na szczęście są urządzenia elektroniczne transformujące te dźwięki do zrozumiałej postaci.
Po trzecie hel bardzo dobrze przewodzi ciepło w związku z czym nie jest używany w suchych skafandrach. Należy wtedy używać innego gazu (np. argonu) do pompowania skafandra. Jednak używanie innego gazu może zmieniać wymagania dekompresyjne, gdyż jeżeli skórę otacza gaz inny niż oddechowy może nastąpić zjawisko nazywane kontrdyfuzją izobaryczną (isobaric countertransport).
Ostatnim problemem jest zaobserwowane zjawisko syndromu wysokich ciśnień ( HPNS - high pressure nervous syndrom) występującego przy wysokim ciśnieniu. Objawy to drżenie mięśni zawroty głowy i nudności na dużej głębokości. Można tego częściowo uniknąć dodając azot do mieszani oddechowej opartej na helu, gdyż narkoza azotowa łagodzi efekt HPNS.
Jest najlżejszym z gazów i prawdopodobnie najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we wszechświecie. Jest bardzo rozpowszechniony na Ziemi (można go otrzymać poprzez elektrolizę wody) może być użyty jako zamiennik helu w głębokich nurkowaniach. Jest dużo tańszy i nie wywołuje efektu HPNS.
Problemem jest jednak bardzo wysoka reaktywność wodoru. W zetknięciu z powietrzem tworzy mieszankę wybuchową. Tego niebezpieczeństwa można uniknąć obniżając zawartość tlenu w mieszance do 4% lub mniej. Z wcześniejszych rozważań wynika, że taka ilość wystarczy dla nurkowania poniżej 30m głębokości. Zanim osiągnie się taką głębokość należy używać innych mieszanek.
Nurkowanie z mieszanką wodorową jest wciąż w fazie eksperymentalnej. Trzeba przede wszystkim zachować odpowiednie procedury chroniące przed wybuchem. Nikt nie powinien używać wodoru bez specjalnego przeszkolenia.
Jest to gaz szlachetny. Użycie neonu jest również w fazie eksperymentalnej, ale jest bardzo obiecujący jako zamiennik helu w mieszankach. Nie zmienia głosu, nie wywołuje efektu narkotycznego. Jednak z powodu dużego ciężaru cząsteczkowego, oddychanie pod dużym ciśnieniem jest trudniejsze niż helem.
Otrzymywanie neonu jest bardzo kosztowne, otrzymuje się go destylując powietrze
Chociaż fizjologicznie obojętny, argon jest bardzo ciężkim gazem z silnymi własnościami narkotycznymi. Nie jest używany w mieszankach oddechowych gdyż efekty narkotyczne występują już na 6 m . Jest też trudny w oddychaniu. Jednakże jest wspaniałym gazem do wypełniania skafandra gdyż ma niewielkie ciepło właściwe. Aby uniknąć oddychania argonem pod wodą zawory do argonu są inne niż do powietrza, tlenu lub nitroksu.
Kinetyczna teoria gazów wyjaśnia ich zachowanie pod wpływem ciśnienia i temperatury. Teoria ta wiąże energię kinetyczną (ruch cząstek) z temperaturą. Molekuły gazu są stosunkowo daleko jedna od drugiej i są w ciągłym ruchu. Żeby uzmysłowić sobie skalę zjawiska - w zamkniętym naczyniu, w temperaturze pokojowej i ciśnieniu 1atm ponad 330.000.000.000.000.000.000.000 ( 330*1021) cząstek uderza w każdy cm2 powierzchni naczynia. Ciśnienie gazu odzwierciedla nacisk (ciągłe uderzanie) tych cząstek w ścianki naczynia
Energia kinetyczna cząstki zależy od jej prędkości i masy. Ich prędkość powiązana jest z temperaturą, zaś masa cząsteczki zależy od rodzaju substancji. Czym większa temperatura, tym większa ruchliwość cząstek i tym szybciej uderzają one w ścianki naczynia - wywołują większe ciśnienie. Cięższym cząstkom wystarcza mniejsza szybkość, aby wywołać to samo ciśnienie.
Prostą analogię stanowi piłka tenisowa i futbolowa. Uderzone z tą samą siłą, lecą z różnymi prędkościami (tenisowa szybciej., futbolowa wolniej). Jednak uderzając w ścianę wywołują tą samą siłę, dzięki temu, że mniej masywna piłka tenisowa porusza się szybciej.
Różne gazy, w tej samej temperaturze i ciśnieniu zachowują tą wzajemną relację między prędkością i masą molekuły. Cząstki w lżejszych gazach poruszają się szybciej. Z kinetycznej teorii gazów wynika, że porcja gazu w określonej temperaturze ma energię kinetyczną taką jak ta sama ilość molekuł innego gazu w tej samej temperaturze.
(mowa o tzw "gazach idealnych", ale to przybliżenie jest prawidłowe przy ciśnieniu i temperaturze z jakimi mamy do czynienia podczas nurkowania).
Dodatkowo temperatura i ciśnienie są powiązane z objętością gazu. Wyobraźmy sobie balon z gazem. Po ściśnięciu jego objętość maleje i molekuły zbliżają się do siebie. Z tego powodu zderzają się częściej ze ściankami balonu, co obserwujemy jako zwiększone ciśnienie. Analogicznie przy rozprężaniu zwiększa się objętość i zmniejsza ciśnienie.
Kolejnym aspektem kinetycznej teorii gazów jest określenie liczby cząstek zajmujących określoną przestrzeń. W 1811r włoski naukowiec Amadeo Avogadro odkrył interesujące zjawisko. Obliczył on, że określona objętość gazu w tej samej temperaturze i ciśnieniu zawsze zawiera tą samą liczbę molekuł - niezależnie od rodzaju gazu!. Określił on, że w temp 00C , ciśnieniu 1atm - 22,4 litry gazu zawierają 602,257 miliardów bilionów cząsteczek!! ( 6.02*1023). Jest to tzw. liczba Avogadro. Określa liczbę molekuł w 1 molu substancji. Przekłada się to na prostą zależność: 1 mol substancji waży tyle gramów ile wynosi jego masa atomowa. Np. 1 mol tlenu O2 waży 2 x 16 g (16 to jego masa atomowa) a tym samym 32 gramy tlenu zajmują 22,4 litra objętości.
Z teorii kinetycznej gazów wynika jedno równanie określające zachowanie dowolnego gazu pod wpływem ciśnienia (P) temperatury (T) i objętości (V)
P V = n RT
n- liczna moli, R- uniwersalna stała gazowa wynosząca 8.314 J/K (dżul/kelvin). Pamiętać należy, że T jest temperaturą w skali absolutnej (Kelvina). Prawo to łączy z sobą prawo Charles'a i Boyle'a które dotąd były postrzegane osobno.
Sir Robert Boyle był XVII-to wiecznym irlandzkim naukowcem, zainspirowanym pracami Toricellego. Podczas gdy Toricelli pierwszy określił ciśnienie atmosferyczne, Boyle próbował określić co dzieje się z gazem pod wpływem zmian ciśnienia. Przeprowadził słynny eksperyment z jednostronnie zamkniętą U-rurką częściowo wypełnioną rtęcią. Od strony zamkniętej pozostawił określoną objętość powietrza.
Następnie zaczął dolewać rtęć do otwartego końca aż objętość zamknięta zmniejszyła się dwukrotnie. Zaobserwował, że aby tak się stało należy dodać 760 mm słupa rtęci. Pamiętając, że ciśnienie atmosferyczne wynosi właśnie 760 mm słupa rtęci doszedł do wniosku, że aby zmniejszyć dwukrotnie objętość gazu należy dwukrotnie zwiększyć ciśnienie (uzyskał bowiem w rurce ciśnienie 2 atm) .Prawo Boyle'a brzmi więc następująco: W stałej temperaturze, objętość gazu jest odwrotnie proporcjonalna do jego ciśnienia (zwiększanie ciśnienia zmniejsza objętość). Takie doświadczenie można przeprowadzić również z wodą zamiast rtęci, ale jest to niewygodne bo trzeba użyć aż 10m słupa wody.
Z tego prawa wynika, że jeżeli np. balonik ma na powierzchni (pod ciśnieniem 1atm) objętość to redukuje się ona wraz ze zwiększaniem głębokości : 10m - 1/2V; 20m -1/3V, 30m - 1/4V itd..
Relacja ta może oczywiście posłużyć do określania redukcji objętości na dowolnej głębokości.
Prawo Boyle'a można zapisać matematycznie:
P V = K, gdzie K jest stałe,
Do konkretnych rachunków można skorzystać z proporcji
P1V1=P2V2 (oczywiście przy zachowaniu stałej temperatury.)
Jako przykład weźmy balon o objętości 1 litr na powierzchni (czyli ciśnieniu 1atm) Chcemy go zanurzyć na głębokość 20 m (czyli 3 atm)
Piszemy:
1l * 1atm =V*3atm i stąd V=1l*1atm/3atm=1/3l
Ponieważ stała K się nie zmienia, formuła P V =K jest bardzo wygodna przy określaniu jak dana objętość będzie się zmieniać wraz z dowolną zmianą głębokości.
Rozważmy inny przykład. Nurek próbuje wydobyć obiekt, zatopiony na głębokości 26m w morzu. Załóżmy, że nie jest dostępna winda powietrzna. Można w tym celu użyć dętki. Należy upewnić się, że dętka wytrzyma nadmuchanie do odpowiedniej objętości potrzebnej do podniesienia obiektu z dna.
Załóżmy, że wymagana jest siła 29kG do uzyskania zerowej pływalności. Rozwiązując problem należy określić:
P1- absolutne ciśnienie na głębokości 26m wynosi: 3.6 atm (2.6 atm wody + 1atm atmosfery)
V1- Objętość potrzebna do wyzerowania pływalności : 28.15 l ( 1 litr wody morskiej ma mase 1.03 kg , stąd 1.03*28.15=29
P2=1atm ( ciśnienie na powierzchni)
V2 - nieznana objętość na powierzchni.
Wstawiamy do prawa Boyle'a:
3.6 atm * 28.15 l = 1 atm *V2, skąd V2=3.6*28.15/1= 101.3 l
Zakładając, że nurek dowiedział się, że dętka wytrzyma nadmuchanie do objętości 101.3 litra , może próbować podnieść obiekt z dna bez ryzyka rozerwania dętki.
Prawo to stosujemy zawsze, gdy jeden z parametrów jest nieznany, zaś znamy pozostałe trzy. Pamiętać należy żeby zawsze używać tych samych jednostek po obu stronach równania (nigdy nie mieszać np. kilogramów i funtów)
Podczas gdy ciśnienie i objętość są do siebie odwrotnie proporcjonalne, ciśnienie i gęstość są wprost proporcjonalne. Np. gaz pod ciśnieniem 2 atm jest 2 razy bardziej gęsty niż gaz pod ciśnieniem 1 atm (ta sama objętość waży dwa razy więcej). To wyjaśnia dlaczego zanurzony głębiej nurek zużywa znacznie więcej powietrza z butli. Automat podaje powietrze pod takim ciśnieniem jakie ma otaczająca woda. Na dużej głębokości ciśnienie jest większe, czyli nurek oddycha zagęszczonym gazem. Np. przy ciśnieniu 3 atm (na głębokości 20m) nurek zużywa trzykrotnie więcej powietrza niż na powierzchni (butli starcza mu na ok. 1/3 czasu w porównaniu z oddechem na powierzchni). Te zależności pozwalają zgrubnie ocenić zapotrzebowanie na powietrze podczas nurkowania. Dokładne określenie nie jest jednak możliwe z dwóch powodów: 1) indywidualne zapotrzebowanie na powietrze zmienia się drastyczne np. w wyniku stresu czy zimna, 2) nurek rzadko przebywa na jednej głębokości podczas nurkowania.
Prawo Bole'a wiąże ciśnienie z objętością, nie bierze jednak pod uwagę trzeciego czynnika: temperatury. Wpływ temperatury na zachowanie gazów opracował francuski naukowiec Jacques Charles (wiele jego prac zostało opublikowanych później przez jego kolegę Josepha Gay-Lussac'a). Podczas swych eksperymentów Charles zauważył, że jeżeli ciśnienie gazu pozostaje stałe, to wraz ze wzrostem temperatury rośnie jego objętość. Na podstawie tego sformułował prawo: ze zmianą temperatury objętość gazu zmienia się proporcjonalnie (to samo dotyczy ciśnienia przy ustalonej objętości). Można tu zapamiętać przybliżoną regułę, że z każdym 1OC ciśnienie w butli zmienia się o ok. 0.6 bara. Dla dokładnych obliczeń stosujemy prawo Charlesa w zapisie matematycznym:
P * V / T =K, gdzie K jest stałe, T jest wyrażone w kelwinach. Widać podobieństwo w zapisie prawa Boyle'a i prawa Charlesa.
Prawo to często zapisuje się w formie proporcji:
P1*V1 / T1=P2*V2/T2
Poniżej przykłady wykorzystanie tego prawa:
Przykład 1
12 litrowa butla podgrzała się podczas napełniania do 520C . Butla ma być użyta w wodzie o temp 70C . Ciśnienie w butli po wejściu do wody obliczamy następująco:
P1=200bar +1bar ( atmosfera) =201bar
V1=V2=12l ( objętość butli nie zmienia się)
T1=520C=52+273K=325K
T2=70C=7+273K=280K !!!!!!!Bardzo ważne aby wyrażać temperaturę w kelwinach !!!
P1*V1/T1=P2*V2/T2 => P1/T1=P2/T2 (objętości są te same)
P2=P1/T1*T2=201bar/325K*280K=173 bar absolutnego ciśnienia.
Manometr wskaże ciśnienie względne czyli 173-1=172 bar
Przykład 2
Sprężarka ma wydajność 500 l /min. Temperatura na powierzchni wynosi 290C . Nurek będzie pracował na głębokości 55m w temperaturze 50C . Jak oszacować ile powietrza dostarczy kompresor na podaną głębokość?
P1=1bar, V1=500l,
T1=302K
P2=6.5 bar (ciśnienie absolutne)
T2=278 K
V2 - niewiadoma
Mamy więc:
P1 V1/T1=P2 V2/T2 => V2=P1 V1/T1*T2/P2
V2=1 bar*500l/302K*278K/6.5 bar=70.81 litrów
Taką wydajność będzie mieć na głębokości 55m powierzchniowy kompresor.
Takie nurkowanie wymaga odpowiedniego podejścia gdyż na większej wysokości panuje niższe ciśnienie atmosferyczne.
Można zapamiętać regułę, że co 300 metrów ciśnienie spada o ok. 0.035 atm w zakresie do 3000 metrów n.p.m.
Prawo przemian gazowych opisuje zachowanie gazów i ich mieszanin. Jednak inne cechy gazów również odgrywają rolę podczas nurkowania i oddychania pod zwiększonym ciśnieniem jak choćby reaktywność chemiczna gazów w zależności od proporcji mieszanin.
Podczas mieszania gazów zachodzi zjawisko dyfuzji. W wyniku tego gazy mieszają się nawet, jeśli ich cząsteczki mają różną masę i rozmiary. Odpowiada za to nieustanny ruch cząstek. Jednak nawet zmieszane, gazy często zachowują swoje indywidualne własności pod wpływem ciśnienia.
Pierwszym, który badał to zjawisko był angielski uczony John Dalton. Podsumowując swoje eksperymenty z mieszaninami gazów sformułował prawo: całkowite ciśnienie wywierane przez mieszaninę gazów jest równe sumie ciśnień poszczególnych gazów tworzących tą mieszaninę.
Oznacza to po prostu, ze każdy ze składników mieszaniny gazowej oddziałuje niezależnie. Indywidualne ciśnienie wywierane prze składnik mieszaniny jest proporcjonalne do ilości molekuł tego składnika. To indywidualne ciśnienie jest nazwane ciśnieniem parcjalnym (partial pressure - pp). Ciśnienia parcjalne składników sumują się dając całkowite ciśnienie mieszaniny. Zrozumienie pojęcia ciśnienia parcjalnego jest ważne, gdyż jak to będzie wyjaśnione później, zarówno dyfuzja jak i rozpuszczalność gazów w ciele człowieka zależy od ich ciśnienia parcjalnego.
Jako przykład weźmy powietrze. W przybliżeniu jest ono mieszaniną tlenu (21%) i azotu (79%). Pod ciśnieniem 1 atm, każdy ze składników wywiera ciśnienie odpowiednio 0.21atm i 0.79atm.
Wyobraźmy sobie, że zwiększamy ciśnienie do 2 atm bez dodawania powietrza. Z prawa Boyle'a wynika ze objętość zmniejszy się dwukrotnie. Każdy ze składników będzie wywierał teraz ciśnienie odpowiednio: tlen - 2*0.21=0.42 atm, azot 2*0.79=1.58 atm.
Matematycznie prawo Daltona można napisać następująco:
P całkowite= pp A + pp B + pp C .....
Gdzie pp A - P całkowite * %mieszaniny A, itd.
Przykład ilustrujący wykorzystanie prawa Daltona: dana jest mieszanina - 1%CO2, 79%N2, 20% O2, Jakie będzie ciśnienie parcjalne azotu na głębokości 40 m ?
%N2 = 79%, Na głębokości 40m panuje ciśnienie 5atm, tak więc ciśnienie parcjalne azotu wynosi:
pp N2=5*0.79 =3.95 atm
Przy obliczeniach, jak zwykle należy pamiętać o używaniu jednakowych jednostek. Wszystkie te rozważania można prowadzić np. w mmHg.
Poprzednia dyskusja dot. Prawa Boyle'a pokazuje, że jeżeli zwiększa się ciśnienie otoczenia, to gaz zamknięty w sprężystym pojemniku (jak np. balon) zmniejsza swoja objętość. Podobnie zachowują się płuca człowieka. Ażeby zachować niezmieniona objętość przy zwiększaniu ciśnienia należy dodać gaz do pojemnika. Jest to zasadniczy powód, dla którego nurkowie używają automatu regulującego ciśnienie podawanej mieszanki.
Podczas gdy skład procentowy mieszaniny nie zmienia się ze zmianami ciśnienia, liczba cząstek rośnie proporcjonalnie do tych zmian. Gdy przykładowo teoretyczna objętość płuc zawiera 100*1021 molekuł z których 79*1021 to molekuły N2 zaś 21*1021 to molekuły O2. Gdyby na powierzchni wziąć oddech czystym tlenem w płucach znalazłoby się 100 *1021 cząsteczek O2.
Gdy ciśnienie wzrasta pięciokrotnie (tak dzieje się na 40m głębokości) oddech zawiera 500*1021 cząstek powietrza czyli 395*1021 cząstek N2 oraz 105*1021 cząstek O2. Widać, że przy takim ciśnieniu ilość molekuł tlenu w płucach jest taka jak przy oddechu czystym tlenem na powierzchni. Z fizjologicznego punktu widzenia oddech zależy od ciśnienia parcjalnego tlenu, pozostałe składniki mieszanki nie biorą udziału w procesach fizjologicznych.
Oznacza to, że porównywalny efekt oddechowy można osiągnąć mieszanką tlenu i gazu obojętnego pod wysokim ciśnieniem jak oddychając czystym tlenem na powierzchni, byleby jego ciśnienie parcjalne było jednakowe. Efekt ten nazywamy ekwiwalentem powierzchniowym (surface equivalency). Zjawisko to jest bardzo groźne w przypadku szkodliwych domieszek.
Wyobraźmy sobie mieszankę zawierająca 0.5% tlenku węgla CO. W takim stężeniu na powierzchni oddychanie nim jest niemal nieszkodliwe. Ciśnienie parcjalne CO wynosi bowiem 0.005 atm. Jednak na głębokości 40m, gdzie ciśnienie wynosi 5atm, ciśnienie parcjalne CO zwiększa się do 0.025 atm. Ilość molekuł CO wdychanych przez nurka jest taka, jakby na powierzchni oddychał mieszanka zawierająca 2.5% CO co jest już poziomem trującym. Nic w składzie mieszanki nie uległo zmianie. Zatrucie byłoby wynikiem działania prawa Daltona.
n) nurkowanie na wzbogaconych mieszankach a prawo Daltona
Wzbogacanie w tlen zmniejsza udział azotu w mieszance. Popularne jest stosowanie nitroksu 32% tlenu/68% azotu lub 36% O2/64%N2. Nurkowanie na wzbogaconych mieszankach wymaga dodatkowego szkolenia i uprawnień. Z powodu mniejszego udziału azotu zwiększa się czas nurkowania bez potrzeby dekompresji.
Istnieją specjalne tabele bezdekompresyjne dla wzbogaconych mieszanek. Można też użyć zwykłych tabel do wyliczania ekwiwalentnej głębokości powietrznej (Equivalent Air Depth - EAD) Jest to specjalna modyfikacja prawa Daltona:
EAD=[(1-%O2)*(głębokość w metrach +10) / 0.79] - 10
Ta formuła pozwala wyliczać głębokość, na której ciśnienie parcjalne N2 przy oddychaniu powietrzem jest takie jak ciśnienie parcjalne N2 z użyciem wzbogaconej mieszanki. (1-%O2) to nic innego jak udział N2. (głębokość +10) służy do określenia absolutnego ciśnienia, zaś 0.79 w mianowniku to udział azotu w powietrzu. W rezultacie otrzymujemy głębokość na której ciśnienie parcjalne azotu odpowiada ciśnieniu parcjalnemu w czystym powietrzu.
Oddychając nitroksem musimy uwzględnić ciśnienie parcjalne tlenu. Limit tego ciśnienia to 1.4 atm. Powyżej istnieje ryzyko toksycznego działania tlenu na organizm. Głębokość, na której nurek osiągnie tą granicę łatwo określić na podstawie prawa Daltona:
pp O2 = ciśnienie całkowite * % O2
1.4 atm = ciśnienia całkowite * 0.21
ciśnienie całkowite= 1.4/0.21=6.67atm
6.67 - 1 = ciśnienie słupa wody
Takie ciśnienie jest osiągane na głębokości 56.7m Dla bezpieczeństwa przyjmuje się granice bezpiecznego nurkowania rekreacyjnego na 40m.
W [przypadku mieszanki z 36% udziałem tlenu łatwo obliczyć, że ta granica wynosi ok. 28.9 m
Każdy, kto słodzi kawę zapoznał się doświadczalnie ze zjawiskiem rozpuszczania. Cukier osładza całą objętość filiżanki z kawą (i innymi napojami) ponieważ rozpada się na tak małe cząsteczki, że nie mogą być dostrzeżone gołym okiem i zostają rozprowadzone po całej objętości cieczy. Od tej chwili cząsteczki ciała stałego (np. cukru) są zatrzymane w postaci molekuł wewnątrz cieczy.
Podobnie dzieje się z gazami. Wielu z nas doświadczyło, co się dzieje po szybkim otwarciu wcześniej wstrząśniętej butelki z wodą mineralną. Gaz w postaci bąbelków wydobywa się z całej objętości cieczy powodując gwałtowne rozpryskiwanie cieczy. Przekonuje nas to naocznie, że gaz znajdował się wewnątrz cieczy i pozostawał tam, dopóki nie zmieniły się warunki otoczenia
W poprzednich rozdziałach omawiane były stany skupienia materii. Stan ciekły był niejako pomiędzy stanem stałym i gazowym. Inaczej mówiąc wzajemne odległości pomiędzy molekułami cieczy były mniejsze niż w gazie i większe niż w ciele stałym (Za wyjątkiem niezwykłego zachowania wody w temp 40C ). Ta przestrzeń między cząsteczkami cieczy jest wystarczająca do penetracji przez gaz. Mówimy wtedy, że gaz rozpuszcza się w cieczy.
Interesujące jest to, że gaz, choć rozpuszczony w cieczy często zachowuje swoje właściwości. Chociaż molekuły gazu są kompletnie otoczone przez ciecz, wywiera on nadal ciśnienie tak jakby wewnątrz cieczy. Mówimy wtedy o tzw. prężności gazu.
Jak dużo gazu może rozpuścić się w cieczy zależy od wielu czynników. Pierwszym badaczem, który zajął się takimi zjawiskami był William Henry, angielski chemik i fizyk, bliski współpracownik Daltona.
W toku eksperymentów Henry doszedł do wniosku że: ilość gazu, która rozpuszcza się w cieczy w danej temperaturze jest proporcjonalna do ciśnienia parcjalnego tego gazu. Są więc dwa czynniki mające wpływ na rozpuszczalność gazu w danej cieczy: ciśnienie parcjalne i temperatura.
Wyobraźmy sobie pojemnik z wodą, w której nie jest rozpuszczony żaden gaz. Tak więc prężność gazu wynosi zero. W kontakcie ze środowiskiem gazowym, molekuły gazu natychmiast zaczną wnikać do cieczy przechodząc z prężności wyższej do niższej. Analogia z rozprężającym się powietrzem z butli po otwarciu zaworu jest właściwa. Wnikający w środowisko cieczy gaz zwiększa swą prężność, aż do momentu wyrównania ciśnienia. Zgodnie z prawem Daltona, ciśnienie wywołane przez gaz w cieczy jest niezależne od obecności innych gazów. Np. jeśli naczynie z cieczą jest umieszczone w czystym azocie, molekuły N2 będą wnikać w ciecz aż prężność osiągnie poziom ciśnienia parcjalnego zewnętrznego gazu. Jeżeli zewnętrzne ciśnienie (całkowite) wzrośnie nagle z powodu dodania tlenu, nie wpłynie to na rozpuszczalność azotu. W takim przypadku tlen zacznie gwałtownie wnikać w ciecz aż do osiągnięcia równowagi.
Różnica między ciśnieniem parcjalnym gazu kontaktującego się z cieczą, a prężnością gazu w cieczy nazywana jest gradientem ciśnienia. Kiedy zwiększamy gradient ciśnienia, zwiększa się szybkość rozpuszczania gazu w cieczy. Powiększanie liczby molekuł wnikających w ciecz w procesie rozpuszczania zmniejsza gradient i spowalnia rozpuszczanie. Proces ten ustaje po osiągnięciu równowagi. Ta równowaga polega na tym, że ciągle ta sama liczba molekuł wnika w ciecz i ta sama z niej się wydostaje. Stan taki nazywamy nasyceniem.
Powróćmy do naczynia z wodą i wyobraźmy sobie, że umieszczamy ją w komorze ciśnieniowej. Kiedy zwiększamy ciśnienie, zgodnie z prawem Henry'ego zwiększa się nasycenie wody gazami atmosferycznymi. Gaz rozpuszcza się w wodzie, aż do osiągnięcia równowagi ciśnień (nasycenia). Wyobraźmy sobie teraz, że zmniejszamy ciśnienie w komorze. Następuje wtedy zjawisko odwrotne do rozpuszczania. Mniejsze ciśnienie zewnętrzne oznacza, że gaz rozpuszczony w wodzie ma większą prężność niż ciśnienie zewnętrzne. Taką ciecz nazywamy przesyconą (supersaturated) czyli zawierającą więcej gazu niż może utrzymać pod danym ciśnieniem.
Ponieważ gaz dąży do osiągnięcia stanu równowagi, zaczyna się on wydobywać z cieczy, dążąc do zmniejszania gradientu ciśnienia. Dopóki redukcja ciśnienia odbywa się stopniowo i gradient ciśnienia nie jest zbyt duży, rozpuszczony gaz wydobywa się z roztworu bez tworzenia bąbelków. Jeśli wystąpi gwałtowny spadek ciśnienia zewnętrznego (duży gradient ciśnienia) proces desaturacji zachodzi tak szybko, że gaz zaczyna formować charakterystyczne bąbelki.
Tak dzieję się właśnie po wstrząśnięciu butelki z gazowanym napojem i gwałtownym otwarciu butelki.
Takie zjawisko może mieć fatalne skutki dla organizmu, z powodu rozpuszczenia azotu w tkankach podczas nurkowania.
Oprócz ciśnienia, kolejny czynnik - temperatura - ma wpływ na rozpuszczalność gazów. W fizjologii człowieka ten czynnik na ogół nie jest brany pod uwagę z powodu stałocieplności organizmu ludzkiego.
Bazując na budowie cząsteczkowej gazów i znając wpływ ciśnienia na ich zachowanie łatwiej zrozumieć wpływ temperatury na proces rozpuszczania.
Przypomnijmy sobie, że zwiększenie temperatury zwiększa ruchliwość cząstek cieczy. Ta większa ruchliwość zmniejsza efektywną przestrzeń między cząsteczkami cieczy, w którą molekuły gazu mogłyby wniknąć. Tak, więc przy wyższej temperaturze rozpuszczalność gazów maleje. Wyjaśnia to np. powstawanie małych bąbelków gazu zanim woda zacznie wrzeć podczas gotowania. To nie para wodna, lecz rozpuszczone w wodzie powietrze z powodu wzrostu temperatury próbuje wydostać się z cieczy.
Powracając do problemu rozpuszczania gazu w organizmie, mimo iż analogia z naczyniem z wodą jest niezła, jednak występuje tu kilka ważnych różnic.
Po pierwsze nie wszystkie tkanki absorbują gazy w jednakowy sposób. Współczynnik absorpcji zależy również od krążenia krwi w różnych tkankach (perfuzja). Ponadto różne gazy różnie rozpuszczają się w różnych tkankach, zaś tkanki różnie oddają gaz podczas odwrotnego procesu. Biorąc pod uwagę np. tą samą ilość krwi ilość tkanki tłuszczowej, okazuje się, że pod tym samym ciśnieniem, tkanka tłuszczowa absorbuje więcej azotu. Podczas nurkowania różne tkanki absorbują różną ilość N2. Gdyby poczekać odpowiednio długo wszystkie tkanki uległyby nasyceniu, jednak podczas nurkowania na ogół mamy ograniczony czas, więc jedne tkanki nasycają się bardziej, inne mniej.
Przewidzenie, jak gazy obojętne wnikają i opuszczają ciało jest bardzo skomplikowane, jednak nurkom wystarcza szacunkowa ocena do ochrony przed chorobą dekompresyjną.
W części drugiej - Fizjologia Nurkowania, będzie wyjaśnione jak prawo Henry'ego pomaga skonstruować poprawny model dekompresji.