Воздушная среда и ее свойства. Парциальное давление газов

В процессе эволюционного развития человеческий организм совершенствовался и приспособлялся к существованию в воздушной среде. Нормальная жизнедеятельность всех органов и тканей человека зависит от газового состава воздуха, атмосферного давления, температуры, влажности и других факторов внешней среды. Значительные изменения этих факторов могут вызывать существенные нарушения в организме. Окружающий нас атмосферный воздух является дыхательной газовой смесью имеющей следующий постоянный сос­тав: азота – около 78 % (по объему), кислорода – около 21 %, угле­кислого газа – около 0,03%. Кроме этих газов, в состав атмосфе­рного воздуха входит целый ряд других газов (аргон, гелий, неон, криптон, ксенон и др.), но практического влияния на организм  водолазов и подводников эти газы не оказывают, т. к. находятся в воздухе в ничтожно малых количествах. В атмосферном воздухе присутствуют также водяные пары (до 4% по объему). Высокая влажность воздуха может вызывать у человека нарушение нормальных процессов выделения и поглощения тепла. Вся масса атмосферного воздуха своим весом давит на по­верхность  земли  и  находящиеся  на  ней  предметы  и  человека  с  силой, уравновешиваемой столбом ртути в 760 мм на уровне мо­ря, на широте  45° при 0° С. Эта величина, принятая за едини­цу давления, называется физической атмосферой и обозначается атм (атм = 760 мм рт. ст. или 10,33 м  вод.ст., что  соответст­вует 1,033 кгс/см ). Атмосферное (барометрическое) давление, равное 1 атм, на-зывается  нормальным.   В  технике  и  водолазном  деле  за  единицу  давления  принимают  давление  в 1 кгс/см. Эта  единица  назы­вается технической атмосферой и обозначается ат (1 ат = 1кгс/см2, что соответствует 10 м  вод.ст. или  735,6 мм  рт.ст., или  0,968 атм). Поверхность  тела  человека  составляет  1,5…2 м 2.  Следова­тельно,  сила, с  которой  атмосферный  воздух  давит  на  тело  чело­века, составляет 15…20 тс. Однако человек этого не ощущает, т. к.  его  тело  состоит  из  65 %  жидких  и  35 %  твердых  веществ, практически  не  сжимаемых. Кроме того, газ, растворяясь в организме, а также сжимаясь в воздухоносных полостях, создает противодавление, рав­ное окружа-ющему давлению. Если выкачивать воздух из воздухоносных полостей, человек  сразу  ощутит  всю  тяжесть  столба  воздуха. Тело  водолаза  или  подводника, находящегося  в  воде, испы­тывает  дополнительное  давление  от  веса  столба  воды. На  каждые  10 м  погружения  в  воду  тело  испытывает  допол­нительное  давление  в  1 ат. Оно называется избыточным и обоз­начается  ати.   Сумма  избыточного  и  атмосферного  давлений назы­вается  абсолютным  давлением  и  обозначается ата. Например, на  глубине  20 м  на  водолаза  будет  действовать  абсолютное  дав­ление,  равное  3 ата   (2 ати  за  счет  давления  столба  воды  и  1 ат за  счет  давления  воздуха). В  водолазной  практике  давление  определяют  водолазными манометрами, которые  всегда  показывают  величину  избыточного давления.  Однако  необходимо  принять  во  внимание  величину абсолютного  давления, т. к.  абсолютное  давление  является  опре­деляющим  при  возникновении  тех  или  иных  нарушений  в  нашем организме. Для того чтобы водолаз или подводник не ощущал повышен­ного  давления  при  спусках  под  воду, необходимо  для  дыхания  применять  воздух, сжатый  до  окружающего  давления, который, проникая  во  все  полости  и  ткани  организма, будет  уравновеши­вать  внешнее  давление.  Равенство  внешнего  и  внутреннего  дав­лений  –  основное  условие  спусков  под  воду.   Его  необходимо  строго  соблюдать. Газы  характеризуются  следующими  величинами:  массой, за­нимаемым  объемом, давлением  и  температурой.  Все  эти  величины  взаимосвязаны  и  взаимозависимы:  при  изменении  одной  из  них  меняются  все  остальные. Обратно пропорциональная зависимость  между  объемом  газа  и  давлением  при  неизмен­ной  температуре  устанавливается  законом  Бойля-Мариотта: P1V1 = P2V2, где  P1 и P2  –  начальное  и  конечное  давление  газа, ат;        V1 и V2  – начальный и конечный объемы газа, л (или м3). Из этого закона следует, что при увеличении давления объем будет уменьшаться. Пользуясь этим выражением, можно определить запас возду­ха, находящегося в баллонах дыхательного аппарата. Например, в  двух  баллонах, емкостью  по 1 л  каждый, под давлением  200 ат  находится приведенного  к  нормальному  давлению  воздуха. При  одном  и  том  же  давлении  повышение температуры  газа  приводит  к  увеличению  его  объема:  "Объем  данной массы  газа  при  постоянном  давлении  прямо  пропорционален  температуре" (закон  Гей-Люссака).  Такая  же  зависимость  существует  между давлением  газа и  его температурой  при  постоянном  объеме (закон Шарля).Эти соотношения можно выразить  формулами: где: V1 и V2 – начальный и конечный объем газов при постоянном давлении, л; t1 и t2 – начальная и конечная температура газа, °С; P1 и P2  – начальное и конечное давление газов при постоянном объеме, ат. Из  данных  формул  видно,  что  в  случае  повышения  или  понижения  окружающей  температуры  объем  газа  будет  меняться,  а  при  неизменном  объеме  будет  повышаться  или  понижаться  давление  газа  в  сосуде. Поправку  на  температуру,  т.е.  повышение  или  понижение  давления  в  баллонах  в  зависимости  от  температуры, водолазы  учитывают  при  подводных  погружениях. ПРИМЕР.  При  температуре  27°С  давление  газа  в  баллоне  равно  200 ат. Каким  будет  давление  газа  при  погружении  под  воду, если  температура  воды  10°С? По  формуле  находим:

Температурный  фактор  имеет  существенное  значение  при  хранении  газа  в  баллонах:  баллоны  с  газом  под  давлением  нельзя  хранить  вблизи  отопительных  приборов  и  под  воздействием  солнечных  лучей, так  как  давление  может  повыситься  до  величин, превышающих  допустимые. Если  между  газами  нет  химического  взаимодействия, то  они  относятся  друг  к  другу  индифферентно  и  смешиваются  во  всех  пропорциях.  Каждый  из  них  распространяется  по  объему  так, как  если  бы  других  газов  совершенно  не  было.  Этим  пользуются  в  водолазном деле при приготовлении дыхательных газовых смесей, применяемых  при  глубоководных  спусках. Влияние на организм оказывают не столько процентное содер-жание  газа  в  газовой  смеси, сколько  его  парциальное  давление, т.е.  давление,  создаваемое  каждым  газом  в  отдельности. При изменении окружающего давления процентное соотношение газов в составе газовой смеси не меняется, а изменяется их парциальное давление. Парциальное  давление  газа  зависит  от  общего  (абсолютного)  давления  смеси  газов  и  процентного  содержания  газа  по  объему  в  смеси.  Оно  определяется  по  формуле:

где а – процентное  содержание  газа  в  газовой  смеси; Р  –  общее  давление  газовой  смеси; ρ –  парциальное  давление  газа. Парциальное давление газа может быть выражено в мм рт.ст.,  мм  вод.ст., в  ата или в кПа. Парциальное  давление  газов  атмосферного  воздуха  равно:

около 8 мм рт.ст. приходится на долю инертных газов. Зная  парциальное  давление  газа  и  его  процентное  содержание,  всегда  можно  найти  общее  давление  газовой  смеси и,  наоборот,  зная  давление  и  процентное  содержание  газа  в  смеси,  можно  рассчитать  парциальное  давление.