Газові суміші. Розрахунок обсягу споживання газів в дайвінг RMV і SAC У скільки разів зміниться витрата повітря аквалангіста

Страх занурення - один з найбільших страхів людини. Він притаманний навіть дайверам з хорошим досвідом. У чому суть цього страху? Найчастіше це не страх перед фауною глибин, і не боязнь декомпрессионной хвороби. І навіть висока глибинне тиск, як і втрата свідомості в результаті гіпервентиляції легенів, не лякають нас так, як лякає можливість потрапити в дурну ситуацію.

Дайвінг вимагає від нас багато специфічних навичок. І займаючись цим видом спорту, ми більше боїмося здатися збитковими в очах оточуючих. Боїмося опинитися під їх пильними поглядами, боїмося їх оцінок.

Звичайно, підводні занурення - це не змагання, але найчастіше ми самі задаємо їм такий тон, особливо якщо справа стосується особистого досвіду і умінь.

Уміння правильно витрачати повітря під водою - одна з ознак досвідченості. Саме по ньому, як і за вмінням розслаблятися і контролювати плавучість ласт, найчастіше оцінюється підводне майстерність. Від напарників не приховаєш брак повітря і потреба спливти наверх, особливо тоді, коли з-за вас змушена перервати занурення вся група. Нікому не хочеться першим піднімати вгору великий палець.

А ще пригнічують ці постійні хвастовскіе порівняння, у кого більше повітря залишилося ...

А ваш манометр показував 15 бар. Але ви, звичайно ж, попри все сподівалися, що це вислизне з уваги вашого підводного гіда. А у вашій напарниці і дружини в одній особі, був запас 90. І, якщо бути відвертим до кінця, то ви вже втомилися від думки при кожному зануренні, що, швидше за все, в кінці вам доведеться позичити її октопус.

Але не варто в розпачі вішати ласти на стіну або поспішати з придбанням Спаркі, адже витрата повітря вашими легені не схильний генами. Ефективне дихання - це навик. Мало того, це найважливіший адаптаційний навик, що купується нами під час занурень з аквалангом. Але над будь-яким навиком можна працювати, і дихання не виняток.

Уже при наступному зануренні у вас є можливість заощадити повітря.

Отже, якщо наш дайвер, чоловік від 30 до 45, середньо підготовлений фізично, який, пірнаючи в теплій воді зі стандартним алюмінієвим балоном на 10 л., Може нормально дихати на 22-метровій глибині.

При таких умовах балона вистачає в середньому на 20 хвилин.

Наші поради дозволяти збільшити цей час ще на 5-17 хвилин.

Звичайно ж, якщо ви вже використовуєте якісь з цих рекомендацій, то часу додасться трохи менше.

1. Потрібно змінити дихальний цикл.

Потрібно поміняти порядок затримки дихання. Якщо на землі ми робимо паузу на видиху (вдих, потім видих і після цього пауза), то під водою, у розслабленого аквалангіста дихання само змінюється таким чином, що пауза робиться відразу після вдиху: вдих, потім пауза, потім видих, знову вдих і тільки потім - пауза. Тривалість паузи при вдиху, а також ступінь розслабленості, відрізняє новачка від досвідченого дайвера.

Тривала пауза при розслабленому диханні - зменшує витрату повітря. Розслаблення ж допомагає уникнути баротравми при паузі навіть при підйомі на меншу глибину.

2. Намагайтеся дихати глибоко.

Робіть повільні, глибокі і розслаблені вдихи. Ця аксіома вам відома з першого заняття, але в чому необхідність такого дихання?

Під тиском повітря в нашій системі дихання просувається трохи інакше. А в самому повітрі крім кисню є щільні гази. Часте дихання в такій ситуації не дозволяє кисню засвоїтися. Ви повинні сповільнювати темп дихання, щоб не просто виживати повітря через органи дихання, а давати можливість кисню добре проникнути в легені. І чим глибше ви занурюєтеся, тим глибше і повільніше повинно ставати ваше дихання, це забезпечить нормальний кисневий обмін.

3. Досягніть повільності і розслабленості в рухах.

Через те, що щільність води перевищує щільність повітря в 800 разів, ви не зможете рухатися під водою зі звичною для вас швидкістю, не доклавши великих зусиль. А це значить - ви будете витрачати більше повітря. Рухайтеся дуже повільно, стаючи розслабленим і невагомим, подібно мімові, изображающему сповільнену зйомку. Нехай ваші рухи будуть плавними легкими, без будь-яких проблем.

Багатьом дайверам допомагає практика йоги і різних релаксаційних методів - такі практики дозволяють ще більше сповільнити темп дихання.

4. Дуже важливо не робити зайвих рухів руками.

Чи не задійте руки при плаванні, а ластами гребіть повільно і цілеспрямовано. Чи не вподібнюйтеся велосипедисту, який все швидше і сильніше тисне на педалі при підйомі на круту гору. Складіть руки на грудях або опустіть вздовж тіла, або засуньте за спину під балон, або під вантажний ремінь спереду. Щоб отримати необхідну в нашому випадку стан невагомою розслабленості вам потрібно досягти нейтральної плавучості - важливого досвіду для економії повітря.

5. Навчіться нейтральної плавучості.

Коли вам це вдалося, ви абсолютно нерухомі і відчуваєте, що ви немов повністю зважені у воді. І ця вода навколо вашого тіла тримає вас сама. Це одне з найпрекрасніших відчуттів, і саме це робить наші руху під водою ефективними.

Стандарт перевірки на ідеальну плавучість такий: ви берете з собою мінімальну вагу, з яким можлива страхувальна зупинка на глибині з відміткою 3-5 метрів із залишком 30 бар в балоні, без повітря або з його мінімумом в компенсаторі. Мета - утримувати нейтральну плавучість, не залежно від глибини, коригуючи її лише диханням.

6. Намагайтеся зберігати тіло в горизонтальному положенні.

Тепер, коли ви вмієте відважується правильно, використовуючи компенсатор плавучості, будучи нейтрально невагомі, ви зможете пересуватися в воді горизонтально. Це найефективніший спосіб. Якщо тіло буде максимально паралельно по відношенню до напрямку руху - це заощадить вам повітря. Найчастіше новачки, пересуваючись під кутом до вектора руху і, до того ж, роблячи багато зайвих рухів, витрачають повітря і енергію непродуктивно.

7. Необхідно привести в порядок спорядження і спробувати зробити його більш обтічним.

Для того щоб знизити рівень опору водної стихії, потрібно все шланги тримати, як можна ближче до себе. Використовуйте балон невеликих розмірів, з об'ємом дихальної суміші необхідної вам для цього занурення. Має велике значення обтічність компенсатора, його підйомна сила повинна відповідати тим умовам, в яких ви проводите занурення.
Різні предмети необхідні вам в процесі занурення краще розміщувати в кишенях компенсатора.
Не потрібно брати баластовий вантаж, виняток становитиме той вантаж, який знадобиться вам під час страхувальної зупинки, на 3-5 метровій глибині. Існує так само можливість скорочення кількості шлангів за допомогою застосування джерела повітря альтернативного типу або інфлятора, а так само комп'ютера з можливістю з'єднання без використання шлангів. Беріть з собою тільки обладнання необхідне вам при зануренні.

8. Важливість регулятора дихання.

Незважаючи на видиму легкість дихати під водою - досить складне і трудомістке заняття.
Воно вимагає певних фізичних витрат і навичок. Щоб знизити навантаження необхідно використовувати високопотужний регулятор highest performance.
Обов'язково потрібно якісно промити регулятор перед зануренням. Важливо один раз в дванадцять місяців здавати його на тих. огляд, а так же кожен раз перед використанням регулятора, якщо перед цим ви не користувалися нею тривалий час. Спробуйте встановити регулятори легкості дихання положення максимум, але стежте за тим, щоб повітря не виходив з балона довільним чином.

9. Прийоми економії повітря за допомогою знаходження на поверхні води.

По можливості більше перебувайте, на поверхні здійснюючи, дихання або в трубку, або трохи надувши компенсатор плавайте на спині. Ефективність рухів на поверхні води знижується, але повітря для дихання вам буде досить. Занурення на невелику глибину вимагає меншу кількість повітря. Вам не будуть потрібні часті спливання для визначення місця, де ви знаходитесь, що дасть вам можливість довше перебувати під водою.

10. Припинення довільній втрати повітря.

Існують випадки неминучого витрачання повітря, наприклад, для вирівнювання тиску, продування маски, коригування плавучості, створення прошарку повітря в гідрокостюмах сухого типу. Виймаючи регулятор, увімкнітьАрхів, при наявності такої, придушення витрати повітря. Контролюйте стан загубника, його потрібно повернути вниз. Кільцеві ущільнення на аквалангу, так само можуть іноді давати текти але, як правило, через них виходить мінімальна кількість повітря. Ілюзія того, що можна економніше витрачати повітря, піддуваючи компенсатор під водою за допомогою рота, тільки ілюзія. Силовий инфлятор, в даному випадку більш кращий і ефективний. У той час як на поверхні це цілком має сенс робити, дотримуючись при цьому необхідні заходи безпеки.

11. Менше навантаження, більше економії.

Чим менше ви працюєте ластами під водою, тим менше повітря ви будете витрачати. Використовуйте силу течії, при зануренні і спливанні, користуйтеся контролем плавучості, при русі по дну використовуйте кінчики пальців за умови, якщо це не зашкодить навколишнього світу.

12. Зберігайте тепло.

Чим вам тепліше під водою, тим менша кількість повітря ви витратите. Навіть в тропіках, де температура води досягає тридцяти градусних значень, під час занурення без гідрокостюма, ви втрачаєте дуже багато тепла. Отже, ви швидше втомлюєтеся, починаєте частіше дихати і тим самим збільшуєте витрати повітря. Виходячи, з цього підберіть, гідрокостюм, що забезпечує вам найкращий захист від холоду. Кращий варіант гідрокостюм сухого типу в комплекті з термобілизна.

13. Важливість фізичної підготовки.

Хороша фізична форма дозволяє вам більш повно використовувати кисень, що міститься в повітрі. Правильне харчування, відпочинок без різних стресів, регулярні спортивні заняття, відмова від куріння і алкоголю, все це дасть вам можливість легше переносити занурення і економити повітря.

14. Досвід і рівень підготовки.

Чим частіше ви занурюєтеся під воду, тим більше ви удосконалюєте свої навички знаходження на глибині. Різні курси дайвінгу під контролем досвідчених інструкторів підвищать ваш рівень і розуміння тактики занурення. Навчання рятувальних операцій на воді і під водою, забезпечать вам хорошу фізичну підготовку. Все - це, безсумнівно, допоможе вам в розумінні підводного світу, а так само навчитися спокійно і вільно почуватися під водою.

15. Вибір і робота ластами.

Згідно різним випробуванням, універсальних ласт, придатних для всіх любителів підводного світу, не існує. При виборі необхідно спиратися на свій досвід, фізичну підготовку, а так само навички роботи ластами.
Принципи роботи ластами наступні: у воді потрібно рухатися в горизонтальному положенні, гребки здійснюються прямою ногою від стегна, не варто особливо сильно напружуватися, нервувати і робити різні ривки і так далі.
Ласти, що володіють великими розмірами і високою жорсткістю, не найефективніші, так як створюють зайве навантаження в області ніг. При виборі, основне значення і увагу приділіть зручності ласт.

16. Розслабтеся.

Це і є головний секрет по економії дихальних ресурсів. Не намагайтеся за кимось наздогнати.
Люди мають різні параметри: фізичні, психологічні, обмін речовин і так далі і тому подібне. Великий, фізично міцний, підготовлений чоловік не зможе змагатися з мініатюрною, тендітною жінкою в питанні економії повітря. Жінка при диханні витратить набагато менше повітря, ніж чоловік і від цього нікуди не піти.
Розуміння цих простих правил здатне набагато знизити ризик занурень і занять дайвінгом.

Точний розрахунок повітря для занурення є другим за важливістю чинником після бездоганного технічного стану обладнання. Оскільки, це завдання стоїть з самого моменту винаходу акваланга, давно вироблені спеціальні методики розрахунку необхідного обсягу повітря. За основу береться обсяг повітря, необхідний одному дайверу в хвилину і далі отримане значення ділиться на обсяг газу в балоні.

Дані розрахунки ускладнюються тим, що споживання повітря залежить від фізичного навантаження. При тихому плаванні воно набагато менше, ніж при інтенсивній роботі ластами. Ще один фактор, який теж завжди враховується - глибина занурення. Чим більше глибина - тим під великим тиском потрібно подавати повітря. Все що враховуються фактори можна представити у вигляді списку:

1. Обсяг балона.
2. Тиск в балоні.
3. Споживання повітря в хвилину (позначається як RMV)
4. Глибина занурення.

Перші два параметри можуть бути дуже точними. Їх точність залежить тільки від того, наскільки відповідають визначеним обсягом, а також як точно відрегульований клапан на насосі, який використовувався для заправки. Відключення компресора в кінці заправки проводиться по датчику тиску. Саме від відповідає за те, що об'єм повітря в балоні точно відповідає заявленому.

Найскладніше розрахувати RMV. Точні дані можна отримати тільки досвідченим шляхом. Саме так і поступають при навчанні дайверів. Учень запам'ятовує показання манометра при різних режимах занурення, дріфт за течією, підйом або стояння на місці. Далі, на основі отриманих даних виводиться індивідуальний показник RMV. Дані записуються у вигляді таблиці з трьома стовпцями: час занурення і глибина, і тиск в балоні за манометром. Перерахувавши тиск в балоні на обсяг (необхідно просто помножити показники) ми отримаємо точне значення витрат повітря в хвилину і виведемо поправки на навантаження і глибину.

Якщо часу на такі виміри, які потребують пробних занурень з інструктором немає, то беруться загальні показники. Вони розраховуються з деяким запасом, який необхідний на покриття всіх індивідуальних особливостей. Так споживання повітря на поверхні дайвером вагою 80 кг дорівнює 20 - 25 л / хв. (Реально, дещо менше - 16 - 22 л). У жінок споживання повітря ще менше. Далі робиться поправка на глибину. Зі збільшенням глибини занурення обсяг необхідного повітря зростає дуже швидко. На 50 метрах (гранична глибина для аматорського дайвінгу) його потрібно вже майже в два рази більше (близько 40 л / хв.).

Для різних сумішей граничний тиск вдихання відрізняється. Для кисню воно становить всього 1,3 - 1,4 атм. З цієї причини для глибоководного дайвінгу необхідні спеціальні суміші. При складанні намагаються, щоб вміст у них кисню трохи відрізнялося від природного в звичайному повітрі. Зміст азоту в глибоководній суміші теж зменшують, так як якщо використовувати звичайне повітря азотний наркоз починається вже на 30 метрах. Для найбільш глибоководних занурень оптимальна гелієво-киснева суміш. В аматорському дайвінгу вона майже не використовується. Заправка балонів гелієм ускладнена тим, що він відрізняється надвисокої проникністю, проте в суміші з киснем цей недолік майже нівелюється.

При використанні чистого повітря має значення і те, де проводилася заправка балона. Головна вимога тут одне. Необхідна чистота повітря. Тому краще з електричним приводом. Тоді ризик потрапляння чадного і надмірної кількості вуглекислого газу мінімальний. Оптимально, щоб заправка балонів проводилася в екологічно чистому місці, наприклад на морському березі або за містом.

Терміни, що позначають витрата споживаної дихальної суміші:

RMV - respiratory minute volume - обсяг дихання в хвилину;

SAC - surface air consumption - споживання повітря на поверхні.

Чому кожен дайвер повинен знати свій витрата дихальної суміші (повітря, найтрокс, трімікс - надалі для спрощення - газ)? Відповідь на це питання дуже проста. Для того, щоб грамотно спланувати своє занурення і уникнути виникнення ситуації, коли під час занурення газ раптово закінчився. Що для цього потрібно? Процес вимірювання споживання газу дуже простий, але вимагає виконання кількох умов під час занурення. Для початку потрібно зрозуміти, що витрата газу в різних умовах плавання (глибина, течії, швидкість пересування і т.п.) буде різний. Чим більше фізичне навантаження на організм, тим більше CO2 виділяється і ми чаші дихаємо. Тому потрібно зробити кілька вимірів:

• мале навантаження (дрифт за течією, повільне пересування);
• середнє навантаження (плавання без течії в середньому темпі);
• велике навантаження (плавання проти течії або швидкий темп плавання).

У всіх цих випадках нам потрібно зробити виміри нашого споживання дихальної суміші. Занурюємося на заздалегідь сплановану глибину і, намагаючись дотримуватися її якомога суворіше, виробляємо записи наступних показників - час, тиск в балоні, глибина. Для точності вимірювань бажано використовувати половину від загального запасу газу для кожного виміру. Тобто всі три виміри можливо зробити за 3 занурення. У міру того виміру ми повинні записувати показання приладів з інтервалом 3-10 хвилин (залежить від умов занурення). В результаті ви отримаєте таку табличку:

T	P	D
3	190	15,3
8	170	15,7
13	150	15,1
18	130	14,9
23	110	15,2
28	90	15

• T - поточний час занурення, хвилини,
• P - тиск в балоні, бар,
• D - поточна глибина, метри.

Далі ми повинні вирахувати, скільки повітря вираженого в барах ми споживаємо за хвилину. T заг \u003d (28-3) \u003d 25 хвилин P сум \u003d (190-90) \u003d 100 бар 100/25 \u003d 4 бари / хв Далі нам потрібно перевести це значення в літри. Знаючи обсяг нашого балона (наприклад, для виміру ми занурювалися зі сталевим балоном 12л) і кількість витрачених бар ми можемо отримати значення в літрах. 4 * 12 \u003d 48 літрів / хв Але ми проводили наші заміри під водою, отже, вдихали повітря під тиском навколишнього середовища. Нам потрібен поверхневий витрата для нашого планування. Вираховуємо середню глибину занурення. Dсредн \u003d (15,3 + 15,7 + 15,1 + 14,9 + 15,2 + 15,0) / 6 \u003d 15,2 м P \u003d (15.2 / 10) +1 \u003d 2.52 ата Розділивши наш витрата на глибині на абсолютний тиск на цій глибині, ми отримаємо поверхневий витрата повітря в літрах. RMV \u003d 48 / 2,52 \u003d 19,04 літра.

Зробивши три виміри в різних умовах, ми будемо мати три різних значення, які можна з успіхом використовувати для подальшого планування наших занурень. Знаючи умови, в яких ми будемо занурюватися і глибину нашого занурення, нам не важко буде порахувати на який час нам вистачить того чи іншого запасу газу. Знаючи це, ми можемо більш грамотно розпланувати саме занурення і уникнути розчарувань від недосягнутого цілей. Наприклад, у нас є балон з повітрям об'ємом 12 літрів і тиском в 180 бар. Загальний обсяг повітря в літрах 180 * 12 \u003d 2160 літрів. Але для планування ми повинні відразу відкинути «недоторканний» запас газу в 28-35 бар, який нам може знадобитися в екстрених ситуаціях. Отже (180-35) * 12 \u003d 1740 літрів повітря на занурення. Глибина передбачуваного занурення 25 метрів. Занурення буде проходити в місці без течій. Точка входу і виходу в воду знаходяться в одному місці. Логічно, що для здійснення такого занурення половину від нашого вільного запасу газу ми витратимо до точки розвороту, а другу на зворотний шлях. Тиск споживаного повітря буде 25/10 + 1 \u003d 3,5 ата тоді: 1740/2 \u003d 870 літрів. 870 / (19,04 * 3,5) \u003d 12,81 хв \u003d 12 хв (все округлення виробляємо в меншу сторону для збільшення безпеки) Отже, у нас є 12 хвилин на дорогу до мети занурення і її оглянь і 12 хвилин на повернення . При розрахунку багаторівневих занурень, теж можна досить точно вирахувати наше споживання, розбивши занурення на окремі відрізки по глибині і часу.

Стиснення повітря в посудині, зануреному у воду

Розглянемо наступну ситуацію. Порожню відкриту скляну пляшку опускають у воду на глибину h.

1. Поясніть, чому при зануренні пляшки дном вниз повітря з неї виходить бульбашками і пляшка наповнюється водою (рис. 46.1).

2. Чому при цьому пляшка відразу тоне?

3. Поясніть, чому при зануренні пляшки дном вгору повітря з неї не виходить (рис. 46.2).

4. Поясніть, чому при зануренні пляшки дном вгору обсяг повітря в ній зменшується зі збільшенням глибини.

Позначимо щільність води ρ в, внутрішній обсяг пляшки V 0, обсяг що міститься в ній повітря V пов, атмосферний тиск p а. Буєм вважати, що температура повітря в пляшці залишається постійною.

5. Поясніть, чому при зануренні пляшки на глибину h справедливо рівняння

V пов (p а + ρ в gh) \u003d V 0 p а. (1)

6. У скільки разів зменшиться обсяг повітря в пляшці при зануренні її на глибину 10 м?

7. Як змінюється діюча на пляшку з повітрям сила Архімеда при збільшенні глибини?

8. Поясніть, чому в даному випадку при знаходженні сили Архімеда об'єм зануреного в воду тіла треба вважати рівним сумарним обсягом скла і повітря в пляшці.

При деякій глибині занурення сила Архімеда стане рівною силі тяжіння. При зануренні на ще більшу глибину сила Архімеда буде вже менше сили тяжіння, тому пляшка з повітрям почне тонути.

Поставимо питання: чи можна знехтувати силою тяжіння, що діє на повітря, в порівнянні з силою тяжіння, що діє на пляшку?

9. У скільки разів маса повітря, що міститься в півлітрової пляшки, менше маси пляшки? Прийміть масу пляшки рівною 0,5 кг; щільність повітря при 20 ºС приблизно дорівнює 1,2 кг / м 3.

Отже, ми бачимо, що масою повітря в пляшці з хорошою точністю можна знехтувати в порівнянні з масою пляшки.

Позначимо щільність скла ρ с, а обсяг скла V с.

10. Поясніть, чому, коли занурена повністю в воду пляшка з повітрям знаходиться в рівновазі, справедливо наступне рівняння:

ρ з V з g \u003d ρ в g (V пов + V с). (2)

Рівняння (1) і (2) можна розглядати як систему двох рівнянь з двома невідомими. Наприклад, якщо відомі значення всіх вхідних в ці рівняння величин, крім Vвозд і h, їх можна знайти за допомогою цих рівнянь.

11. У воду опускають дном вгору відкриту пляшку, яка містить повітря при атмосферному тиску. Місткість пляшки 0,5 л, об'єм скла 0,2 л, щільність скла в 2,5 рази більше щільності води, атмосферний тиск 100 кПа.
а) Чому дорівнює об'єм повітря в пляшці, коли занурена в воду пляшка знаходиться в рівновазі?
б) На якій глибині буде при цьому пляшка?

У розглянутій ситуації масою повітря можна знехтувати, тому що при тиску, близькому до атмосферного, щільність повітря набагато менше щільності води і твердих тіл.

Але у випадках, коли мова йде про підняття вантажів з великої глибини за допомогою стиснутого повітря, маса стисненого повітря може виявитися істотною.

Розглянемо приклад.

12. Дослідники океанських глибин виявили на глибині 1 км затонулий скриня зі скарбами. Маса скрині 2,5 т, об'єм - 1 м 3. Скриня прив'язали тросом до міцного порожньому водонепроникному мішку і стали закачувати в мішок повітря до тих пір, поки він не почав спливати разом з скринею. Для спрощення розрахунків приймемо щільність морської води рівній щільності прісної води, Будемо вважати воду несжимаемой, а обсяг оболонки мішка дуже незначним. Температуру води на великій глибині можна вважати близькою до 0 ºС.
а) Чи треба враховувати атмосферний тиск для визначення тиску повітря в мішку?
б) Позначимо ρ щільність води, m с і m в масу скрині і масу повітря в мішку, V с і V в обсяг скрині і обсяг повітря на початку спливання, M в - молярну масу повітря, T - абсолютну температуру води. Запишіть систему двох рівнянь з двома невідомими (m в і V в), вважаючи, що атмосферним тиском можна знехтувати.
в) Чому дорівнює об'єм повітря в мішку в той момент, коли мішок з скринею почав спливати?
г) Чому дорівнює маса повітря в мішку, коли мішок з скринею почав спливати?
д) Чи можна не випускати з мішка повітря до тих пір, поки мішок з скринею не спливуть на поверхню?

Повітря в трубці з ртутним стовпчиком

У скляній трубці, запаяній з одного кінця, знаходиться повітря. Це повітря відділений від атмосферного повітря стовпчиком ртуті довжиною l рт (рис. 46.3).

Розглянемо, як залежить довжина заповненої повітрям частини трубки від положення трубки і температури повітря в ній. Будемо вважати, що довжина трубки досить велика для того, щоб ртуть не виливалася з трубки при будь-якому її положенні.

Позначимо атмосферний тиск p а, щільність ртуті ρ рт, а довжину заповненої повітрям частини трубки, коли вона розташована горизонтально, позначимо l 0.
Приймемо спочатку, що температура повітря в трубці постійна.

13. Запишіть рівняння, яке пов'язує величини l рт, l 0 і довжину l заповненої повітрям частини трубки, коли вона розташована:
а) вертикально відкритим кінцем вгору;
б) вертикально відкритим кінцем вниз.

14. У початковий момент трубка розташована відкритим кінцем вниз. Коли її перевернули відкритим кінцем вгору, довжина заповненої повітрям частини трубки зменшилася на 10%. Чому дорівнює довжина стовпчика ртуті, якщо атмосферний тиск дорівнює 760 мм рт. ст.?

Розглянемо тепер випадок, коли температура повітря в рубці змінюється.

15. У початковий момент трубка з повітрям і стовпчиком ртуті розташована горизонтально. Коли її опустили в окріп відкритим кінцем вгору, довжина заповненої повітрям частини трубки збільшилася на 20%. Чому дорівнює початкова температура повітря в трубці, якщо довжина стовпчика ртуті дорівнює 5 см? Атмосферний тиск дорівнює 760 мм рт. ст.

2. Два газу в циліндрі з поршнем або перегородкою

Циліндр розташований горизонтально

Розглянемо спочатку випадок, коли циліндр з різними газами розташований горизонтально (на малюнку 46.4 різні гази схематично позначені різними кольорами). В такому випадку можна не враховувати вагу поршня.

Поршень може володіти різними властивостями, які обов'язково треба враховувати при вирішенні завдань.

16. Що можна сказати про тиск і температуру двох газів, розділених поршнем, якщо він:
а) теплопровідні і може рухатися без тертя?
б) не проводить тепло, але може рухатися без тертя?
в) теплопровідні, але треба враховувати тертя між поршнем і стінками судини?

17. У горизонтально розташованому циліндрі з поршнем по різні боки від поршня знаходяться водень і кисень.
а) Яким співвідношенням пов'язані обсяги газів і кількості речовини в них, якщо поршень рухливий і теплопровідні?
б) Яким співвідношенням пов'язані обсяги і маси газів в цьому випадку?
в) Як пов'язані обсяги, маси і температури газів, якщо поршень рухливий, але не проводить тепло?

Якщо сказано, що посудина майданчиках не поршнем, а перегородкою, то мається на увазі, що обсяги частин судини залишаються постійними. Перегородка теж може мати різні властивості.

18. Що можна сказати про температуру і парціальному тиску двох газів, розділених перегородкою, якщо вона:
а) теплопроводящая?
б) пориста (це зазвичай означає, що молекули одного газу можуть проникати крізь перегородку, а молекули іншого газу не можуть)?

19. Теплоізольований посудину розділений пористої перегородкою на дві рівні частини. У початковий момент в лівій частині судини знаходиться 2 моль гелію, а в правій - 1 моль аргону. Початкова температура гелію 300 К, а початкова температура аргону 600 К. Атоми гелію можуть вільно проникати через пори в перегородці, а атоми аргону не можуть.
а) Чи має значення, проводить перегородка тепло чи ні?
б) Атоми якого газу в початковий момент мають більшу середньої кінетичної енергією? У скільки разів більшою?
в) Внутрішня енергія якого газу в початковий момент більше? У скільки разів більше?
г) Поясніть, чому середні кінетичні енергії атомів різних газів рівні після досягнення теплової рівноваги.
д) Яка температура буде в посудині при тепловій рівновазі?
е) У скільки разів середня кінетична енергія атомів гелію при тепловій рівновазі буде більше їх середньої кінетичної енергії в початковому стані?
ж) Як зміниться тиск гелію в лівій частині судини в порівнянні з початковим після встановлення рівноваги?
з) Як зміниться тиск аргону в порівнянні з початковим після встановлення рівноваги?
і) Тиск в якій частині судини буде більше після встановлення рівноваги? У скільки разів більше?

Циліндр розташований вертикально

Якщо циліндр розташований вертикально (рис. 46.5), то треба враховувати вагу поршня, який тисне на газ, що знаходиться в нижній частині циліндра. Через це тиск в нижній частині циліндра більше, ніж у верхній. Розглянемо приклад.

20. Вертикально розташований циліндричний посудину висотою l розділений рухомим поршнем на дві частини. У верхній частині висотою l в знаходиться ν молей гелію, а в нижній частині висотою l н - стільки ж молей водню. Температура газів залишається весь час рівній T. Маса поршня m, площа S, товщиною поршня можна знехтувати в порівнянні з висотою судини.
а) Виразіть тиск в кожній частині судини через інші величини. Чи має для цього значення вид газу в частинах посудини?
б) Напишіть рівняння, що зв'язує тиску газів в кожній частині судини з масою поршня і його площею.
в) Чому дорівнює маса поршня, якщо l \u003d 50 см, ν \u003d 0,22 моль, T \u003d 361 К, l в \u003d 30 см?
Підказка. Скористайтеся рівнянням стану ідеального газу.

Підйомна сила повітряної кулі

Повітряна куля (рис. 46.6) може знаходитися в повітрі в рівновазі тільки за умови, що діюча на нього з боку повітря сила Архімеда дорівнює по модулю сумарною силі тяжіння, що діє на кулю і підвішений до нього вантаж:

F А \u003d F Т.Ш + F т.гр. (3)

У разі повітряної кулі мулу Архімеда дорівнює вазі навколишнього повітря в обсязі, зайнятому кулею і вантажем. Ми виділили слово «навколишнього» курсивом, тому що щільність атмосферного повітря при підйомі змінюється з двох причин: по-перше, зменшується його тиск, по-друге, знижується його температура.

Позначимо об'єм кулі V. Обсягом вантажу і оболонки кулі зазвичай нехтують в порівнянні з об'ємом самого кулі, але маси вантажу і оболонки кулі мають велике значення! Масу вантажу позначимо m гр, а масу оболонки - m об. тоді

F Т.Ш \u003d (m внутр + m об) g,

де m внутр - маса газу, яким наповнений куля.

Позначимо щільність навколишнього куля повітря ρ зовн, а щільність газу, що знаходиться всередині кулі, ρ внутр.

21. Поясніть, чому справедливі наступні рівняння:

F А \u003d ρ зовн gV,
m внутр \u003d ρ внутр V,
V (ρ зовн - ρ внутр) \u003d m гр + m об. (4)

Підказка. Скористайтеся рівнянням (3) і співвідношенням між масою, об'ємом і щільністю.

Підземної силою повітряної кулі називають вага вантажу, який може підняти цю кулю.

22. Поясніть, чому модуль підйомної сили повітряної кулі виражається формулою

F під \u003d Vg (ρ зовн - ρ внутр) - m про g. (5)

З формул (4) і (5) випливає, що повітряна куля може підняти вантаж тільки за умови, що щільність газу, яким наповнений куля, менше щільності навколишнього повітря.

Якби куля була жорстким, цього можна було б досягти, частково викачавши з нього повітря: жорстка оболонка змогла б витримати різницю тисків повітря всередині і зовні кулі. Однак оболонка жорсткого кулі була б занадто важкою. М'яка ж оболонка, яку завжди використовують для повітряних куль, не може витримати скільки-небудь значної різниці тисків. Тому тиск газу всередині кулі дорівнює тиску навколишнього повітря.

23. Поясніть, чому якщо тиск всередині кулі дорівнює тиску навколишнього повітря, то справедливо рівність

ρ внутр / ρ зовн \u003d (M внутр * T зовн) / (M зовн * T внутр). (6)

Підказка. Скористайтеся рівнянням стану ідеального газу.

З формули (6) видно, що щільність газу, яким наповнюють куля, можна зробити менше щільності навколишнього повітря двома способами:
- використовувати в якості «внутрішнього» газу нагріте повітря;
- використовувати газ з меншою молярної масою.

Перший спосіб використовують для прогулянкових повітряних куль (рис. 46.6), а другий - для метеорологічних зондів (рис. 46.7), які піднімаються на велику висоту (в такому випадку куля наповнюють зазвичай гелієм).

24. Поясніть, чому з формул (5) і (6) випливає, що модуль підйомної сили повітряної кулі виражається формулою

? 25. Повітряна куля об'ємом 3000 м 3 має в нижній частині отвір, через яке повітря всередині кулі нагрівається пальником до температури 77 ºС. Куля знаходиться в рівновазі на висоті, де температура навколишнього повітря дорівнює 7 ºС, а його щільність дорівнює 1,2 кг / м 3. Маса оболонки кулі 300 кг. Чому дорівнює маса вантажу?

Додаткові питання і завдання

26. У понтон, що лежить на дні озера на глибині 90 м, закачують зверху повітря (рис. 46.8). При атом вода витісняється з понтона через отвір, розташоване в нижній його частині. Який обсяг атмосферного повітря треба подати в понтон, щоб він міг підняти вантаж, якщо сумарна маса понтона з вантажем дорівнює 20 т, а сумарний обсяг вантажу і стінок понтона дорівнює 5 м 3? Прийміть, що температура води близька до 0 ºС, а атмосферний тиск дорівнює 10 5 Па.

27. У запаяному коліні U-подібної трубки знаходиться стовп повітря висотою 30 см. Ртуть в обох колінах знаходиться на одному рівні. Якою стане висота стовпа повітря, якщо повільно долити ртуть доверху? Тиск одно нормальному атмосферному тиску.

28. Наповнений гелієм куля знаходиться в рівновазі в повітрі. Маса одного квадратного метра оболонки кулі дорівнює 50 г, температура повітря і гелію 27 ºС, тиск дорівнює нормальному атмосферному тиску. Чому дорівнює радіус кулі?

Тема заняття: Газові закони. Закони гідростатики і гідродинаміки.

Газ - це одне з агрегатних станів речовини, в якому його частинки рухаються вільно, рівномірно заповнюючи доступне для них простір. Вони чинять тиск на обмежує цей простір оболонку. Щільність газу при нормальному тиску на кілька порядків менше щільності рідини.

Закони газової динаміки

• Закон Бойля-Маріотта (Ізотермічний процес)
• Закон Шарля (Ізохорний процес) і Гей-Люссака (Ізобарний процес)
• закон Дальтона
• закон Генрі

• закон Паскаля
• закон Архімеда
• Закон Ейлера-Бернуллі

Закон Бойля-Маріотта (Ізотермічний процес)

• Для даної маси газу М при постійній температурі Т його обсяг V обернено пропорційний тиску Р: PV \u003d const, P 1 V 1 \u003d P 2 V 2, P 1 і P 2 - початковий і кінцевий значення тиску, V 1 і V 2 - початкова і кінцеве значення тиску.
• Висновок - У скільки разів збільшується тиск, в стільки разів зменшується об'єм.
• Користуючись цим законом можна зрозуміти у скільки разів зі збільшенням глибини зростає витрата повітря для дихання підводного плавця, а також розрахувати час перебування під водою.
• Приклад: V балона \u003d 15л, P балона \u003d 200, Бар V легких \u003d 5 л, D глибина \u003d 40м На скільки часу вистачить балона на цій глибині? Якщо людина робить 6 вдихів за хвилину? 15х200 \u003d 3000л повітря в балоні, 5х6 \u003d 30л / хв - витрата повітря в хвилину на поверхні. На глибині 40м, P абс \u003d 5 бар, 30х5 \u003d 150 л / хв на глибині. 3000/150 \u003d 20хв. Відповідь: повітря вистачить на 30 хв.

Закон Шарля (Ізохорний процес) і Гей-Люссака (Ізобарний процес)

• Для даної маси газу М при постійному обсязіV тиск прямо пропорційно зміні його абсолютної температури Т: P 1 xT 1 \u003d P 2 xT 2
• Для даної маси газу М при постійному тиску Р обсяг газу змінюється прямо пропорційно зміні абсолютної температури Т: V 1 xT 1 \u003d V 2 xT 2
• Абсолютна температура виражається в градусах за Кельвіном. 0 ° С \u003d 273 ° К, 10 ° С \u003d 283 ° К, -10 ° С \u003d 263 ° К
• Приклад: Припустимо, що балон був заповнений стиснутим повітрям при тиску 200 бар, після чого температура піднялася до 70 ° С. Чому стало одно тиск повітря всередині балона? P 1 \u003d 200, T 1 \u003d 273, P 2 \u003d ?, T 2 \u003d 273 + 70 \u003d 343, P 1 xT 1 \u003d P 2 xT 2, P 2 \u003d P 2 xT 2 / T 1 \u003d 200 × 343/273 \u003d 251 Бар

закон Дальтона

• Абсолютний тиск суміші газів дорівнює сумі парционального (часткових) тисків окремих газів, що складають суміш.
• Парціальний тиск газу P г пропорційно процентним вмістом n даного газу і величиною абсолютного тиску P абс газової суміші і визначається за формулою: P г \u003d P авс n / 100. Проілюструвати цей закон можна, порівнявши суміш газів в замкнутому просторі з набором гир різної ваги, покладених на ваги. Очевидно, що кожна з гир буде чинити тиск на чашу ваг незалежно від наявності на ній інших гир.

закон Генрі

• Кількість газу, розчиненого в рідині, прямо пропорційно його парціальному тиску. Якщо парціальний тиск газу збільшується в двоє, то і кількість розчиненого газу збільшується в двоє. Коли плавець занурюється, P абс збільшується, отже кількість газу вдихуваного плавцем стає більше і відповідно він в більшій кількості розчиняється в крові. При спливанні тиск зменшується і розчинений в крові газ виходить у вигляді бульбашок, як при відкритті пляшки з газованою водою. Це механізм лежить в основі ДКБ.

Закони гідростатики і гідродинаміки

Для води, як і для газів, внаслідок їх плинності, виконується закон Паскаля, що визначає здатність цих середовищ передавати тиск. Для тіла, зануреного в рідину, виконується закон Архімеда, обумовлений дією на поверхню тіла тиску, створюваного рідиною внаслідок її ваги (тобто дією сили тяжіння). Для рухомих рідин і газів справедливий закон Ейлера-Бернуллі.

закон Паскаля

Тиск на поверхню рідини (або газу), вироблене зовнішніми силами, передається рідиною (або газом) однаково в усіх напрямках.

Дія цього закону лежить в основі роботи всіляких гідравлічних апаратів і приладів, в тому числі і акваланга (балони - редуктор - дихальний автомат)

закон Архімеда

На всяке тіло, занурене в рідину (або газ), діє з боку цієї рідини (або газу) сила, спрямована вгору, прикладена до центру тяжіння витісненого об'єму і рівна за величиною вазі витісненої тілом рідини (або газу).

Q= yV

у – питома вага рідини;

V- обсяг витісненої тілом води (занурений обсяг).

Закон Архімеда визначає такі якості занурених у рідину тіл, як плавучість і остійність.

Закон Ейлера-Бернуллі

Тиск поточної рідини (або газу) більше в тих перетинах потоку, в яких швидкість руху менше, і навпаки, в тих перетинах, в яких швидкість руху більше, тиск менше .