多听,少说,接受每一个人的责难,但是保留你的最后裁决。
——莎士比亚
水肺潜水物理定律
我们在水下呼吸气体时都会遵循一定的“气体定律”,在水下活动时,身体内部的气体运作也会遵循一定的“气体定律”。在这个概念中,我们将看看三种最重要的水肺潜水中涉及到的气体定律及其含义。它们是:
波义耳定律 Boyle-Mariotte's Law
道尔顿定律 Dalton's Law
亨利定律 Henry's Law
大多数休闲潜水员使用空气或者高氧空气作为他们的主要呼吸气体,然而,这些水肺潜水气体定律适用于所有呼吸气体,在更多其他潜水领域,譬如技术潜水你还可能会遇到三混气或纯氧。
让我们从几个定义开始:
压力
气瓶压力
大气压力
水压力
总压力
理想气体
*请注意,在技术潜水或使用特殊气瓶(如压力为300巴的容器)时,这可能并不总是正确的。
现在,是时候逐一了解水肺潜水物理定律了。
玻意耳-马略特定律(波义耳定律)
Boyle-Mariotte's Law
第一个是波义耳定律,或者叫玻意耳-马略特定律。波义耳定律也是大多数水肺潜水者学习的第一个气体定律,因为它与水肺潜水的第一铁律密切相关:永远不要憋气!
该定律的规定是:
对于理想气体,温度不变时,压力和体积成反比。
比例的意思是当这两个性质中的一个发生变化时,另一个也会发生同样的变化。反比表示它们在“相反的方向”变化。例如:当压力增加一倍时,体积减少一半;当压力增加三倍时,体积只有以前的1 / 3大。
把肺部想象成一个气球,你可以吸气把它吹起来,或者吐气把它内部空气放空让它缩小。当我们下潜时,压力上升,每次呼吸,肺部内部空气就会被压缩,但吸饱气后肺部空间又会被填满。我们下得越深,压力就越高,需要更多的空气来填满它,所以空气消耗也就增加了。
在深处对我们肺部产生的压力会导致我们需要更多的能量来扩张肺部。
当有规律地呼吸时,“气球”永远不会膨胀太多。然而,如果你开始憋气并上升,总压力就会降低,肺部的空气量就会膨胀。如果你开始憋气上升,你就会有肺部过度扩张的风险,从而导致严重的伤害。
同理,潜水员下潜时,往往需要适当少量的往BCD里充气,以便始终保持中性浮力。上升时需要适当的释放出一定量产生过度浮力的膨胀的气体,避免上升速度过快。
道尔顿定律
Dalton's Law
这个重要的水肺潜水物理定律是由约翰·道尔顿(1766 - 1844)发现的:一种气体的总压强等于它各组分压的和。分压是指在任意时刻各分量的压力。
让我们看看大多数潜水员在常规潜水中使用的普通压缩空气。我们首先需要知道下表中列出的空气成分。剩余气体是指除氩气外的其他稀有气体,如二氧化碳和其他等。
|
百分比(%) |
|
|
空气 |
100 |
|
氮 |
78 |
|
氧 |
21 |
|
氩 |
0.9 |
|
其他 |
0.1 |
即使在水下,普通空气的这些成分和它们的百分比也是不变的。但是,当我们增加或减少总压强时,分压却改变了。当我们下潜时,会导致气体分压变高,而上升会降低分压。
海平面压力
|
百分比(%) |
海平面时的分压 |
|
|
空气 |
100 |
1 巴 |
|
氮 |
78 |
0.78 巴 |
|
氧 |
21 |
0.21 巴 |
|
其他 |
1 |
0.01 巴 |
10米海水深度的压力
|
百分比(%) |
10米深的分压 |
|
|
空气 |
100 |
2 巴 |
|
氮 |
78 |
1.56 巴 |
|
氧 |
21 |
0.42 巴 |
|
其他 |
1 |
0.02 巴 |
20米深度的压力
|
百分比(%) |
20米深的分压 |
|
|
空气 |
100 |
3 巴 |
|
氮 |
78 |
2.34 巴 |
|
氧 |
21 |
0.63 巴 |
|
其他 |
1 |
0.03 巴 |
为什么道尔顿定律对水肺潜水很重要?
氧中毒
气体麻醉(氮醉)
当氮气的分压在30米左右超过3巴左右时,有些潜水员就会有麻醉的感觉,这种感觉随着分压升高而加重。即使没有事故发生,在休闲潜水领域超过40米的最大潜水深度也是非常危险和不愉快的。技术潜水员根据最大作业深度(MOD)使用不同的气体混合物,以避免吸入有伤害的气体带来的负面影响。
在这里,我们再次提醒: 不要超过休闲潜水的极限!
亨利定律
Henry's Law
亨利定律非常重要,其涉及气体在液体中的溶解度与周围压力的关系。亨利(1774 - 1836)在他的研究中发现:在常温下且密闭的容器中,溶于某溶剂的某气体之体积摩尔浓度,会正好与此溶液达成平衡的气体分压成正比。
在水肺潜水物理定律中,这似乎是给初学者甚至是有经验的潜水者造成过的不少困惑。但这对于造成减压病的成因很重要。
让我们先用一个小例子来避免混淆。
我们在打开碳酸饮料的瓶的一刹那,会听见“滋”的一声,有气体从瓶口施压,同时看到气瓶内液体中间生成了非常多的小气泡。
参考:罐装可乐内部压强在4℃时为117千帕,21℃左右时为248千帕,与之相比,大气压是101千帕
没有开盖的饮料,二氧化碳溶解在饮料液体中,没有气瓶形成。碳酸饮料的开盖过程就是压力是瞬间释放的过程。溶解在饮料液体内的气体的平衡被打破,超过过饱和状态,从而产生气泡。一旦开了盖子的饮料放置一段时间后,压力平衡,饮料内就不在这个平衡点生成气瓶了。
为什么亨利定律对水肺潜水很重要?
刚才描述的过程正是每次潜水所发生的事情。当我们下潜时,压力会上升。更多的氮气会溶解到我们的组织、血液、器官和骨骼中。在开始上升时,这些多余的气体必须通过呼气或从我们的组织扩散离开身体,否则就有得减压病的可能。
如果溶解氮气的过度,也就是在某个深度潜水时间超过我们身体的减压极限时间,我们就需要用更多的上升时间来做减压,慢慢的在身体内形成气泡之前排除过多的氮气。同时也必须遵循较慢的上升速度之内(padi建议上升速率18 m/min ,或者更为保守的9~10 m/min),以放缓降低压力的速度的,保障气体不会以气泡形式快速溢出。
如果你想了解如何在潜水时摄入更少的氮并获得更长的免减压时间,请联系我们进行《高氧空气潜水员》授课。
总结
关于潜水的点点滴滴,想了解更多,直接来撩

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