Законы газовой динамики

Физические и физиологические особенности подводных погружений. Основные законы газо- и гидродинамики

Воздух и его свойства

Состав воздуха

Давление воздуха

Масса воздуха, составляющая атмосферу Земли, оказывает своим весом на ее поверхность определенное давление, которое называется атмосферным. Измеренное на уровне моря при температуре 0°С атмос­ферное давление уравновешивается в трубке сечением 1 см² барометра столбом ртути высотой 760мм или столбом воды высотой 10,33 м, что соответствует давлению на 1 см² поверхности с силой 1,033 кгс (или 10,1325Н). Эта величина носит название физической атмосферы (атм).

1 атм = 760 мм рт.ст. = 10,33 м вод.ст. = 1,033 кгс/см² = 101325 Н/м²

Атмосферное давление (барометрическое), равное 1 атм, называ­ется нормальным.

В технике для удобства расчетов за единицу давления принимается техническая атмосфера (ат), что соответствует давлению на 1 см² поверх­ности силы в 1 кгс, или 1 Н на 1 м² (в системе СИ):

1 ат = 1 кгс/см² = 10^s Н/м² = 10 м вод.ст.,

т.е. одна техническая атмосфера соответствует давлению10 м во­дяного столба (в честь французского ученого 17 века Б.Паскаляединицадавления 1 Н/м² называется паскалем - обозначается Па).

Давление сверх атмосферного называется избыточнымдавлением.Избыточное давление измеряется манометрами, и поэтому часто оно на­зывается манометрическим давлением.Сумма избыточного и атмосферного давлений называетсяабсолют­ным давлением.

Рис.1. Давление воздуха и воды

Р_изб - избыточное давление (из­меряется в технических атмосферах и обозначается ати - атмос­фера техническая избыточная);

Р_абс - абсолютное давление (измеряется в технических атмос­ферах и обозначается ата - атмос­фера техническая абсолютная).Для упрощенных расчетов ат­мосферное давление рассчитается постоянным и равным 1 атм, тогда

Р_абс = Р_изб+1атм (2)

Таким образом, на каждые 10 метров глубины погружения избыточное давление увеличивается на1 атм (1кгс/см²).

Состояние любого газа или газовой смеси определяется четырьмяосновными параметрами, объемом V,давлением р, температурой Т, массой М, которые находятся во взаимозависимости, определяемой рассмот­ренныминиже газовыми законами.

Законы газовой динамики

Закон Бойля-Мариотта.(Изотермическийпроцесс). Для данной массы газа М при постоянной температуреТ его объемобратно пропорционален давлению р:

pV = const (3)

Иными словами, справедливы равенства

p₁V₁=p₂V₂ или

p₁/p₂=V₂/V₁ (4)

где:

р₁,р₂. - соответственно началь­ное и конечное давление газа;

V₁, V₂- - соответственно началь­ный и конечный объем газа.

Проще говоря,во сколько раз увеличивается давление, во столько раз уменьшается объём.Пользу­ясь этим законом,можно понять, почему с ростом глубины погружениявозрастает расход воздухадля дыхания подводного пловца, а также рас­считать время пребывания подводой.

Закон Шарля(Изохорный процесс). Для данной массы газаМ припостоянном объёмеV обеление р прямо пропорциональноизменению абсолютной температурыТ:

p_t = p₀a_pT (5)

где:

p_t - давление газа при абсолют­ной температуре Т;

р₀ - давление газа при темпе­ратуре 0°С;

a_p - температурный коэффициент давления газов, равный 1/273 К^-1;

Т - абсолютная температура газа, К (по шкале Кельвина).

Закон Гей-Люссака (Изобарный процесс).Для данной массыгаза М припостоянном давлении р объем газа V прямо пропорционален изме­нению его абсолютной температурыТ:

V_T=V₀a_VT (6)

где:

V_T- объем газа при абсолютной температуреТ;

V₀ - объем газа при температуре 0 ⁰С;

Т - абсолютная температура газа, К;

a_V -температурный коэффициент объемного расширениягазов,рав­ный 1/273 К^-1.

Часто для решения практических задач удобнее зависимос­ти (5) и (6) выражать в виде:

p₁/р₂ = Т₁/T₂ (7)

V₁/V₂=Т₁/T₂ (8)

где:

p_1И р₂- начальное и конеч­ное давление газовпри постоян­ном объеме;

V₁ и V₂-начальный и конеч­ный объем газов при постоянном давлении;

Т₁ и T₂ - начальная и конечная абсолютные температурыгазов.Абсолютная температура Т по шкале Кельвина (К) итемпература t по шкале Цельсия (°С) связаны между собой соотношением:

Т = t + 273 (9)

Приведенные зависимости, выражающие законы Шарля и Гей-Люссака, позволяют решать важные практические задачи при подготовке и планиро­вании подводных погружений, такие, например, как определение давления воздуха в баллонах при изменении температуры, соответствующие ему изме­нение запасов воздуха и времени пребывания на данной глубине и т. п.

Закон Дальтона. Давление смеси газов равно сумме парциальных (частичных) давлений отдельных газов, составляющих смесь, т.е. тех давлений, которые производил бы каждыйгаз в отдельности, еслибыон был взят при той же температуре в объеме смеси.

Парциальное давление газа р_г, пропорционально процентному содер­жанию n данного газа и величине абсолютного давления р_абс газовой сме­си и определяется по формуле:

р_г = р_абс n/100 (10)

Рис. 5 Парциальное давление газов. Рис б. Иллюстрация закона Генри

Проиллюстрировать данный закон можно,сравнив смесь газов в замкнутом объеме с набором гирь различного веса, положенных на весы. Оче­видно, что каждая из гирь будет оказывать давление на чашу весов неза­висимо от наличия на ней других гирь.

Закон Генри.Количество газа, растворенного в жидкости, прямопропорционально его парциальному давлению.

Поскольку парциальное давление отражаетфактическое количествогаза,поступающего в организм, знание парциальныхдавлений газов всмеси позволяет правильно оценить действие этих газов, сильно изменя­ющееся в зависимости от величиныабсолютного давления р_абс.