Kiek kartų pasikeis oro srautas? Idealiųjų dujų būsenos lygties taikymas

Atmosferos oras ir jo savybės. Žemės rutulį supantis oro sluoksnis vadinamas atmosfera. Kuo aukščiau esate nuo žemės paviršiaus, tuo mažesnis oro tankis.

Atmosferos oras yra dujų mišinys. Vienas litras jo sveria 1,29 g esant atmosferos slėgiui ir 15°C temperatūrai.

Oro sudėtis apima (pagal tūrį) azoto - 78,13%, deguonies - 20,90%, anglies dioksido - 0,03%, argono - 0,94%. Be to, ore yra nedideli kiekiai helio, vandenilio ir kitų inertinių dujų.

Be išvardytų dujų, ore yra vandens garų, kurių kiekis nėra pastovus.

Azotas- įprastomis sąlygomis kūnui neutralus dujų. Jis yra bespalvis, bekvapis ir beskonis, nedega ir nepalaiko degimo. Vienas litras azoto sveria 1,25 g, jo tankis – 0,967. Esant normaliam atmosferos slėgiui žmogaus organizme ištirpsta apie vienas litras azoto.

Deguonis– svarbiausios žmogui dujos. Be jo gyvybė Žemėje neįmanoma. Deguonis nedega, bet palaiko degimą. Gryna forma yra degi. Vienas litras deguonies sveria 1,43 g gryno medicininio deguonies (98,99%).

Anglies dioksidas- sunkiausios iš visų dujų. Vienas jo litras sveria 1,529 g Esant daliniam slėgiui 0,03 ata, o tai atitinka 3% ore, anglies dioksidas daro nuodingą poveikį organizmui.

Atmosferos slėgio matavimas. Oro svoris spaudžia žemę ir ant jos esančius daiktus. Pirmasis atmosferos slėgio vertę nustatė italų mokslininkas Toricelli (XVII a.). Tam jis panaudojo ilgą stiklinį vamzdelį, kurio skerspjūvio plotas 1 cm2, viename gale užsandarintas ir pripildytas gyvsidabrio.

Nuleidęs neužsandarintą vamzdžio galą į atvirą indą su gyvsidabriu, jis pastebėjo, kad pastarasis vamzdyje tik nukrenta iki tam tikro lygio. Jis nenusileido žemiau, nes tam sutrukdė oro slėgis gyvsidabriui inde. Matuojant paaiškėjo, kad gyvsidabrio stulpelio aukštis vamzdyje – 760 mm, o svoris – 1,033 kg (2 pav.). Taigi buvo nustatyta, kad atmosferos slėgis žemės paviršiuje jūros lygyje yra 760 mm Hg. Art., kuris atitinka slėgį, kurio jėga yra 1,033 kg 1 cm 2 arba 10,33 m vandens. Art. Šis slėgis vadinamas atmosferiniu, normaliu arba barometriniu ir žymimas atm. Tai fizinė atmosfera.

Ryžiai. 2. Atmosferos oro slėgis

Praktiškai skaičiavimų patogumui techninė atmosfera laikoma slėgio vienetu, kuris yra lygus 1 kg slėgiui 1 cm 2 plote. Jis nurodytas adresu.

Vandens slėgis ant naro. Aukščiau jau sakėme, kad nardydamas po vandeniu žmogus patiria ne tik atmosferos oro, bet ir vandens slėgį. Nardant kas 10 m slėgis padidėja 1 atm. Šis slėgis vadinamas pertekliumi ir žymimas ati.

Bendras (absoliutus) vandens ir oro slėgis nardytojui. Po vandeniu narą veikia tiek atmosferinis, tiek perteklinis vandens stulpelio slėgis.

Jų bendras slėgis vadinamas absoliučiu slėgiu ir žymimas ata. Pavyzdžiui, 10 m gylyje naras patiria 2 ati slėgį (1 ati + 1 ata), 50 m gylyje - 6 ata ir kt.

Dujų suspaudimas ir elastingumas. Dujos susideda iš nuolat judančių dalelių. Dujų molekulės yra mažos, bet užima didelį tūrį. Atskirų dujų molekulių traukos jėga yra daug mažesnė nei skysčių ar kietų medžiagų. Dujos neturi pastovaus tūrio ir įgauna indo, kuriame jos yra, formą ir tūrį.

Priešingai nei skysčiai, dujos gali plėstis ir susispausti esant slėgiui, taip sumažindamos jų tūrį ir padidindamos elastingumą.

Santykį tarp dujų tūrio ir slėgio nustato Boyle-Mariotte dėsnis, kuris teigia, kad dujų tūris kinta atvirkščiai proporcingai slėgiui, veikiančiam jas esant pastoviai temperatūrai. Dujų tūrio (V) ir atitinkamo slėgio (P) sandauga esant pastoviai temperatūrai nesikeičia PхV=const.

Pavyzdžiui, jei paimsite 2 litrus dujų, kurių slėgis yra 2 ata, ir pakeisite šį slėgį, tūris pasikeis taip:

Kitaip tariant, kiek kartų padidėja slėgis, tiek pat sumažėja dujų tūris ir atvirkščiai.

Šio dėsnio reikšmė (praktinė) paaiškina, kodėl didėjant gyliui didėja oro suvartojimas kvėpavimui (nardymas. Jei paviršiuje naras sunaudoja 30 litrų atmosferinio oro per minutę, tai 20 m gylyje šio oro). yra suspaustas iki 3 ata, o tai jau atitinka 90 litrų oro suvartojimas iš tikrųjų patrigubėja.

Naudodamiesi šiuo įstatymu galite atlikti reikiamus skaičiavimus, susijusius su nardymo nusileidimais.

Skaičiavimo pavyzdys:

Nustatykite, kiek litrų suslėgto oro gauna naras, esantis 4 atm slėgio matuokliu, jei jam tiekiama 150 litrų laisvo oro per minutę?

Pagal Boyle-Marriott įstatymą P1 V1 = P2 V2.

Pavyzdyje

Šie skaičiavimai galioja tik esant pastoviai temperatūrai. Praktiškai būtina atsižvelgti į tūrio ir slėgio pokyčius esant skirtingoms temperatūroms. Oro tūrio ir slėgio priklausomybę nuo jo temperatūros nusako Gay-Lussac dėsnis, kuris teigia, kad dujų tūrio pokytis esant pastoviam slėgiui yra tiesiogiai proporcingas šildymo temperatūrai. Dujų slėgio pokytis esant pastoviam tūriui taip pat yra tiesiogiai proporcingas šildymo temperatūrai.

Pamokos tema: Dujų įstatymai. Hidrostatikos ir hidrodinamikos dėsniai.

Dujos yra viena iš agreguotų medžiagos būsenų, kurioje jos dalelės laisvai juda, tolygiai užpildydamos joms skirtą erdvę. Jie daro spaudimą apvalkalui, kuris riboja šią erdvę. Dujų tankis esant normaliam slėgiui yra keliomis eilėmis mažesnis už skysčio tankį.

Dujų dinamikos dėsniai

• Boyle-Mariotte dėsnis (izoterminis procesas)
• Charleso dėsnis (izochorinis procesas) ir gėjų-lussakas (izobarinis procesas)
• Daltono dėsnis
• Henriko dėsnis

• Paskalio dėsnis
• Archimedo įstatymas
• Eulerio-Bernulio dėsnis

Boyle-Mariotte dėsnis (izoterminis procesas)

• Tam tikros dujų masės M esant pastoviai temperatūrai T, jų tūris V yra atvirkščiai proporcingas slėgiui P: PV = const, P 1 V 1 = P 2 V 2, P 1 ir P 2 yra pradinės ir galutinės slėgio vertės, V 1 ir V 2 yra pradinė ir galutinė slėgio vertės.
• Išvada – kiek kartų slėgis didėja, kiek kartų tūris mažėja.
• Naudodamiesi šiuo dėsniu, galite suprasti, kiek kartų didėja oro suvartojimas povandeniniam plaukikui kvėpuoti, taip pat apskaičiuoti laiką, praleistą po vandeniu.
• Pavyzdys: baliono V = 15 l, cilindro P = 200, plaučių strypas V = 5 l, D gylis = 40 m Kiek laiko truks cilindras tokiame gylyje? Ką daryti, jei žmogus įkvepia 6 kartus per minutę? 15x200 = 3000 litrų oro balione, 5x6 = 30 l/min – oro srautas per minutę paviršiuje. 40m gylyje P abs =5 bar, 30x5=150 l/min gylyje. 3000/150 = 20 min. Atsakymas: oro užteks 30 minučių.

Charleso dėsnis (izochorinis procesas) ir gėjų-lussakas (izobarinis procesas)

• Esant tam tikrai dujų masei M at pastovus tūrisV slėgis yra tiesiogiai proporcingas jo absoliučios temperatūros pokyčiui T: P 1 xT 1 = P 2 xT 2
• Esant tam tikrai dujų masei M at pastovus slėgis P dujų tūris kinta tiesiogiai proporcingai absoliučios temperatūros pokyčiui T: V 1 xT 1 = V 2 xT 2
• Absoliuti temperatūra išreiškiama Kelvino laipsniais. 0°С=273°К, 10°С=283°К, -10°С=263°К
• Pavyzdys: Tarkime, kad cilindras buvo pripildytas 200 barų slėgio suspausto oro, po kurio temperatūra pakilo iki 70°C. Koks oro slėgis cilindro viduje? P 1 = 200, T 1 = 273, P 2 =?, T 2 = 273 + 70 = 343, P 1 xT 1 = P 2 x T 2, P 2 = P 2 x T 2 / T 1 = 200 × 343/273 = 251 baras

Daltono dėsnis

• Dujų mišinio absoliutus slėgis yra lygus atskirų dujų, sudarančių mišinį, dalinių (dalinių) slėgių sumai.
• Dalinis dujų slėgis P g yra proporcingas duotųjų dujų procentinei daliai n ir dujų mišinio absoliučiam slėgiui P abs ir nustatomas pagal formulę: P g = P abs n/100. Šį dėsnį galima iliustruoti palyginus uždarame tūryje esantį dujų mišinį su skirtingo svorio svorių rinkiniu, išdėstytu ant svarstyklių. Akivaizdu, kad kiekvienas svarelis darys spaudimą svarstyklei, nepaisant to, ar ant jų yra kitų svarmenų.

Henriko dėsnis

• Skystyje ištirpusių dujų kiekis yra tiesiogiai proporcingas jo daliniam slėgiui. Jei dalinis dujų slėgis padvigubėja, tada ištirpusių dujų kiekis padvigubėja. Plaukikui nardant padidėja P abs, todėl padidėja plaukiko įkvepiamų dujų kiekis ir atitinkamai jos ištirpsta kraujyje. Kylant aukštyn slėgis mažėja ir kraujyje ištirpusios dujos išeina burbuliukų pavidalu, kaip ir atidarius gazuoto vandens butelį. Šis mechanizmas yra DCS pagrindas.

Hidrostatikos ir hidrodinamikos dėsniai

Vandeniui, kaip ir dujoms, dėl jų sklandumo yra įvykdytas Paskalio dėsnis, kuris lemia šių terpių gebėjimą perduoti slėgį. Kūnui, panardintam į skystį, Archimedo dėsnis yra įvykdytas dėl slėgio poveikio kūno paviršiui, kurį skystis sukuria dėl jo svorio (t. y. gravitacijos). Judantiems skysčiams ir dujoms galioja Eulerio-Bernulio dėsnis.

Paskalio dėsnis

Slėgis skysčio (arba dujų) paviršiuje, kurį sukuria išorinės jėgos, skystis (arba dujos) perduodamas vienodai visomis kryptimis.

Šio įstatymo veikimas grindžiamas visų rūšių hidraulinių įtaisų ir prietaisų, įskaitant nardymo įrangą (cilindrai - pavarų dėžė - kvėpavimo aparatas), veikimas.

Archimedo įstatymas

Bet kurį kūną, panardintą į skystį (arba dujas), šis skystis (arba dujos) veikia jėga, nukreipta į viršų, nukreipta į pasislinkusio tūrio svorio centrą ir savo dydžiu lygi skysčio (arba dujų) svoriui. išstumtas kūno.

K= yV

adresu – skysčio savitasis svoris;

V- kūno išstumto vandens tūris (panardintas tūris).

Archimedo dėsnis nustato tokias į skystį panardintų kūnų savybes kaip plūdrumas ir stabilumas.

Eulerio-Bernulio dėsnis

Tekančio skysčio (arba dujų) slėgis yra didesnis tose srauto atkarpose, kuriose judėjimo greitis mažesnis, ir atvirkščiai, tose atkarpose, kuriose judėjimo greitis didesnis, slėgis mažesnis. .

Tikslus nardymo oro apskaičiavimas yra antras pagal svarbą veiksnys po nepriekaištingos techninės įrangos būklės. Kadangi ši užduotis buvo vykdoma nuo pat nardymo įrangos išradimo, jau seniai buvo sukurti specialūs reikiamo oro kiekio apskaičiavimo metodai. Pagrindas yra oro tūris, kurio reikia vienam narui per minutę, o tada gauta vertė yra padalinta iš dujų tūrio balione.

Šiuos skaičiavimus apsunkina tai, kad oro suvartojimas priklauso nuo fizinio aktyvumo. Ramaus plaukimo metu jis yra daug mažesnis nei intensyviai naudojant pelekus. Kitas veiksnys, į kurį taip pat visada atsižvelgiama, yra panardinimo gylis. Kuo didesnis gylis, tuo didesnis slėgis turi būti tiekiamas oras. Visi veiksniai, į kuriuos atsižvelgiama, gali būti pateikti kaip sąrašas:

1. Cilindro tūris.
2. Cilindro slėgis.
3. Oro suvartojimas per minutę (žymimas RMV)
4. Panardinimo gylis.

Pirmieji du parametrai gali būti labai tikslūs. Jų tikslumas priklauso tik nuo to, kaip jie atitinka nurodytą tūrį, taip pat kaip tiksliai sureguliuotas vožtuvas ant siurblio, kuris buvo naudojamas užpildymui. Pripildymo pabaigoje kompresorius išjungiamas slėgio jutikliu. Ji yra atsakinga už tai, kad oro tūris balione tiksliai atitiktų deklaruotą tūrį.

Sunkiausia dalis yra apskaičiuoti RMV. Tikslius duomenis galima gauti tik eksperimentiniu būdu. Būtent tai jie daro treniruodami narus. Mokinys manometro rodmenis įsimena įvairiais nardymo režimais, dreifuodamas su srove, kildamas ar stovėdamas vietoje. Toliau, remiantis gautais duomenimis, išvedamas individualus RMV rodiklis. Duomenys įrašomi į lentelę su trimis stulpeliais: nardymo laikas ir gylis bei bako slėgis, naudojant manometrą. Perskaičiavę slėgį cilindre pagal tūrį (tik reikia padauginti rodiklius) gauname tiksli vertė oro suvartojimą per minutę ir išvesti apkrovos bei gylio pataisas.

Jei nėra laiko tokiems matavimams, kuriems reikalingi bandomieji nardymai su instruktoriumi, tada imkite bendrieji rodikliai. Jos skaičiuojamos su tam tikra marža, kuri reikalinga visoms individualioms savybėms padengti. Taigi 80 kg sveriančio naro oro sąnaudos paviršiuje yra 20 - 25 l/min. (realiai kiek mažiau - 16 - 22 l). Moterys sunaudoja dar mažiau oro. Toliau atliekama gylio korekcija. Didėjant nardymo gyliui, reikalingas oro kiekis labai greitai didėja. Esant 50 metrų (didžiausias gylis mėgėjiškam nardymui), reikia beveik dvigubai daugiau (apie 40 l/min.).

Skirtingiems mišiniams didžiausias įkvėpimo slėgis skiriasi. Deguoniui jis yra tik 1,3–1,4 atm. Dėl šios priežasties giluminiam nardymui reikalingi specialūs mišiniai. Rengdami jie stengiasi užtikrinti, kad deguonies kiekis juose šiek tiek skirtųsi nuo natūralaus įprastame ore. Giliavandeniame mišinyje taip pat sumažėja azoto kiekis, nes naudojant įprastą orą, azoto narkozė prasideda jau 30 metrų. Giliausiam nardymui optimalus yra helio ir deguonies mišinys. Jis beveik niekada nenaudojamas mėgėjiškam nardymui. Balionus užpildyti heliu sunku, nes jis pasižymi itin dideliu pralaidumu, tačiau sumaišius su deguonimi šis trūkumas beveik pašalinamas.

Naudojant švarų orą, taip pat svarbu, kur buvo užpildytas balionas. Čia yra tik vienas pagrindinis reikalavimas. Būtinas oro grynumas. Todėl geriau su elektrine pavara. Tuomet anglies monoksido ir anglies dioksido pertekliaus rizika yra minimali. Optimalu, kad balionai būtų pildomi aplinkai nekenksmingoje vietoje, pavyzdžiui, pajūryje ar kaime.

Sąvokos, nurodančios suvartoto kvėpavimo takų mišinio suvartojimą:

RMV – kvėpavimo minutinis tūris – kvėpavimo tūris per minutę;

SAC – paviršiaus oro suvartojimas – paviršiaus oro suvartojimas.

Kodėl kiekvienas naras turėtų žinoti savo kvėpavimo mišinio suvartojimą (oras, nitroksas, trimiksas – toliau, kad būtų paprasčiau – dujos)? Atsakymas į šį klausimą labai paprastas. Siekiant tinkamai suplanuoti savo nardymą ir išvengti situacijos, kai nardymo metu staiga baigiasi dujos. Ko tam reikia? Dujų suvartojimo matavimo procesas yra labai paprastas, tačiau nardymo metu turi būti įvykdytos kelios sąlygos. Pirmiausia reikia suprasti, kad skirtingomis plaukimo sąlygomis (gylis, srovės, judėjimo greitis ir kt.) dujų sąnaudos skirsis. Daugiau mankštos stresas ant kūno, tuo daugiau CO2 išsiskiria ir mes dažniau kvėpuojame. Todėl reikia atlikti kelis matavimus:

• lengva apkrova (dreifas su srove, lėtas judėjimas);
• vidutinė apkrova (plaukimas be srovės vidutiniu tempu);
• didelis krūvis (plaukimas prieš srovę arba greitas plaukimo tempas).

Visais šiais atvejais turime išmatuoti kvėpavimo takų dujų suvartojimą. Neriame į iš anksto suplanuotą gylį ir, stengdamiesi kuo griežčiau jo laikytis, fiksuojame šiuos rodiklius - laiką, slėgį cilindre, gylį. Siekiant matavimo tikslumo, kiekvienam matavimui patartina naudoti pusę viso dujų rezervo. Tie. Visus tris matavimus galima atlikti 3 nardymo metu. Per visą matavimo laiką turime fiksuoti prietaisų rodmenis 3-10 minučių intervalais (priklausomai nuo nardymo sąlygų). Dėl to gausite tokią plokštelę:

• T – dabartinis nardymo laikas, minutės,
• P – slėgis cilindre, baras,
• D – srovės gylis, metrai.

Toliau turime apskaičiuoti, kiek oro, išreikšto barais, sunaudojame per minutę. T iš viso = (28-3) = 25 minutės P iš viso = (190-90) = 100 barų 100/25 = 4 bar/min. Toliau šią reikšmę turime konvertuoti į litrus. Žinodami savo cilindro tūrį (pavyzdžiui, matavimui nardėme su 12 litrų plieniniu cilindru) ir sunaudoto strypo kiekį, galime gauti vertę litrais. 4*12 = 48 litrai/min. Bet matavimus atlikome po vandeniu, todėl įkvėpėme slėginį orą aplinką. Planuodami mums reikia paviršiaus srauto. Apskaičiuojame vidutinį panardinimo gylį. Vidutinis = (15,3+15,7+15,1+14,9+15,2+15,0)/6 = 15,2 m P = (15,2/10)+1 = 2,52 ata Padalinę srautą iš gylio iš absoliutaus slėgio šiame gylyje, gauname paviršių oro srautas litrais. RMV = 48/2,52 = 19,04 litro.

Atlikę tris matavimus skirtingomis sąlygomis, turėsime tris skirtingas vertes, kurias galėsime sėkmingai panaudoti toliau planuojant savo nardymą. Žinodami, kokiomis sąlygomis nersime ir kokio gylį neriame, mums nebus sunku suskaičiuoti, kiek laiko užteks to ar kito dujų rezervo. Tai žinodami galime kompetentingiau planuoti patį nardymą ir išvengti nusivylimo dėl nepasiektų tikslų. Pavyzdžiui, turime 12 litrų tūrio ir 180 barų slėgio oro balioną. Bendras oro tūris litrais yra 180 * 12 = 2160 litrų. Tačiau planuodami turime nedelsiant atsisakyti 28-35 barų „avarinio“ dujų rezervo, kurio mums gali prireikti avarinėse situacijose. Taigi (180-35)*12 = 1740 litrų oro vienam nardymui. Numatomas nardymo gylis – 25 metrai. Nardymas vyks vietoje be srovių. Įėjimo ir išėjimo į vandenį taškai yra toje pačioje vietoje. Logiška, kad tokiam nardymui užbaigti pusę laisvo dujų tiekimo išleisime iki apsisukimo taško, o kitą pusę – atgal. Sunaudoto oro slėgis bus 25/10+1 = 3,5 ata tada: 1740/2 = 870 litrų. 870/(19.04*3.5) = 12.81 min = 12 min (visa apvalinama žemyn, kad padidintumėte saugumą) Todėl turime 12 minučių nukeliauti iki nardymo tikslo ir jį apžiūrėti bei 12 minučių grįžti atgal. Skaičiuodami kelių lygių nardymą, galime gana tiksliai apskaičiuoti ir savo suvartojimą, padalydami nardymą į atskirus segmentus pagal gylį ir laiką.