Prawo Boyle’a: ciśnienie i objętość
Fizyka nurkowania · Temat 5 z 15
Prawo Boyle’a: ciśnienie i objętość
Pomiar ciśnienia i sprężanie gazu
Barometr porównuje ciśnienie atmosferyczne z ciężarem słupa cieczy. Wartości 1 atm i 1 bar są bliskie, lecz nie identyczne. Drugi rysunek pokazuje prawo Boyle’a przy stałej temperaturze i ilości gazu: podwojenie ciśnienia bezwzględnego zmniejsza objętość do połowy.
Uzupełnienie: OpenStax — Gas Pressure.
Źródło: Encyklopedia nurkowania rekreacyjnego, RIV_fizyka.pdf, s. 30, 35. Schemat poglądowy.
Dla stałej ilości gazu w stałej temperaturze iloczyn ciśnienia absolutnego i objętości pozostaje w przybliżeniu stały: p₁V₁ = p₂V₂. Wzrost ciśnienia zmniejsza objętość, a spadek pozwala gazowi się rozprężać. Warunek stałej ilości gazu jest ważny: dodawanie gazu do kompensatora zmienia sytuację.
Źródło: Encyklopedia nurkowania rekreacyjnego, RIV_fizyka.pdf, s. 36. Schemat poglądowy.
Przykład: elastyczny pojemnik ma 3 litry na 20 m, czyli przy 3 bar. Przy powierzchni, jeśli gaz nie ucieknie, jego objętość wyniesie V₂ = 3 · 3 / 1 = 9 litrów. To model fizyczny, a nie instrukcja wynoszenia zamkniętych przedmiotów z dna.
30 m: 4 bar → 1 l
10 m: 2 bar → 2 l
Powierzchnia: 1 bar → 4 l
Prawo pomaga wyjaśnić ucisk maski, zmiany wyporności i konieczność swobodnego oddychania podczas wynurzania z aparatem. Wrażliwych tkanek nie można jednak traktować jak dowolnie rozciągliwego balonu.
Dlaczego końcowe metry wymagają uwagi?
W szkoleniowym modelu wynurzenie z 20 do 10 m zmienia ciśnienie z 3 do 2 bar, więc objętość zamkniętej porcji gazu rośnie o 50%. Z 10 m do powierzchni ciśnienie spada z 2 do 1 bar, a objętość rośnie o 100%. Taki sam odcinek głębokości nie oznacza takiej samej zmiany względnej. Zobacz też uraz ciśnieniowy płuc.
Najpierw ustal, czy ilość gazu pozostaje stała
Prawo Boyle’a opisuje zależność ciśnienia i objętości określonej ilości gazu przy stałej temperaturze. Zamknięty, elastyczny worek może zmieniać objętość, natomiast sztywna butla prawie nie zmienia swojej objętości podczas zanurzania. Nie oznacza to, że gaz przestaje podlegać prawom fizyki: w obu przypadkach inne wielkości mogą się zmieniać i inne są ograniczenia układu.
Płuca osoby oddychającej z automatu nie są zamkniętym workiem z niezmienną ilością cząsteczek. Przy każdym wdechu gaz jest dodawany, a przy wydechu usuwany. Zależność Boyle’a pomaga zrozumieć zagrożenie przy zatrzymaniu gazu i zmianie ciśnienia, lecz nie opisuje całej pracy układu oddechowego.
Przykład: ten sam pęcherz na różnych głębokościach
Załóżmy, że elastyczny pęcherz zawiera 2 litry gazu na głębokości 30 m, przy około 4 barach absolutnych. Bez dodawania i usuwania gazu, przy niezmienionej temperaturze, jego objętość na 10 m wyniosłaby 4 litry: 4 × 2 / 2. Na powierzchni byłoby to 8 litrów, o ile konstrukcja pozwala na taką zmianę.
W BCD większa objętość oznacza większy wypór. Rozpoczęte wznoszenie może zatem zwiększać objętość gazu, a większy wypór nasilać wznoszenie. To przykład dodatniego sprzężenia zwrotnego. Kontrola gazu i głębokości przerywa ten mechanizm. Obliczenie objaśnia zjawisko; nie określa dopuszczalnego tempa wynurzania ani procedury obsługi konkretnego kompensatora.