Задачи

Решение.

Решение.

Примеры

Баллон с кислородом емкостью 20 л находится под давлением
10 МПа при 15 ºС. После израсходования части кислорода давление понизилось до 7,6 МПа, а температура упала до 10 ºС.

Определить массу израсходованного кислорода.

Из характеристического уравнения (2.5)

Следовательно, до расходования кислорода масса его состояла

кг,

а после израсходования

кг.

Таким образом, расход кислорода

ΔМ = М 1 –М 2 = 2,673 - 2,067 = 0,606 кг.

Определить плотность и удельный объем окиси углерода СО при давлении 0,1 МПа при температуре 27 ºС.

Удельный объем определяется из характеристического уравнения (2.6)

м 3 /кг.

Плотность окиси углерода (1.2)

кг/м 3 .

В цилиндре с подвижным поршнем находится кислород при
t = 80 ºС и разряжении (вакууме), равном 427 гПа. При постоянной температуре кислород сжимается до избыточного давления
p изб = 1,2 МПа. Барометрическое давление В = 933 гПа.

Во сколько раз уменьшится объем кислорода?

Ответ: V 1 /V 2 = 22,96.

В комнате площадью 35 м 2 и высотой 3,1 м воздух находится при t = 23 ºС и барометрическом давлении В = 973 гПа.

Какое количество воздуха проникнет с улицы в комнату, если барометрическое давление увеличится до В = 1013 гПа. Температура воздуха остается постоянной.

Ответ: М = 5,1 кг.

В сосуде объемом 5 м 3 находится воздух при барометрическом давлении В = 0,1 МПа и температуре 300 ºС. Затем воздух выкачивается до тех пор, пока в сосуде не образуется вакуумметрическое давление, равное 80 кПа. Температура воздуха после выкачивания остается той же.

Сколько воздуха выкачано? Чему будет равно давление в сосуде после выкачивания, если оставшийся воздух охладить до температуры t = 20 ºС?

Ответ: выкачано 2,43 кг воздуха. После охлаждения воздуха давление будет равным 10,3 кПа.

В воздухоподогреватель парового котла подается вентилятором 130000 м 3 /ч воздуха при температуре 30 ºС.

Определить объемный расход воздуха на выходе из воздухоподогревателя, если он нагревается до 400 ºС при постоянном давлении.

Ответ: V = 288700 м 3 /ч.

Во сколько раз изменится плотность газа в сосуде, если при постоянной температуре показание манометра уменьшится от р 1 = 1,8 МПа до р 2 = 0,3 МПа?

Барометрическое давление принять равным 0,1 МПа.

Ответ:

В сосуде объемом 0,5 м 3 находится воздух при давлении 0,2 МПа и температуру 20 ºС.

Сколько воздуха надо выкачать из сосуда, чтобы разрежение в нем составило 56 кПа при условии, что температура в сосуде не изменится? Атмосферное давление по ртутному барометру равно 102,4 кПа при температуре ртути в нем, равной 18 ºС. Разрежение в сосуде измерено ртутным вакуумметром при температуре ртути 20 ºС.

Ответ: М = 1,527 кг.

Часто приходится решать задачи, в которых рассматриваются не отдельные газы, а их смеси. При смешении химически невзаимодействующих газов, имеющих различные давления и температуры, обычно приходится определять конечное состояние смеси. При этом различают два случая (таблица 1).

Таблица 1

Смешение газов*

	Температура, К	Давление, Па	Объем, м 3 (объемный расход, м 3 /ч)
Смешение газов при V=const
Смешение газовых потоков**
* - все уравнения, относящиеся к смешению газов, выведены при условии отсутствия теплообмена с окружающей средой; ** - если массовые расходы (М 1 , М 2 , …М n , кг/ч) смешивающихся потоков равны.

Здесь k i – отношение теплоемкостей газов (см.формулу (4.2)).

Под газовыми смесями понимают механическую смесь нескольких газов, химически между собой не взаимодействующих. Состав газовой смеси определяется количеством каждого из газов, входящих в смесь, и может быть задан массовыми m i или объемными r i долями:

m i = M i / M ; r i = V i / V , (3.1)

где M i – масса i -го компонента,

V i – парциальный или приведенный объем i- го компонента;

M , V – масса и объем всей смеси соответственно.

Очевидно, что

М 1 + М 2 +…+М n = M ; m 1 + m 2 +…+m n = 1, (3.2)

V 1 + V 2 +…+ V n = V ;r 1 + r 2 +…+r n = 1, (3.3)

Связь между давлением газовой смеси р и парциальным давлением отдельных компонентов р i , входящих в смесь, устанавливается законом Дальтона

Тема занятия: Газовые законы. Законы гидростатики и гидродинамики.

Газ – это одно из агрегатных состояний вещества, в котором его частицы движутся свободно, равномерно заполняя доступное для них пространство. Они оказывают давление на ограничивающую это пространство оболочку. Плотность газа при нормальном давлении на несколько порядков меньше плотности жидкости.

Законы газовой динамики

• Закон Бойля-Мариотта (Изотермический процесс)
• Закон Шарля (Изохорный процесс) и Гей-Люссака (Изобарный процесс)
• Закон Дальтона
• Закон Генри

• Закон Паскаля
• Закон Архимеда
• Закон Эйлера-Бернулли

Закон Бойля-Мариотта (Изотермический процесс)

• Для данной массы газа М при постоянной температуре Т его объем V обратно пропорционален давлению Р: PV=const, P 1 V 1 =P 2 V 2 , P 1 и P 2 – начальное и конечное значение давления, V 1 и V 2 - начальное и конечное значение давления.
• Вывод – Во сколько раз увеличивается давление, во столько раз уменьшается объем.
• Пользуясь этим законом можно понять во сколько раз с увеличением глубины возрастает расход воздуха для дыхания подводного пловца, а также рассчитать время пребывания под водой.
• Пример: V баллона =15л, P баллона =200, Бар V легких = 5л, D глубина =40м На сколько времени хватит баллона на этой глубине? Если человек делает 6 вдохов в минуту? 15х200 = 3000л воздуха в баллоне, 5х6=30л/мин – расход воздуха в минуту на поверхности. На глубине 40м, P абс =5 бар, 30х5=150 л/мин на глубине. 3000/150= 20мин. Ответ: воздуха хватит на 30 мин.

Закон Шарля (Изохорный процесс) и Гей-Люссака (Изобарный процесс)

• Для данной массы газа М при постоянном объеме V давление прямо пропорционально изменению его абсолютной температуры Т: P 1 xT 1 = P 2 xT 2
• Для данной массы газа М при постоянном давлении Р объем газа изменяется прямо пропорционально изменению абсолютной температуры Т: V 1 xT 1 = V 2 xT 2
• Абсолютная температура выражается в градусах по Кельвину. 0°С=273°К, 10°С=283°К, -10°С=263°К
• Пример: Предположим, что баллон был заполнен сжатым воздухом при давлении 200 бар, после чего температура поднялась до 70°С. Чему стало равно давление воздуха внутри баллона? P 1 =200, T 1 =273, P 2 =?, T 2 =273+70=343, P 1 xT 1 = P 2 xT 2 , P 2 =P 2 xT 2 /T 1 =200×343/273= 251 Бар

Закон Дальтона

• Абсолютное давление смеси газов равно сумме парциональных (частичных) давлений отдельных газов, составляющих смесь.
• Парциальное давление газа P г пропорционально процентному содержанию n данного газа и величине абсолютного давления P абс газовой смеси и определяется по формуле: P г = P авс n/100. 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, прямо пропорционально его парциальному давлению. Если парциальное давление газа увеличивается в двое, то и количество растворенного газа увеличивается в двое. Когда пловец погружается, P абс увеличивается, следовательно количество газа вдыхаемого пловцом становится больше и соответственно он в большем количестве растворяется в крови. При всплытии давление уменьшается и растворенный в крови газ выходит в виде пузырей, как при открытии бутылки с газированной водой. Это механизм лежит в основе ДКБ.

Законы гидростатики и гидродинамики

Для воды, как и для газов, вследствие их текучести, выполняется закон Паскаля, определяющий способность этих сред передавать давление. Для тела, погруженного в жидкость, выполняется закон Архимеда, обусловленный действием на поверхность тела давления, создаваемого жидкостью вследствие ее веса (т.е. действием силы тяжести). Для движущихся жидкостей и газов справедлив закон Эйлера-Бернулли.

Закон Паскаля

Давление на поверхность жидкости (или газа), произведенное внешними силами, передается жидкостью (или газом) одинаково во всех направлениях.

Действие этого закона лежит в основе работы всевозможных гидравлических аппаратов и приборов, в том числе и акваланга (баллоны – редуктор – дыхательный автомат)

Закон Архимеда

На всякое тело, погруженное в жидкость (или газ), действует со стороны этой жидкости (или газа) сила, направленная вверх, приложенная к центру тяжести вытесненного объема и равная по величине весу вытесненной телом жидкости (или газа).

Q = yV

у – удельный вес жидкости;

V - объем вытесненной телом воды (погруженный объем).

Закон Архимеда определяет такие качества погруженных в жидкость тел, как плавучесть и остойчивость.

Закон Эйлера-Бернулли

Давление текущей жидкости (или газа) больше в тех сечениях потока, в которых скорость движения мень­ше, и наоборот, в тех сечениях, в которых скорость движения боль­ше, давление меньше.

Страх погружения – один из самых больших страхов человека. Он присущ даже дайверам с хорошим опытом. В чем суть этого страха? Чаще всего это не страх перед фауной глубин, и не боязнь декомпрессионной болезни. И даже высокое глубинное давление, как и потеря сознания в результате гипервентиляции легких, не пугают нас так, как пугает возможность попасть в глупую ситуацию.

Дайвинг требует от нас много специфических навыков. И занимаясь этим видом спорта, мы больше боимся показаться ущербными в глазах окружающих. Боимся оказаться под их пристальными взглядами, боимся их оценок.

Конечно, подводные погружения - это не соревнования, но зачастую мы сами задаем им такой тон, особенно если дело касается личного опыта и умений.

Умение правильно расходовать воздух под водой - один из признаков опытности. Именно по нему, как и по умению расслабляться и контролировать плавучесть ласт, чаще всего оценивается подводное мастерство. От напарников не скроешь нехватку воздуха и потребность всплыть наверх, особенно тогда, когда из-за вас вынуждена прервать погружение вся группа. Никому не хочется первым поднимать вверх большой палец.

А еще угнетают эти постоянные хвастовские сравнения, у кого больше воздуха осталось...

А ваш манометр показывал 15 бар. Но вы, конечно же, вопреки всему надеялись, что это ускользнет из внимания вашего подводного гида. А у вашей напарницы и жены в одном лице, был запас 90. И, если быть уж откровенным до конца, то вы уже устали от мысли при каждом погружении, что, скорее всего, в конце вам придется одолжить ее октопус.

Но не стоит в отчаянии вешать ласты на стену или спешить с приобретением спарки, ведь расход воздуха вашими легкими не предрасположен генами. Эффективное дыхание - это навык. Мало того, это самый важный адаптационный навык, приобретаемый нами во время погружений с аквалангом. Но над любым навыком можно работать, и дыхание не исключение.

Уже при следующем погружении у вас есть возможность сэкономить воздух.

Итак, если наш дайвер, мужчина от 30 до 45, средне подготовленный физически, который, ныряя в теплой воде со стандартным алюминиевым баллоном на 10 л., может нормально дышать на 22-метровой глубине.

При таких условиях баллона хватает в среднем на 20 минут.

Наши советы позволять увеличить это время еще на 5-17 минут.

Конечно же, если вы уже используете какие-то из этих рекомендаций, то времени добавится чуть меньше.

1. Нужно изменить дыхательный цикл.

Нужно поменять порядок задержки дыхания. Если на земле мы делаем паузу на выдохе (вдох, потом выдох и после этого пауза), то под водой, у расслабленного аквалангиста дыхание само меняется таким образом, что пауза делается сразу после вдоха: вдох, потом пауза, потом выдох, снова вдох и только потом - пауза. Длительность паузы при вдохе, а также степень расслабленности, отличает новичка от опытного дайвера.

Длительная пауза при расслабленном дыхании – уменьшает расход воздуха. Расслабление же помогает избежать баротравмы при паузе даже при подъеме на меньшую глубину.

2. Старайтесь дышать глубоко.

Делайте медленные, глубокие и расслабленные вдохи. Эта аксиома вам известна с первого занятия, но в чем необходимость такого дыхания?

Под давлением воздух в нашей системе дыхания продвигается несколько иначе. А в самом воздухе помимо кислорода есть плотные газы. Частое дыхание в такой ситуации не позволяет кислороду усвоиться. Вы должны замедлять темп дыхания, чтобы не просто прогонять воздух через органы дыхания, а давать возможность кислороду хорошо проникнуть в легкие. И чем глубже вы погружаетесь, тем глубже и медленнее должно становиться ваше дыхание, это обеспечит нормальный кислородный обмен.

3. Добейтесь медленности и расслабленности в движениях.

Из-за того, что плотность воды превышает плотность воздуха в 800 раз, вы не сможете двигаться под водой с привычной для вас скоростью, не приложив больших усилий. А это значит - вы будете расходовать больше воздуха. Двигайтесь очень медленно, становясь расслабленным и невесомым, подобно миму, изображающему замедленную съемку. Пусть ваши движения будут плавными легкими, без малейших усилий.

Многим дайверам помогает практика йоги и различных релаксационных методов – такие практики позволяют еще больше замедлить темп дыхания.

4. Очень важно не делать лишних движений руками.

Не задействуйте руки при плавании, а ластами гребите медленно и целенаправленно. Не уподобляйтесь велосипедисту, который все быстрее и сильнее жмет на педали при подъеме на крутую горку. Сложите руки на груди или опустите вдоль тела, или засуньте за спину под баллон, или под грузовой ремень спереди. Чтобы получить требуемое в нашем случае состояние невесомой расслабленности вам нужно достигнуть нейтральной плавучести – важного навыка для экономии воздуха.

5. Научитесь нейтральной плавучести.

Когда вам это удалось, вы абсолютно неподвижны и чувствуете, что вы словно полностью взвешены в воде. И эта вода вокруг вашего тела держит вас сама. Это одно из самых прекрасных ощущений, и именно это делает наши движения под водой эффективными.

Стандарт проверки на идеальную плавучесть таков: вы берете с собой минимальный вес, с которым возможна страховочная остановка на глубине с отметкой 3-5 метров с остатком 30 бар в баллоне, без воздуха или с его минимумом в компенсаторе. Цель – удерживать нейтральную плавучесть, не зависимо от глубины, корректируя ее лишь дыханием.

6. Старайтесь сохранять тело в горизонтальном положении.

Теперь, когда вы умеете отвешиваться правильно, используя компенсатор плавучести, будучи нейтрально невесомы, вы сможете передвигаться в воде горизонтально. Это самый эффективный способ. Если тело буде максимально параллельно по отношению к направлению движения – это сэкономит вам воздух. Чаще всего новички, передвигаясь под углом к вектору движения и, вдобавок, делая много лишних движений, расходуют воздух и энергию непродуктивно.

7. Необходимо привести в порядок снаряжение и попытаться сделать его более обтекаемым.

Для того чтобы снизить уровень сопротивления водной стихии, нужно все шланги держать, как можно ближе к себе. Используйте баллон небольших размеров, с объемом дыхательной смеси необходимой вам для данного погружения. Имеет большое значение обтекаемость компенсатора, его подъемная сила должна соответствовать тем условиям, в которых вы проводите погружение.
Разные предметы необходимые вам в процессе погружения лучше размещать в карманах компенсатора.
Не нужно брать балластный груз, исключение составит тот груз, который понадобится вам во время страховочной остановки, на 3-5 метровой глубине. Существует так же возможность сокращения количества шлангов посредством применения источника воздуха альтернативного типа или инфлятора, а так же компьютера с возможностью соединения без использования шлангов. Берите с собой только оборудование необходимое вам при погружении.

8. Важность регулятора дыхания.

Несмотря на видимую легкость дышать под водой – довольно сложное и трудоемкое занятие.
Оно требует определенных физических затрат и навыков. Дабы снизить нагрузку необходимо использовать высокомощный регулятор highest performance.
Обязательно нужно качественно промыть регулятор перед погружением. Важно один раз в двенадцать месяцев сдавать его на тех. осмотр, а так же каждый раз перед использованием регулятора, если перед этим вы не пользовались им долгое время. Попробуйте установить регуляторы легкости дыхания положение максимум, но следите за тем, чтобы воздух не выходил из баллона произвольным образом.

9. Приемы экономии воздуха при помощи нахождения на поверхности воды.

По возможности больше находитесь, на поверхности осуществляя, дыхание либо в трубку, либо немного надув компенсатор плавайте на спине. Эффективность движений на поверхности воды снижается, но воздуха для дыхания вам будет достаточно. Погружение на небольшую глубину требует меньшее количество воздуха. Вам не потребуются частые всплытия для определения места, где вы находитесь, что даст вам возможность дольше находиться под водой.

10. Пресечение произвольной потери воздуха.

Существуют случаи неизбежного расходования воздуха, например, для уравнивания давления, продувка маски, корректирование плавучести, создание прослойки воздуха в гидрокостюмах сухого типа. Вынимая регулятор, включите функцию, при наличии таковой, подавления расхода воздуха. Контролируйте положение загубника, его нужно повернуть вниз. Кольцевые уплотнения на акваланге, так же могут иногда давать течь но, как правило, через них выходит минимальное количество воздуха. Иллюзия того, что можно экономнее расходовать воздух, поддувая компенсатор под водой при помощи рта, только иллюзия. Силовой инфлятор, в данном случае более предпочтителен и эффективен. В то время как на поверхности это вполне имеет смысл делать, соблюдая при этом необходимые меры безопасности.

11. Меньше нагрузки, больше экономии.

Чем меньше вы работаете ластами под водой, тем меньше воздуха вы будете тратить. Используйте силу течения, при погружении и всплытии, пользуйтесь контролем плавучести, при движении по дну используйте кончики пальцев при условии, если это не повредит окружающему миру.

12. Сохраняйте тепло.

Чем вам теплее под водой, тем меньшее количество воздуха вы потратите. Даже в тропиках, где температура воды достигает тридцати градусных значений, во время погружения без гидрокостюма, вы теряете очень много тепла. Следовательно, вы быстрее устаете, начинаете чаще дышать и тем самым увеличиваете расход воздуха. Исходя, из этого подберите, гидрокостюм, обеспечивающий вам наилучшую защиту от холода. Лучший вариант гидрокостюм сухого типа в комплекте с термобельем.

13. Важность физической подготовки.

Хорошая физическая форма позволяет вам более полно использовать кислород, содержащийся в воздухе. Правильное питание, отдых без различных стрессов, регулярные спортивные занятия, отказ от курения и алкоголя, все это даст вам возможность легче переносить погружения и экономить воздух.

14. Опыт и уровень подготовки.

Чем чаще вы погружаетесь под воду, тем больше вы совершенствуете свои навыки нахождения на глубине. Различные курсы дайвинга под контролем опытных инструкторов повысят ваш уровень и понимание тактики погружения. Обучение спасательным операциям на воде и под водой, обеспечат вам хорошую физическую подготовку. Все - это, несомненно, поможет вам в понимании подводного мира, а так же научиться спокойно и свободно чувствовать себя под водой.

15. Выбор и работа ластами.

Согласно различным испытаниям, универсальных ласт, подходящих для всех любителей подводного мира, не существует. При выборе необходимо опираться на свой опыт, физическую подготовку, а так же навыки работы ластами.
Принципы работы ластами следующие: в воде нужно двигаться в горизонтальном положении, гребки осуществляются прямой ногой от бедра, не стоит особо сильно напрягаться, нервничать и делать различные рывки и так далее.
Ласты, обладающие большими размерами и высокой жесткостью, не самые эффективные, так как создают лишнюю нагрузку в области ног. При выборе, основное значение и внимание уделите удобству ласт.

16. Расслабьтесь.

Это и есть главный секрет по экономии дыхательных ресурсов. Не пытайтесь за кем-то угнаться.
Люди имеют разные параметры: физические, психологические, обмен веществ и так далее и тому подобное. Крупный, физически крепкий, подготовленный мужчина не сможет тягаться с миниатюрной, хрупкой женщиной в вопросе экономии воздуха. Женщина при дыхании потратит гораздо меньше воздуха, чем мужчина и от этого ни куда не уйти.
Понимание этих простых правил способно намного снизить риск погружений и занятий дайвингом.