Tauchtheorie Silber/Gold Physik

Bereits bekannt: Druck unter Wasser: (1 + Tiefe/10m) bar Gesetz von Boyle-Mariotte: pV = const bei fester Temperatur und Stoffmenge • Zusammensetzung der Luft: Stickstoff N2 78% Sauerstoff O2 21% Rest Ar, CO2, H2O 1%

Gesetz von Dalton: Der Gesamtdruck eines Gases setzt sich zusammen aus den Teildrücken seiner Bestandteile Teildrücke in verschiedenen Tauchtiefen: Tiefe Druck Sauerstoff Stickstoff 0 m 1bar 0,21bar 0,78bar 10 m 2bar 0,42bar 1,56bar 20 m 3bar 0,63bar 2,34bar 30 m 4bar 0,84bar 3,12bar · Der Teildruck eines Gases ist entscheidend für seine Wirkung Stickstoff: Tiefenrausch, Dekompression Sauerstoff: akute Vergiftungsgefahr ab 1,7 bar

Gesetz von Dalton 2 Rechenbeispiel Wir tauchen mit einem Nitrox-Gemisch aus 32% Sauerstoff und 68% Stickstoff. In welcher Tiefe haben wir einen Sauerstoff-Partialdruck von 1,6bar? 1,6bar / 0,32 = 5 bar  40m Welche Partialdrücke haben wir auf 35m? Sauerstoff: 4,5bar * 0,32 = 1,44bar Stickstoff: 4,5bar * 0,68 = 3,06bar In welchen Tiefe haben wir bei normaler Luft den gleichen Stickstoff-Partialdruck? 3,06bar / 0,78 = 3,92bar  29m

Gesetz von Henry 1 Diffusion: Gasmoleküle wechseln zwischen Gasphase und Flüssigkeit Sättigung: Gleichgewichtszustand für das gelöste Gas zwischen Gasphase und Flüssigkeit Bei konstanter Temperatur steht die Menge des in der Flüssigkeit gelösten Gases im Sättigungszustand in direktem Verhältnis zum Druck des über der Flüssigkeit stehenden Gases

Gesetz von Henry 2

Gesetz von Henry 3 Konsequenzen für Taucher Bei steigendem Druck: mehr Gas löst sich im Körper Bei sinkendem Druck: das Gas muß sich wieder entsättigen Wenn das über die Lunge nicht schnell genug geht: es können sich Gasblasen bilden (kleine Differenzen werden noch toleriert)

Lösung von Gasen in Flüssigkeiten 1 Lösungsgeschwindigkeit hängt ab von: - Unterschied der Teildrücke in Gasphase und Flüssigkeit - Grenzfläche - Löslichkeit des Gases in der Flüssigkeit (temperaturabhängig) Lösungsgeschwindigkeit läßt mit zunehmender Sättigung nach Halbsättigungszeit: Zeit, in der sich der Teildruckunterschied halbiert Sättigung etwa nach 6 Halbsättigungszeiten

Lösung von Gasen in Flüssigkeiten 2

Lösung von Gasen in Flüssigkeiten 3 Entsättigung von Gasen 100% 90% 80% 70% 60% 10 Sättigung 50% 20 40% 30 30% 20% 10% 0% 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Zeit [min]

Lösung von Gasen in Flüssigkeiten 4 Gelöste Gasmenge (beim Tauchen) hängt ab von: - Teildruck des Gases (Tauchtiefe) - Zeit (Tauchzeit) - Temperatur (Körpertemperatur) - Grenzfläche (Durchblutung) - Löslichkeit (Gewebeart) - Flüssigkeitsmenge

Gesetz von Gay-Lussac 1 Verhalten von Gasen bei Temperaturänderung: Druckanstieg beim Erwärmen Druckabfall beim Abkühlen Absolute Temperatur T in K (Kelvin): Nullpunkt der Celsius-Skala am Gefrierpunkt des Wassers absoluter Nullpunkt bei –273°C = 0 K (Kelvin) Temperaturunterschiede in K und °C sind zahlenmäßig gleich absolute Temperatur T = Celsius-Temperatur K/°C + 273 K Bei konstantem Volumen wächst der Druck einer gegebenen Gasmenge im gleichen Verhältnis wie die absolute Temperatur p / T = const

Gesetz von Gay-Lussac 2 p1 / T1 = p2 / T2 p2 = p1T2 / T1 DTG, 200 bar bei 20°C, erwärmt auf 60°C: T1 = 293 K T2 = 333 K p2 = 200 bar * 333 K / 293 K = 227 bar abgekühlt auf 8°C: T1 = 333 K T2 = 281 K p2 = 227 bar * 281 K / 333 K = 192 bar

Gesetz von Gay-Lussac 3 Auswirkung auf den Luftverbrauch: Luft wird bei Körpertemperatur (37°C) eingeatmet Druckänderungen bei gleicher Luftmenge spielen keine Rolle 10 l-DTG, 190 bar bei 14°C Welche Luftmenge atmen wir bei 37°C ein? T1 = 287 K T2 = 310 K p2 = 190 bar * 310 K / 287 K = 205,2 bar 205,2 bar * 10 l = 2052 bar l

Grenzen der Gasgesetze 1 Die Gesetze von Boyle-Mariotte und Gay-Lussac lassen sich zusammenfassen: p V / T = const bei konstanter Stoffmenge Ideales Gasgesetz: p V = n R T n = Stoffmenge (in mol) 1 mol Gas bei 1,013 bar und 273 K  22,4 l R = Gaskonstante = 8,314 J / K mol (1 J = 0,01 bar l)

Grenzen der Gasgesetze 2 Abweichungen realer Gase vom idealen Verhalten : Anziehungskräfte bei niedrigeren Temperaturen Eigenvolumen der Moleküle bei hohen Drücken Auswirkungen für Taucher: 200 bar: annähernd ideales Verhalten 300 bar: ~10% Abweichung z.B. 2.700 bar l statt der berechneten 3.000 bar l Joule-Thomson Effekt s.u.

Joule-Thomson Effekt 1 Gefahr des Vereisens von Automaten! Abkühlung beim raschen Entspannen von Gasen: Ursache: Anziehungskräfte zwischen Molekülen Komprimieren  Energie wird frei (Erwärmung) Ausdehnen  Energie wird verbraucht (Abkühlung) Gefahr des Vereisens von Automaten!

Joule-Thomson Effekt 2 Abkühlung wir begünstigt durch Kalte Gewässer Hohe Luftaufnahme große Tiefen starke Atmung bei Streß oder Anstrengung Inflator, Luftdusche Schutzmaßnahmen unabhängiger zweiter Atemregler separates zweites Gerät

Dichte des Atemgases Gefahr des Esoufflements! Dichte der Atemluft nimmt mit der Tiefe zu 1 l an der Oberfläche (1 bar)  1,3 g 1 l in 40 m Tiefe (5 bar)  6,5 g Luft wird mit zunehmender Tiefe zäher mehr Atemarbeit laminare (glatte) Strömung  turbulente (verwirbelte) Strömung Gefahr des Esoufflements!

Licht 1 Lichtverhältnisse unter Wasser: Intensität des Oberflächenlichts Tauchtiefe Durchsichtigkeit des Wassers Beschaffenheit des Grundes Einflüsse: Brechung Streuung Absorption

Licht 2 Brechung: unscharfes Bild bei Wasser-Augen Kontakt scharfes Bild durch Luftschicht (Tauchermaske) Gegenstände erscheinen verzerrt Scheinbare Größenverhältnisse: 1/3 größer 1/4 näher

Licht 3 Streuung: Lichtstrahlen werden unterschiedlich abgelenkt durch Fremdteilchen im Wasser verstärkt  schlechte Sicht Absorption: Verschlucken von Licht abhängig von Farbe (Wellenlänge) und Tiefe Rot ab 10m Tiefe nicht mehr erkennbar

Schall Höhere Schallgeschwindigkeit im Wasser: Luft: 340 m/s Wasser: 1485 m/s Unterwassergeräusche deutlicher Entfernung schlecht abzuschätzen Überwassergeräusche kaum hörbar (Reflektion) Akustische Signale gut hörbar Richtungshören nicht möglich: zu geringer Signalabstand zwischen Ohren Gefahr durch nicht lokalisierbare Schraubengeräusche

Wärme Wärmeabgabe: Wärmeleitung Wärmeströmung Wärmestrahlung Schutzmaßnahmen: Neoprenanzug Gut anliegender Anzug naß – halbtrocken – trocken Probleme: Wärmestau Kompression des Anzugs mit zunehmender Tiefe Wärmeabgabe durch Atmung