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:

• 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 Gesamtdruck eines Gases setzt sich zusammen aus den Teildrücken seiner Bestandteile

· Der Teildruck eines Gases ist entscheidend für seine Wirkung

Stickstoff: Tiefenrausch, DekompressionSauerstoff: akute Vergiftungsgefahr ab 1,7 bar

Gesetz von Dalton 2Rechenbeispiel

• 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 = 1,44barStickstoff: 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

Löslichkeit von Stickstoff in Wasser

00,010,02

0,030,040,050,06

0,070,080,09

0 1 2 3 4 5 6

p (bar)

c [b

ar l

/ l]

Gesetz von Henry 3Konsequenzen 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

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Zeit [min]

Sä

ttig

un

g

10

20

30

Lösung von Gasen in Flüssigkeiten 3

Entsättigung von Gasen

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Zeit [min]

Sät

tig

un

g

10

20

30

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

• 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

• 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