prawa gazowe

gdzie:

pabs - ciśnienie absolutne (całkowite), ATA patm – ciśnienie atmosferyczne

phydr – ciśnienie hydrostatyczne

Ciśnienie hydrostatyczne wzrasta liniowo co 10 m H2O o 1 at (atmosferę techniczną¹).

Rozpatrując liczne aspekty patofizjologii nurkowania (w tym biochemiczne), zawsze należy uwzględniać podstawowe prawa gazowe.

1.2.

Prawa gazowe

1.2.1. Prawo Daltona

Ważnym zagadnieniem jest ciśnienie parcjalne decydujące o wpływie danego gazu na fizjologię organizmu. Zgodnie z prawem Daltona (prawem ciśnień parcjalnych, mającym ogromne znaczenie w patofizjologii nurkowania w związku z toksycznym

1 1 at = 0,9678415 atm (atmosfery fizycznej)

16 oddziaływaniem gazów na organizm nurka) ciśnienie mieszaniny gazów równe jest sumie ciśnień, jakie wywierałyby poszczególne jej składniki, gdyby każdy z nich umieszczony był osobno (w jednakowej temperaturze i pod jednakowym ciśnieniem):

=

gdzie:

p – ciśnienie w mieszaninie k-składnikowej w temperaturze T i objętości V

pi – ciśnienie parcjalne (cząstkowe) składnika i w jednakowej temperaturze i objętości

Ciśnienie parcjalne równe jest iloczynowi ciśnienia całkowitego gazu i procentowej zawartości objętościowej danego składnika. Wyrażane jest w atmosferach technicznych [at]. Prawo Daltona spełnione jest jednak tylko dla gazów doskonałych, w przypadku gazów rzeczywistych dotyczy tylko gazów rozrzedzonych.

1.2.2. Prawo Henry'ego

Istotną kwestią związaną z nurkowaniem jest rozpuszczalność gazów. Zmiany ciśnienia powodują istotne zmiany rozpuszczalności gazów w tkankach i płynach organizmu. Zgodnie z prawem Henry'ego, które stanowi teoretyczną podstawę modeli dekompresji, rozpuszczalność gazów rośnie wraz ze wzrostem ciśnienia, przy czym zależność ta ma charakter liniowy. Wynika to bezpośrednio z równania:

=

gdzie:

pi - ciśnienie cząstkowe par składnika i ni - liczba moli składnika i

K - stała charakterystyczna dla danego składnika i (gazu) w stałej temperaturze.

Nasycanie gazem (np. tkanek) zwiększa się wraz ze wzrostem ciśnienia. Nasycanie nazywane jest saturacją, odsycanie desaturacją. Procesy te są ważne z punktu widzenia teorii dekompresji i leżą u podstaw patogenezy choroby dekomresyjnej.

17 1.2.3. Prawo Boyle’a-Mariotte’a

Przemianę izotermiczną gazu opisuje prawo Boyle’a-Mariotte’a:

= .

( = . )

gdzie:

p - ciśnienie gazu V – objętość gazu

Wynika z niego, że wzrostowi ciśnienia gazu (lub mieszaniny gazów) w stałej temperaturze towarzyszy spadek objętości. Podczas rozprężania gazu rośnie jego objętość. Wynikające z prawa Boyle’a-Mariotte’a zmiany objętości gazu w zamkniętych przestrzeniach organizmu są przyczyną dużej grupy patologii nurkowych; urazów ciśnieniowych. Zależność ta ma także bezpośrednie przełożenie na praktyczne aspekty dekompresji nurków i zużycie mieszanin oddechowych, które rośnie wraz z głębokością.

1.2.4. Prawo Gay-Lussaca (prawo stosunków objętościowych)

Przy stałym ciśnieniu (przemiana izobaryczna) stosunek objętości gazu do jego temperatury jest stały, lub inaczej, objętość gazu jest wprost proporcjonalna do jego temperatury bezwzględnej:

!= . lub = _#$%^"∆!

gdzie:

V – objętość gazu

V0 – objętość gazu przed ogrzaniem Vt – objętość gazu po ogrzaniu T – temperatura gazu

Jest to niezwykle ważna zależność z punktu widzenia zmian temperatury podczas nurkowania, dotycząca zarówno nurków jak i wykorzystywanego sprzętu (np. butli z mieszaninami oddechowymi). Z powyższego równania wynika np., że dwukrotnemu wzrostowi temperatury gazu towarzyszyć będzie dwukrotny wzrost objętości.

18 1.2.5. Prawo Charles’a (prawo objętości)

Prawo Charles’a opisuje przemianę izochoryczną (tj. bez zmiany objętości gazu) i nabiera szczególnego znaczenia praktycznego m.in. w odniesieniu do zmian ciśnienia gazów w butlach nurkowych w różnych temperaturach. Matematycznie może zostać wyrażone następująco:

= .

gdzie:

p – ciśnienie gazu T – temperatura gazu

co oznacza, że w stałej objętości, stosunek ciśnienia gazu do jego temperatury bezwzględnej jest stały. Jeśli temperaturę gazu wzrośnie, to wzrośnie również jego ciśnienie i odwrotnie. Zależność ta ma szczególne znaczenie w nurkowaniu, kiedy ciśnienie gazów zależy np. od temperatury otoczenia lub temperatury ciała.

1.2.6. Prawo podziału Nernsta

Za wymianę gazową w organizmie odpowiada układ krążenia i układ oddechowy.

Z punktu widzenia patofizjologii nurkowania istotne jest, jak szybko zostanie osiągnięty stan równowagi pomiędzy stężeniami określonego gazu we krwi i tkankach. Prawo podziału określa w jaki sposób dowolna substancja chemiczna rozpuszcza się w dwóch sąsiadujących ośrodkach, różniących się od siebie. Matematycznie prawo Nernsta wyrażone jest wzorem:

&

&_# =

gdzie:

C1, C2 – stężenia molowe określonej substancji K – współczynnik podziału

Stosunek stężeń substancji rozpuszczonej w dwóch fazach w danej temperaturze w stanie równowagi jest stały i niezależny od stężenia ogólnego. Wartość współczynnika K charakteryzuje gazy obojętne pod kątem działania narkotycznego.

19 1.2.7. Dyfuzja

Dyfuzja jest jednym z podstawowych zjawisk, jakie zachodzą w środowisku o zwiększonym ciśnieniu i polega na samorzutnym rozprzestrzenianiu się i przenikaniu cząsteczek w ośrodku o temperaturze T>0 K spowodowanym ruchem cieplnym i wynikającym z różnicy stężeń gazów, a prowadzącym do wyrównania stężeń w układzie faz. Dyfuzja opisana jest ogólnie dwoma prawami Ficka. Dyfuzję gazów opisuje prawo Grahama:

'

'_# = ()_# )

gdzie:

μ1, μ2– średnie prędkości cząsteczek składnika m1 i m2

M1, M2 – masy molowe cząsteczek składnika m1 i m2

Zgodnie z prawem Grahama szybkość dyfuzji gazów jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z mas molowych tych gazów.

Oddziałujące na nurka ciśnienie jest istotnym czynnikiem wpływającym na fizjologię organizmu. Środowisko wodne jest dla człowieka skrajnie nieprzyjazne.

Z przebywaniem w warunkach hiperbarycznych wiąże się szereg zagrożeń: toksyczne działanie tlenu i toksyczne (narkotyczne) działanie gazów obojętnych, związane ze zmianą ich ciśnień parcjalnych, zaburzenie funkcji układów sensorycznych, urazy ciśnieniowe (m.in. płuc, ucha) czy choroba dekompresyjna. Urazy ciśnieniowe spowodowane są dużymi zmianami ciśnienia i niemożnością wyrównywania ciśnień w przestrzeniach powietrznych organizmu. Jest to zagadnienie ważne szczególnie przy ekspozycjach na większe głębokości.