Druk (1 bar = Pascal of kg/cm2) De 3 Aggregatietoestanden. Atmosferische druk. Samenstelling van lucht:

Transcriptie

1 I Druk Druk < > Kracht Wetenschappelijk is DRUK niet hetzelfde als KRACHT. De uitwerking van kracht wordt bepaald door de grootte v/d kracht en de oppervlakte waarop ze werkt. vb: een hamerslag op een scherpe spijker <> een hamerslag op een botte spijker. DRUK is de grootheid die met beide factoren rekening houdt. p = F / A de druk p = de kracht F gedeeld door het oppervlak A waarop ze werkt Info: m = eenheid van massa is kg F = eenheid van kracht is Newton N G= eenheid van gewicht is N p = eenheid van druk is Pascal Pa massa is de hoeveelheid materie dat een lichaam bevat 1Newton is de kracht die aan een massa van 1 kg na 1 sec een snelheid van 1m/sec geeft gewicht van een lichaam is de kracht waarmee de aarde het lichaam aantrekt dus daar gewicht een kracht is wordt ze gemeten in Newton (1kg = 9,8 N) -> in duiken afgerond (1 kg = 10 N) dus daar druk een kracht is die uitgeoefend wordt op een oppervlakte is de eenheid van druk --> p = N / m2 of bar (kg/cm2 of Pascal) Atmosferische druk (Patm) De massa van 1 L lucht bij normale atmosferische druk en bij 0 Celcius is 1,29 g (1,3 gr/dm3 afgerond) Hoe dieper we in een vloeistof dalen hoe meer lagen zich op elkaar stapelen en dus hoe groter het gewicht van de lagen wordt. Deze druk wordt de HYDROSTATISCHE of RELATIEVE druk (Prel) genoemd Info voor zuiver water op 10 m diepte: - massa = 10 m x 1 m2 = kg - gewicht = 10 m N Druk (1 bar = Pascal of kg/cm2) Een duiker moet rekening houden met de druk en de drukschommelingen voor o.a. : oren en bril equilibreren stijgsnelheid eerbiedigen uitademen bij het stijgen nodige decompressietrappen uitvoeren alvorens verder te stijgen duikmateriaal moet drukbestendig zijn (kwaliteit!) De 3 Aggregatietoestanden Vast Vloeibaar Gas niet vervormbaar vervormbaar vervormbaar veel moleculen minder moleculen weinig moleculen niet samendrukbaar niet samendrukbaar samendrukbaar Atmosferische druk info: de luchtlaag rond de aarde is 80 km dik ( de atmosfeer). De atmosfeer zijn eigenlijk opeengestapelde luchtlagen waarvan de aarde het gehele gewicht draagt. De atmosferische druk schommelt naargelang de weersomstandigheden (en hoogte) maar is ongeveer 1,013 bar of 1013 mbar of hpa --> 1 Bar in de praktijk Samenstelling van lucht: zuurstof O2 20,97 21 % stikstof N2 79,00 79 % koolstofdioxyde CO2 0,003 Schematische voorstelling van de druklagen: 4000 m...0,6 bar 3000 m...0,7 bar <--- Atmosferische druk 2000 m...0,8 bar 1000 m...0,9 bar 0 m...1 bar... 0 m of zeeniveau... 0 bar Hydrostatische of relatieve druk ---> - 10 m... 1 bar - 20 m... 2 bar - 30 m... 3 bar - 40 m... 4 bar

2 Druk in vloeistoffen Wet van Pascal: Een druk uitgeoefend op een deel van een vloeistof plant zich in alle richtingen met dezelfde grootte voort ( de druk is dus overal gelijk) Info: Het lichaamsoppervlak van een persoon is 1,5 m2 --> bij een duik op 60 meter diepte is de absolute druk 7 bar (6 + 1); dus 7 bar x 1,5 m2 = N (kg/cm2) x 1,5 m2 = kg of 105 ton waarom worden we dan niet platgedrukt op die diepte? Deze kracht wordt gecompenseerd door een inwendige kracht, geleverd door de luchtdruk uit de fles, althans wat de luchtholten betreft. Daarbij bestaat ons lichaam voor een groot percentage uit vloeistof en vloeistoffen zijn niet samendrukbaar. De ontspanner regelt het zo dat de lucht die we inademen in druk gelijk is aan de druk van het omgevende water NB: van - 10 meter naar de oppervlakte krijgt men een verdubbeling van het longvolume. Dit is dus de grootste gevarenzone --> UITADE- MEN bij het stijgen is hier zeer belangrijk! Gassen bij elkaar voegen : de druk van het mengsel = de som van de partiele drukken ( dus alle gasdrukken optellen) De druk die één gas zou hebben als het de ruimte alleen zou innemen, noemen we PARTIELE DRUK (pp) samenstelling van lucht: 1 bar lucht = 0,2 bar O2 + 0,8 bar N2 100 % = 20 % + 80 % totale druk = partiele druk + partiele druk (partiele druk = totale druk x % gas) Absolute druk = atmosferische druk + Hydrostatische druk formule => Pabs = Patm of (Prel) + Phyd absolute = atmosferische + hydrostatische dus op 1 = meter 2 = m 3 = m... = = m Absolute druk voorbeeld van drukverschillen: van 0 naar - 10 m van 1 bar naar 2 bar 2 bar / 1 bar = 2,000 van - 30 naar - 40 m van 4 bar naar 5 bar 5 bar / 4 bar = 1,125 van - 80 naar - 90 m van 9 bar naar 10 bar 9 bar / 10 bar = 1,111 Druk in gassen Wet van Dalton: Als twee of meer gassen, die met elkaar geen scheikundige reactie aangaan, zich in éénzelfde ruimte bevinden, dan is bij constante temperatuur de druk van het mengsel gelijk aan de som van de drukken die elk gas afzonderlijk zou hebben als het alleen in die ruimte was. 0,3 bar O2 + O,6 bar N2 + 0,1 bar CO2 = 0,3 bar O2 0,6 bar N2 0,1 bar CO2 10 liter 10 liter 10 liter 10 liter (Samenstelling van uitgeademde lucht: 78%N2 + 17%O2 + 5% CO2)

3 Oefening: Wat is de partiele druk van O2 en N2 op 30 meter diepte? opl. 30 m diep => 3 bar hydrostatische + 1 bar atmosferische druk = 4 bar absolute druk dus: 4 x 0,2 % O2 = 0,8 bar en 4 x 0,8 % N2 = 3,2 bar totaal = 4,0 bar Een gas in een vat oefent een druk uit op de wanden ( de botsingen van de moleculen tegen de wand). Het vat verkleinen = druk vergroten en dus meer botsingen Het vat vergroten = druk verkleinen en dus minder botsingen p x V = Cst Oefening: (bar x liter = barl) Bereken de hoeveelheid lucht in een duikfles? a) inhoud is 15 L en druk is 200 bar b) inhoud is 10 L en druk is 220 bar opl.a) 15 x 200 = 3000 barl b) 10 x 220 = 2200 barl info: drukverhoudingen zijn groter dichter bij de oppervlakte dan op grotere diepten => gevolg hoe dichter bij de oppervlakte hoe meer gevaar voor het optreden van mechanische ongevallen en longoverdruk ( verdubbeling van de longinhoud van -10 naar 0 meter!) luchtverbruik op t land = 20L / min luchtverbruik op diepte = 20L x druk oefening: hoelang kunnen we met een fles van 3000 barl ademen op 0, -10 & - 20 m opl. 0 = 3000 barl : 20L : 1 atm = 150 min -10 = 3000 barl : 20L : 2 atm = 75 min (of 3000 barl : 40 L (2 x 20) = 75 min) -20 = 3000 barl : 20L : 3 atm = 50 min Toepassingen ervan zijn: uitwerking van duiktabellen en duikcomputers vergiftigingsongevallen (stikstof) duiken met andere mengsels zuurstof, koolmonoxyde en koolstofdioxyde vergiftigingen hyperbare zuurstoftherapie Verband tussen Volume en Druk Wet van Boyle - Mariotte ( p x V = costante) Bij constante temperatuur is het volume van een bepaalde hoeveelheid gas omgekeerd evenredig met de druk. Dus bij constante temperatuur is het produkt van de druk en het volume van een bepaalde hoeveelheid gas constant. Voorbeeld diepte volume druk p x V 0 m 10 L 1 = m 5 L 2 = m 3,3 L 3 = m 2,5 L 4 = 10 Toepassingen ervan zijn: een compressor om de flessen te vullen capillaire dieptemeters luchtverbruik reddingsvest decompressieongeval Temperatuur symbool: T eenheid: Kelvin (K) Het beginpunt v/d Kelvinschaal is het absolute nulpunt: -273 C dus: 0 K = -273 C 0 C = 273 K 303 K = 30 C - 10 C = 263 K 100 C = 373 K (273 K = smeltpunt van ijs en 373 K = kookpunt van water)

4 Een gas in een vat oefent een druk uit op de wanden ( de botsingen van de moleculen tegen de wand). Als de gastemperatuur stijgt => druk stijgt evenredig of het volume vergroot Als de gastemperatuur daalt => druk daalt evenredig of het volume verkleint p / T = constante V / T = constante p= druk van het gas V = volume van het gas T = temperatuur van het gas oefeningen: Een fles van 20L gevuld onder 200 bar; duikdiepte 45 m; tijd 20 min; reserve 50 bar opl. de fles bevat 4000 barl (200 bar x 20L) - de reserve van 1000 barl (50 bar x 20L), dus 3000 barl om te verbruiken => info: - de stijgsnelheid = 10 m/min het verbruik op trapdieptes: -op 9 m (1,9 bar x 20L) = 38 barl/min -op 6 m (1,6 bar x 20L) = 32 barl/min -op 3 m (1,3 bar x 20L) = 26 barl/min berekening het verbruik op 45 m: 20 min x 5,5 bar x 20L = 2200 barl verbruik bij het stijgen: 4,5 min x 20L x (5,5 / 2) = 248 barl (5,5 / 2 is de gemiddelde druk) verbruik op 6 m trap: 2 min x 20L x 1,6 bar = 64 barl verbruik op 3 m trap: 7 min x 20L x 1,3 bar = 182 barl dus een totaal verbruik van: = 2694 barl Er rest ons dus => = 1306 : 20L = 63,3 barl Invloed van temperatuur op druk en gasvolume Wet van Gay - Lussac Bij constant volume is de druk van een hoeveelheid gas recht evenredig met zijn temperatuur in Kelvin. (p / T = Cst) Bij constante druk is het volume van een hoeveelheid gas recht evenredig met zijn temperatuur in Kelvin. (V / T = Cst) Samenvattende gaswet p x V = constante Berekenen van het luchtverbruik: rekening houden met: 1. de beschikbare luchthoeveelheid in de fles 2. het luchtverbruik op verschillende duikdieptes 3. de veiligheidsmarges 1. de beschikbare luchthoeveelheid in de fles hiervoor moeten we gegevens hebben over: de inhoud van de fles de vuldruk de temperatuur (Gay-Lussac) - met behulp van de gaswetten (Boyle-Mariotte en Gay-Lussac) berekenen we de luchthoeveelheid in de fles: inhoud (liter) x vuldruk (bar) = barliters p x V = bar x liter = barl 2. het luchtverbruik op verschillende duikdieptes - volwassen persoon in rust verbruikt 10 liter per min. - bij het zwemmen (duiken) 20 liter lucht per min. - bij inspanningen loopt dit snel op -verbruik hangt af van de diepte (Boyle-Mariotte) 3. de veiligheidsmarges - de reserve is 50 bar tot dieptes van 30 meter - stijgen doen we aan 10 m / min - luchtverbruik op trappen info: gewicht van lucht = 1,3 gr/liter (78%N2 + 21%O2 + 1%CO2 & Ar) T

5 Toepassing: Een 12 l. fles is gevuld met lucht onder een druk van 200 bar. De temperatuur bij het vullen was 70 C. We duiken in water van 15 C. Over hoeveel barl lucht beschikken we aan het begin van de duik? oplossing: De a(oeling zal een drukverlaging ten gevolge hebben. We berekenen de druk in de fles bij 15 C. omzetten van C naar K 70 C = 273K + 70K = 343K 15 C = 273K + 15K + 288K p1 x V1 = p2 x V2 T1 T2 of 200 bar x 12 l = p2 x 12 l 343K dus p2 = 167,93 bar 288K We beschikken dus over: 167,93 bar x 12 l = barl lucht. We hebben dus ongeveer 400 barl lucht verloren. Uitloden van zoet <=> zout: dichtheid zoet water = 1000 kg/ m3 of 1 kg/dm3 dichtheid zout water = 1025 kg/ m3 of 1,025 kg/dm3 dus van zout naar zoet ==> massa van de duiker : 1,025 dus van zoet naar zout ==> massa van de duiker x 1,025 ongecontroleerd stijgen! als de duiker op zekere diepte uitgetrimd is en nadien gaat stijgen gaat de lucht in de trimvest uitzetten, waardoor de opwaartse stuwkracht gaat toenemen en de snelheid vergroten ( lucht aflaten!) Algemene gaswet p1 x V1 = p2 x V2 =... T1 T2 Praktisch: Als de temperatuur van de fles vermindert, neemt de druk af. ( V1 x T2 = V2 x T1 en p1 x T2 = p2 x T1 ) Wet van Archimedes Een lichaam, ondergedompeld in een vloeistof, ondergaat een opwaartse stuwkracht gelijk aan het gewicht van de verplaatste vloeistof. (geldt ook voor een lichaam ondergedompeld in een gas) - de opwaartse stuwkracht hangt niet af van de grootte van de druk op de vlakken maar wel van het drukverschil op de vlakken. Het drukverschil is op elke diepte dezelfde en dus is de opwaartse stuwkracht op elke diepte dezelfde (dit voor onvervormbare lichamen, duikers nemen op elke diepte een ender volume in met hun trimvest en duikpak; nml op grotere dieptes een kleiner volume en dus een kleinere opwaartse stuwkracht) Drijfvermogen is a)ankelijk van het gewicht en ook van het volume. Toestanden: zinken = opwaartse stuwkracht is kleiner dan het gewicht zweven = opwaartse stuwkracht is gelijk aan het gewicht stijgen = opwaartse stuwkracht is groter dan het gewicht drijven = einde van het stijgen (wateroppervlak is bereikt) - we kunnen het zinken, zweven of stijgen beinvloeden door het gewicht en/of de opwaartse stuwkracht te wijzigen. - toepassingen: het gebruik van de loodgordel, uittrimmen met trimvest, noodstijging met trimvest 2 ton waterverplaatsing Op 70 meter ligt een lood van 2 kg en op 50 m een lood van 4 kg. Hoeveel hebben we nodig om dit op te halen? opl. 70 m = 8 bar x 2 kg = 16 barl of (kg/dm3) 50 m = 6 bar x 4 kg = 24 barl

6 II Gassen & vloeistoffen Temperatuur Aard van het gas Aard van de vloeistof Raakoppervlak Tijd P gas toepassingen: vloeistof - decompressietabellen - stijgsnelheid (teveel aan opgeloste stikstof elimineren want bij het stijgen zullen veel van onze weefsels in oververzadiging verkeren) Spanning: Pog Een gas oefent een druk uit op een vloeistof, maar opgelost gas in de vloeistof ook. Om dit verschil te maken tussen de twee duiden we met spanning (p) de druk aan van het opgeloste gas (og). - ons lichaam = 70% vloeistof waarin stikstof kan oplossen - dit gebeurt via de stiksof uit de ademlucht via de longen - bij atmosferische druk zijn we verzadigd met stikstof ( de spanning v/d opgeloste stikstof in onze weefsels = de partiele druk v/d stikstof in onze alveolen, dus 0,8 bar) - bij het duiken vermeerdert de druk en gaan we meer stikstof oplossen => oververzadiging - bij het opstijgen zijn sommige weefsels oververzadigd, dus een teveel aan opgelost stikstof elimineren onder bepaalde voorwaarden - er moet een gelijkheid komen tussen de druk van het gas en zijn spanning in de vloeistof (oplossen van de gasmoleculen door diffusie in de vloeistof) Wet van Henry Bij constante temperatuur en bij verzadiging, is de hoeveelheid opgelost gas in een vloeistof, evenredig met de druk van dat gas in contact met die vloeistof. Er zijn nog andere factoren die een rol spelen: Temperatuur: hoe hoger de tempetatuur, hoe minder gas er oplost Aard v/h gas: andere oplosbaarheidscoefficient Aard v/d vloeistof: meer stikstof in vetten dan in waterige oplossing Raakoppervlak: hoe groter het raakoppervlak, hoe sneller gas oplost Tijd: hoe meer tijd, hoe meer gas dat oplost 3 toestanden Verzadiging (saturatie) P = Pog - de druk in ons lichaam is gelijk aan de omgevingsdruk Onderverzadiging P > Pog - de druk in ons lichaam is groter dan de omgevingsdruk Oververzadiging P < Pog - de druk in ons lichaam is kleiner dan de omgevingsdruk Periode: (T) formule: Pog = Po + (P - Po) (1 - (1/2) t/t ) - wanneer men de spanning van het opgeloste gas in een vloeistof wil kennen, moet men dus rekening houden met de tijd. Omdat een gas door diffusie in een vloeistof oplost, zal het gas eerst snel en later trager oplossen. Naarmate er meer gas oplost in de vloeistof wordt het verschil kleiner en zal het oplossen trager verlopen. Tijdens de gasopname wordt steeds in dezelfde tijd het resterende drukverschil (gradient) tussen de druk van het gas op de vloeistof (p) en de spanning van het reeds opgeloste gas (Pog) gehalveerd. Deze tijd = de periode ( in minuten en max 6 periodes) De PERIODE is de tijd die nodig is om een bepaalde vloeistof voor DE HELFT te verzadigen met een bepaald gas. Voorbeeld: een duik naar 40 meter / 20 minuten weefsel De beginspanning van N2 = 0,8 De eindspanning is 0,8 x 5 bar = 4,0 bar (100% verzadigd) De gradient (verschil) is 4 bar - 0,8 bar = 3,2 bar 4.0-0,8 = 3,2 / 2 = 1,6 dus 0,8 + 1,6 = 2,4 voor 50%; dan 4.0-2,4 = 1,6 / 2 = 0,8 dus 2,4 + 0,8 = 3,2 voor 75%; dan 4.0-3,2 = 0,8 / 2 = 0,4 dus 3,2 + 0,4 = 3,6 voor 87,5%; dan 4.0-3,6 = 0,4 / 2 = 0,2 dus 3,6 + 0,2 = 2,4 voor 50%; enz...

7 III Waarnemingen snelheid bij 0 C = 300 m/sec (ze vergroot met 0,6 m/sec voor elke temperatuurstijging van 1 C) In water van 8 C bedraagt de snelheid 1,435 m/sec. Dus meer dan 4 x sneller dan in lucht, en het wordt minder verzwakt ( vooral lage toonsoorten). De geluidsrichting is moeilijk te bepalen omdat niet enkel onze oren, maar ons volledig lichaam het geluid opvangt. Het geluid bereikt beide oren praktisch gelijktijdig De sinus v/d invalshoek i staat in een constante verhouding tot deze v/d brekingshoek r dus voor de milieus water en lucht: sin i = 1,33 sin r ( = 4 / 3 sin r) ir R O G G B I V uv bloed heeft een paars-groene kleur op diepte / de zeester ziet enkel aan de oppervlate rood Totale duisternis op m Een lamp (kunstlicht) kan het kleurbeeld herstellen. Middellandse zee: arm aan plankton en zweefvuil heeft een blauwe kleur door het Raleigh-effect Atlantische oceaan: hier deeltjes veel talrijker en groter, Tyndall-effect Water heeft het kleinste volume bij 4 C (of grootste dichtheid). Kouder water is lichter en ijs is zelfs lichter dan water van 0 C. De bodemtemperatuur van een meer is 4 C Hoelang kunnen we duiken? fles 15L, druk 200 bar, diepte 50 m Zuurstofgas, het gas dat wij nodig hebben om te kunnen leven, is voor mensen giftig vanaf een partiële druk van 1,7 bar. (1,5?) Dit betekent dat duikers met perslucht niet dieper kunnen gaan dan ± 75 meter. Hier bedraagt de totale druk immers ± 8,5 en de partiële zuurstofdruk 1,7 bar. Geluid onder water over grotere afstand waarneembaar 4 x sneller en sterker niet lokaliseerbaar Licht onder water - weerkaatsing van de lichtstralen (weerkaatsingshoek = invalshoek bij spiegelgad wateroppervlak) - breking van de lichtstraal in het water (omdat de snelheid verandert van naar km/sec). In water zal de hoek met de loodlijn steeds kleiner zijn dan de invalshoek in de lucht. Wet van Snellius: 1/3 groter 1/4 dichterbij 1/4 kleiner gezichtsveld n1 sin i = n2 sin r - absorptie zorgt voor het geleidelijk verdwijnen van de kleuren (water werkt als een optische filter). De absorptie gebeurt niet in functie van de diepte, maar van de afgelegde afstand van de lichtstraal in het water werkt zowel horizontaal al vertikaal per 10 meter valt een kleur weg - diffusie en verstrooiing Valt een lichtbundel op zeer kleine deeltjes (afmetingen evengroot of kleiner dan de golflengte v/h licht) dan krijgen we de RALEIGH verstrooing. Blauw licht wordt 12 x sterker verstrroid dan rood licht => blauwzweem. Bij de aanwezigheid van grotere deeltjes zoals plankton en zweefvuil is de verstrooiing minder en spreken we van de TYNDALL verstrooiing. Hoek van Brewster: Als een duiklamp onder een hoek gehouden wordt, zodat er geen lichtstraal meer uit het water kan treden (48,45 ) Temperatuur - warmtegeleiding water is een goede geleider (25 x beter dan lucht), dus een duikpak is noodzakelijk om warmteverlies tegen te gaan. Bij een nat duikpak neemt de dunne waterlaag tussen pak en lichaam snel de lichaamstemperatuur aan en vormt alzo een goede isolatie. - temperatuur v/h water Bij a(oeling trekt water samen. Bij 4 C stopt dit. Wanneer we nog verder a(oelen zet het water terug uit. Bij 0 C bevriest het tot ijs. 15L x 200 bar = 3000 barl 50 m = 6 bar 20L lucht x 6 bar = 120 L / min dus 3000 : 120 = 25 minuten partieel op 50 meter: N2 = 0,8 x 6 = 4,8 totaal O2 = 0,2 x 6 = 1,2 6 bar