Física del buceo
Ley general de los gases perfectos:
Definiremos como gas perfecto aquel que cumpla la siguiente relación en todas las circunstancias.P.V = n. R. T
Donde:
P es la presión de sistema
V es el volumen
n es el número de moles
R es la constante de los gases perfectos (R = 8,314J/mol.K = 1.986 cal/mol.K)
T es la temperatura en grados Kelvin (K = 273+ °C)
El verdadero gas perfecto no existe, pero resulta un concepto útil y sencillo, conectado por la realidad por el hecho de que si la densidad es suficientemente pequeña (i.e., gases enrarecidos), todos los gases tienen un comportamiento similar al de esta abstracción del gas perfecto.
En el caso de que la cantidad de gas no varíe en el sistema n = cte, de donde
P . V = cte. T, luego P. V/T = cte
A partir de la ley general de los gases se obtienen como casos particulares las diferentes leyes de gases de aplicación común en el buceo, veámoslo:
- Ley de Boyle, se considera un sistema isotérmico, es decir T= cte, por lo que la ley general de los gases queda reducida a:
P.V = cte
Si tenemos un sistema en dos estados diferentes 1 y 2 se cumplirá la siguiente igualdad:
P1.V1 = P2.V2
Por lo que conociendo tres variables cualesquiera de la ecuación obtendremos la cuarta.
Ejemplo: A 30 m de profundidad (4 atm) hinchamos un globo de un litro ¿Qué volumen tendrá en superficie (1atm)?
Solución: 4 atm. 1 l = 1atm . x l, x= 4 lAPLICACIONES
Sirve para calcular la capacidad de una botella de aire comprimido y de esa forma saber que equipo nos hará falta. También sirve para calcular el consumo instantáneo en una determinada profundidad y así saber el tiempo de inmersión que nos proporciona una botella.
C = Pc x V
donde,
C = Capacidad de aire de una botella (litros)
Pc = Presión de carga de la botella ( bar, Kg/cm2, atmósferas)
V = Volumen de la botella (litros)
Ejemplo 1) Calcular la capacidad de una botella de 15 litros cargada a 200 atmósferas.
C= 200 x 15 = 3.000 litros
Ejemplo 2)Calcular la capacidad de una botella de 18 litros cargada a 220 atmósferas.
C = 220 x 18 = 3.960 litros
Ejemplo 3) Calcular que botella/s (cargada/s a 200 bar) nos hará falta en una inmersión que hemos calculado un consumo de 2.400 litros. A) Utilizando la reserva. B) Sin llegar a utilizar la reserva.
V = C/Pc
A) V = 2400 / 200 = 12 litros.
B) V = 2400 / (200-50) = 16 litros.
Ejemplo 4) Calcular el consumo de un buceador a 30 metros de profundidad (4 atmósferas) y que tiene un consumo en superficie (Cs) de 30 litros/minuto.
Cf = Cs x P
donde,
Cf = Consumo en el fondo
Cs = Consumo en superficie
P = Presión absoluta
Cf = 30 x 4 = 120 litros/minuto
REGRESO/BACK
- Ley de Charles, se considera un sistema isobárico, es decir P= cte, por lo que la ley general de los gases queda reducida a:
V/T = cte
Si tenemos un sistema en dos estados diferentes 1 y 2 se cumplirá la siguiente igualdad:
V1 = V2
T1 T2
De nuevo, conociendo tres variables cualesquiera de la ecuación obtendremos la cuarta.
Ejemplo: A 27°C hinchamos un globo hasta alcanzar un volumen de un litro ¿Qué volumen tendrá a -23°C?
Solución: 1l /300 K = x l / 250 K, x= 0,83 l(Nota: hay que trabajar siempre en grados Kelvin, y no en grados centígrados, K=273+°C)
- Ley de Gay-Lussac, se considera un sistema isocórico, es decir V= cte, por lo que la ley general de los gases queda reducida a:P/T = cte
Si tenemos un sistema en dos estados diferentes 1 y 2 se cumplirá la siguiente igualdad:
P1 / T1 = P2/T2
Una vez más, conociendo tres variables de la ecuación obtendremos la cuarta.
Ejemplo: A 27°C una botella de buceo tiene una presión de 200 atm ¿Qué presión tendrá a 57°C en el maletero de un coche al sol?
Solución: 200 atm / 300 K = x atm / 330 K, x= 220 atm(Nota: hat que trabajar siempre en grados Kelvin, y no en grados centigrados, K=273+°C)
- Ley de Dalton: A temperatura cte, la presión de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales que tendría cada uno de esos gases si ocupase el volumen total ocupado por la mezcla.
Pt = Pp1 + Pp2 + Pp3 +…
es decir, de forma más general en una mezcla de un número n indeterminado de gases, la presión total de la mezcla será:
Pt = S Ppi , donde i varía desde 1 hasta n, o bien:Pabs = S Ppi
- donde,
- Ppi = ( %i / 100) x Pabs
- Pabs = Presión absoluta de un gas
- Ppi = Presión parcial de un componente de la mezcla
- S Ppi = Suma de las presiones parciales de los gases que componen la mezcla
- %i = Porcentaje del gas en la mezcla
La importancia de esta ley en la práctica del buceo radica en la toxicidad de los gases respirables a partir de determinadas presiones parciales, por lo que, una vez conocida la presión a la que un gas es tóxico y conociendo los porcentajes de la mezcla de gases a utilizar, podremos conocer fácilmente la profundidad máxima a la que podremos bajar antes de experimentar los efectos tóxicos del gas en cuestión.
Ejemplo: En una mezcla de gases el oxígeno es tóxico a partir de una presión parcial de 2,1 atm ¿A partir de qué profundidad será tóxico el oxigeno del aire atmosférico comprimido?
Solución: Sabemos que el aire atmosférico está compuesto por un 79% de N2, un 20,9% de O2, un 0,03% de C02.
Aplicando una regla de tres, obtenemos:
20,9% de O2 es a 2,1 atm de P parcial
100% de aire es a x atm de P total
de donde x= 10 atm, lo que equivale a 90 m de profundidad, que es la profundidad a partir de la cual el oxígeno del aire atmosférico comprimido es tóxico.APLICACIONES
Ejemplo 1) La presión parcial del oxigeno y del nitrógeno a presión atmosférica (1 ata) será :
PpO2 = 21/100 x 1 = 0.21 atmósferas
PpN2 = 79/100 x 1 = 0.79 atmósferas
La suma de las presiones parciales es igual a la presión absoluta :
0.21 + 0.79 = 1 atmósfera.
Ejemplo 2) A 10 metros de profundidad, donde la presión absoluta es de 2 ATA, la presión parcial de cada componente del aire será:
PpO2 = 21/100 x 2 = 0.42 atmósferas
PpN2 = 79/100 x 2 = 1.58 atmósferas
PpO2 + PpN2 = 2 ATA
Ejemplo 3) La ley nos obliga a que en las mezclas que utilicemos, la presión parcial del oxígeno no puede superar las 1,4 atmósferas. Si utilizamos aire (21% O2) ¿Cuál es la profundidad máxima permitida?
Sabemos : PpO2 = 1,4 ATA. y % O2 = 21
Por tanto, si averiguamos a que presión absoluta (¿Pabs?) del aire , la PpO2 = 1,4 ATA.
Entonces sabremos la profundidad.
Pabs = 1.4 x 100/21 = 6.6 ATA
Profundidad = (Pabs - 1 ) x 10 = 56 metros
La profundidad máx. será 56 metros que es cuando Pabs = 6.6 ATA.
- Ley de Henry: A temperatura cte, la concentración de un gas soluble en un líquido (i.e., el peso o número de moles de un gas disuelto en un volumen dado de un líquido) es directamente proporcional a la presión parcial de dicho gas.
Cuando una mezcla de dos gases está en contacto con un disolvente, la cantidad de cada gas que se disuelve es la misma que si estuviera él solo presente a una presión igual a su propia presión parcial en la mezcla.S1 = S2 . P1/P2
La importancia de esta ley en la práctica del buceo radica en que las variaciones de profundidad durante la inmersión llevan implícitas variaciones de la presión de los gases presentes en las cavidades de nuestro organismo. Ello provoca que la cantidad de gas disuelto en los tejidos y el torrente sanguíneo varíe con la profundidad y en función del tiempo, con lo que nuestro organismo pasa por estados de:
- subsaturación, durante el descenso nuestro organismo absorbe gas al aumentar la presión ambiental,
- saturación, nuestro estado normal en superficie, o al alcanzar el nuevo equilibrio con las condiciones ambientales del fondo marino al cabo de suficiente tiempo de inmersión,
- sobresaturación, durante el ascenso, nuestro organismo libera el exceso de gas disuelto al disminuir la presión ambiental.
Ejemplo: A presión
atmosférica y a 18oC nuestro organismo tiene disueltos 9,8 mg/l
de N2. ¿Cuál será la solubilidad de N2 a una presión
de 2 atm?
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Todo cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba por parte del fluido igual al peso del volumen del fluido que desaloja. Dicho con otras palabras, todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una perdida de peso aparente igual al peso del fluido que desaloja.
Pa = Pr – E
Donde:
Pa es el peso aparente del objeto
Pr es el peso real del objeto
E es el empuje que es el peso del fluido desalojado
La importancia de este principio en la práctica del buceo radica en el concepto de flotabilidad de un cuerpo que de él se deriva. Así, un cuerpo tendrá:
- Flotabilidad negativa cuando Pa > E, con lo que el cuerpo se hundirá en el seno del líquido,
- Flotabilidad neutra cuando Pa = E, y el cuerpo quedará estabilizado a dos aguas en el seno del líquido,
- Flotabilidad positiva cuando Pa < E, por lo que el cuerpo flotará sobre el líquido.
Densidad relativa (d) de una sustancia:
d = peso del cuerpo
peso de igual volumen de agua
por tanto, un cuerpo de densidad d tendrá:
- Flotabilidad negativa cuando d > 1
- Flotabilidad neutra cuando d = 1
- Flotabilidad positiva cuando d < 1.
Al aplicar una presión externa en un punto de un fluido (ya sea líquido o gas) confinado en un cierto recinto, la presión en cada punto del mismo aumenta en una cantidad igual a la citada presión exterior. En otras palabras, la presión ejercida en un punto de un fluido se transmite por igual en todas las direcciones.
La influencia del principio de Pascal en el buceo se manifiesta en la reducción de volumen debido a la presión hidrostática en todo el equipo de buceo y el cuerpo del buceador, de acuerdo a la relación establecida por la ley de Boyle. Esta reducción de volumen incide de manera directa en la flotabilidad del buceador tal y como establece el principio de Arquímedes, por lo que se hace necesario el uso del chaleco hidrostático para estabilizarse (i.e., conseguir flotabilidad neutra) a una profundidad determinada.
Es el concepto fundamental para entender las modificaciones que supone acceder al medio subacuático. La presión afecta el gas contenido en el interior de las cavidades aéreas, por eso la importancia de conocer bien como actúa la presión sobre ellos.Se define como la fuerza que actúa sobre una unidad de superficie y se expresa en diferentes unidades, siendo las más comunes Kg/m2, atmósferas (ATA), bar, mmHg.
En relación al buceo hay que distinguir:
a) Presión atmosférica: es el peso de la atmósfera al gravitar sobre la superficie de la tierra.
Equivale a 1kg/cm2 = 1 ATA = 760 mmHg = 1bar
exactamente : 1 ATA = 1.033 gr/cm2 ;
1 bar = 1,0193 Kg/cm2
1 kg/cm2 = 0,98 bar
Normalmente nos referimos a la presión atmosférica a nivel del mar, pero si vamos ganando altura por encima de este nivel la presión atmosférica disminuye, y así a 5.000 metros de altitud la presión atmosférica es de 0'542 ATA. Esto tiene mucha importancia cuando se bucea en lagos, por encima del nivel del mar.
b) Presión relativa: la producida por un medio diferente al de la atmósfera. En buceo será la producida por la columna de agua que tenemos encima.
También se conoce como Presión ejercida por un fluido
La presión en un punto viene determinada por el producto de la altura de la columna de fluido, que se halla por encima del punto considerado, por el peso de este fluido (Ley de Stevin).
Una columna de agua de 1cm2 de base y 10 m de altura pesa 1 kg, es decir ejerce una presión de 1kg/cm2 = 1 ATA.
Por tanto podemos concluir que por cada 10 m que nos sumerjamos aumenta la presión en 1 ATA. Si decimos que estamos a 15 m y que soportamos una presión de 1,5 ATA, nos estamos refiriendo a la presión relativa.
c) Presión absoluta: es la suma de la relativa + atmosférica.
Es decir es la que realmente se soporta bajo el agua.
Pabs = Pat + Ph
Donde:
Pat es la presión atmosférica (1 atm, 760 mm de Hg o 1012 mbar)
Ph es la presión hidrostática o relativa producida por el peso de la columna de agua
Artículo original en: http://www.mundofree.com/zco/fisica.html
© 2001-2005, FARAS, Actualizado 17/05/2005