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人類生活在覆蓋著大氣層的地球表面,而潛水員則工作于水下高壓環(huán)境。水下環(huán)境對人類來說是陌生 的,充滿危險和挑戰(zhàn)的場所,潛水員要想地工作,就必須了解水下環(huán)境的特點并拳握誠輕環(huán)境影響所 必需的技術, 物質和能量的性質和相互關系,構成了研究潛水物理的基礎。潛水物理主要研究氣體和水的物理性質, 熱、光及聲在水下傳播的性質等。 — 、物質 科學家己發(fā)現了構成物質世界的 112 種單一的物質或元素。元素是表現一定物理和化學特性的物質的 簡單形式,而且用化學方法不能分解成更基本的其它形式。所有的元素都具有與其它任何元索不同的特 性。 元素由原子組成。原子是具有元素特性的物質的小微粒。各種元素的結合形成了人類目前己知的四 百多萬種物質。原子互相結合構成分子,其特性通常不同于組成分子的任何原子。例如:兩個氧原子和- 個碳原子結合形成二氧化碳,而一個氧原子和一個碳原子結合則形成一氧化碳, 二氧化碳和一氧化碳是兩 種具有不同性質的物質。某些原子很活潑,并很容易與接近的幾乎所有物質結合。但是另一些原子則是惰 性的,不能和其它物質自然結合。例如氫氣是一種潛水中常用的情性氣體,其情性使得自己的原子間都不 能結合,故它的分子只有一個敘原子。 通過原子結合而形成的任何元素或物質,都以固體、液體和氣體這三種自然形式(物態(tài))之一存在。 具有一定的形狀、重量和體積的物體叫固體。具有一定的體積和重量,但沒有固定形狀的物體叫液體。具 有一定的重量并占據空間,但沒有固定的體積和形狀的物體叫氣體,氣體和液體同屬于流體。 一種物質呈何種物態(tài),取決于溫度和壓力。物質是由分子組成,而分子是時刻在運動之中的。固態(tài)物 質其分子嚴格按基本的固定形式排列。此時其分子運動是圍繞平衡位置的穩(wěn)恒振動。當溫度升高時,分子 運動加快,分子互相擺脫并做不規(guī)則運動。這樣固體就溶化成液體。當溫度進一步升高,分子運動速度格 更快,這時部分分子自發(fā)地離開液體表面變成氣體,如果溫度到達物質的沸點,液體就很快轉變成氣體。 降低溫度會使上述變化逆轉。當氣體分子冷卻時,其運動速度減慢,動能減小,氣體逐漸凝結成液體。溫 度進一步降低到液體的冰點時,將再次交成固體。 二、能量 功和能的概念是密切相關的。它們構成了物理世界的第二要素。對某物體施加一個力,這個物體在力 的方向上移動了一段距離,我們把力和位移的乘積叫做這個力對物體所做的功。單位時間所做的功則叫功 率。 能量是指做功的能力。能量守恒定律指出:自然界的能量既不能創(chuàng)造,也不能消滅,只能從一種形式 轉換成另一種形式。能量有六種基本形式,即:機械能、熱能、輻射能、化學能、電能和核能。 潛水物理學中,將著重研究光(屬輻射能)、聲 (屬機械能)和熱能在水下的傳播特性。 三、計量單位 物理學在很大程度上依賴于物質或能量的一種狀態(tài)與另一種狀態(tài)的比較標準。在潛水界,以往經常供 用公制單位和英制單位。我國頒布法定計量單位以后,英制單位和公制中的許多單位己被剔除在法定計量 單位以外。我國的法定計量單位是以國際單位為基礎,適當保留個別常用的非國際單位所組成的計量單位 體系。 今后,凡是遇到計量單位的問題時,我們都應使用 法定計量單位。 為了便于學習,我們需要了解潛水中常用到的一些法定和非法定計量單位的換算關系
氣體的柢念 我不不運動論的觀點,物體分于間存在者吸引1力,這將似物體分天不的 灣想對,公子網又公產生推后力,,他分子他迎為拉開。一般糧的吃你分子阿的旺路故大,且分不的m看 很小,按服萬有 1力定你可知,一體分子問的作用力是很小的。 為了研究方他,我們證塔您略氣你分手的的作用方。所開理想公體,就是分子向設有相互作用力的氣 體。 由于理想氣體分于問沒有作用力,二T體分子可以自曲運動,遊成氣體沒有一定的,狀,體積在沒有州 力的情況下,具有無限擴妝的性質。 因為氣休分子同的距高很大,一氣體在外力作用下具有易東縮性的特點。自然界的氣休業(yè)然非究全應義 上理想氣休,但我們把亡看作理想氣體來研究,按理想一休理論推號出的有關二體定徘進行計鮮,所科的 結論誤鑒很小。故我們在有興氣體定徘的計領中,都把文際的氣體不做足理想“體。這樣處理可大大簡化 研究過程。 二、 氣體的狀態(tài)參量 對于一定質的一休,我們常用氣體的體積(w、樂強(D)和溫度(T)米描述其狀態(tài),這三個量稱為氣質 的狀態(tài)參量。 由于氣體可以自由移動,所以具有充滿整個容器的性質。因此氣體的體積由容器的容積來決定。氣佛 體積的法定單位為立方米(m、立方厘米(cm?)和升(心)等。 溫度是用來表示物體冷熱程度的物理量。我們常用的溫度是投氏溫度。在氣體定律的計算時不能尋後 用攝氏溫度,而應使用熱力學溫度《或叫 溫度)。其單位是開爾文,簡稱開(K)。 溫度(T)和攝氏溫度()之間的關系為 T= t+273 從上式可看出,t--273°C時, 溫度T=OK。我們把這時的溫度叫 零度。 壓強在氣體定律的計算中用的是 壓強。相對壓強不能直接代入氣體定律公式中計算。三、理想氣體的氣態(tài)方程 對于一定質量的氣體,如果三個狀態(tài)參量P、V和工都不改變,我們說氣體處于某一狀態(tài)。如果這三 個量或任意二個量同時變化,我們說氣體的狀態(tài)改變了。 實驗證明:一定質量的理想氣體,它的壓強和體積的乘積與 溫度的比,在狀態(tài)變化時始終保持不 變,即:-征量 政一“-號興 (2-6) 我們把 2-6 式稱為理想氣體的氣態(tài)方程。 式中P、V、工分別為 種狀態(tài)的壓強、體積和 溫度;P2、V.工,分別為第二種狀態(tài)的壓強, 體積和 溫度。 氣態(tài)方程描述了氣體壓強、體積和 遏度之間的變化規(guī)律 對于一定質量的氣體,如果壓強、體積和 溫度三個量中一個量保持不變,那么根據2-6 式可以分 別得出,其余兩個量之間的關系。 (一)波義耳一馬咯特定律 氣體狀態(tài)交化時,溫度保特不變的過程叫做等溫過程。根據 2-6 式,當工=巧,時 P V=P,V,=恒量 (2-7) 即: 一定質量的氣體,在溫度保持不變時,氣體的壓強與體積成反比 這個規(guī)律是 17 世紀,由英國科學家波義耳和法國科學家馬路特分別發(fā)現的。我們把2-8 式稱為波義耳 -馬略特定律, (二)萱?呂薩克定律 氣體狀態(tài)變化時,壓強保持不交的過程叫做等壓過程。根據 2-6式,當P=P2時, -常 2=恒 (2-8) 即: 一定質量的氣體,在壓強保持不變時,氣體的體積與 溫度成正比。 這個規(guī)律由法國科學家蓋 ?呂薩克早發(fā)現。我們把2-8式稱為蓋 ?呂薩克定律。 (三)查理定律 氣體狀態(tài)變化時,體積保持不變的過程叫等壓過程。 根據2-6式,當 V-V時, 號-證址 (2-9) 即: 一定質量的氣體,在體積保持不變時,氣體的壓強和 溫度成正比。 這個規(guī)律由法國科學家查理首次發(fā)現。我們把2-9式稱為查理定律。 例2.3 將常壓下 31m°的空氣(溫度23C),壓入容積為 8m° 真空的加壓艙內,這時艙上壓力表指到 0.3MPa。 問艙內空氣的溫度為多少? 解:常壓空氣的 壓強為 0.1MPa,艙內空氣的壓強 0.3MPa 是相對壓強。在空氣的壓縮過程中,質 量保持不變,可運用2-6式。 己知:PI=0.1MPa VI= 31m" TI=23+273=296K P,=0.3+0.1=0.4MPa V2=8m? 求:T 根據 2-6 式Tz= Pa: V2. T, P?V -2.12號 ×296-=305.5CK) ?2= Ta-273=32.5(C) ?艙內空氣溫度升到 32.5°C。例2.4 自攜式潛水員,下水前用壓力表測得氣瓶壓強為 12MPa,瓶內空氣為 50°C,現潛入 20m 水深 處,水溫為 10°C。問潛水員到達水底時氣瓶內空氣的相對壓強為多少? 解:潛水員從水面到達水底的過程中,需不斷呼吸,消耗瓶內壓縮空氣,也就是說瓶內空氣的質量非 恒定,2-6 式已不適用。但如果潛水員快速到達水底,我們可以忽略瓶內空氣質量的減少,即近似認為值 定,這樣2-6式仍可近似使用。同時,因潛水員快速到達水底,瓶內空氣的溫度也不可能同步降至水溫, 但為了計算方便,我們近似認為潛水員到達水底,其瓶內氣溫亦降至水溫。 己知:p= 12+0.1=12.IPa T,=50+273=323K 12=10+273=283K VI=V 求:p2 根據29武號一號 可得:Py= 31. T2=12] ×283=10.6(MPa) ??相對壓強=P2-0.1=10.5(MPa) 例2.5 自攜式潛水員,在水下 20m 水深處,深呼吸吸足壓縮空氣,然后取下呼吸器,屏氣上升出水, 問到達水面時,其肺部體積為水下 20m 時的多少倍? 解:潛水員在 20m 水深時,其肺部承受到壓強與靜水壓強及水面大氣壓強之和相等。出水后,與大氣 壓強相等。因是屏氣出水,肺部內空氣的質量保持不變。 如果我們不考慮水溫和氣溫的差異,則可運用2-7 式計算, 己知:P,=P 0+0.1=0.01×20+0.1=0.3MPa P2=0.1MPa TI=T? 得:V PI = 0.3=3 即:V,=3V1 Pa 0.1 ?出水后肺部的體積是水下 20m 時的三倍。 從這個例題可以知道:這種屏氣出水是相當危險的,肺部過度膨賬會引起肺氣壓傷。正確的出水方法 是出水過程不斷呼出肺部氣體,隨深度的減少,肺部內存量氣體的質量不斷減少,這樣到達水面時,肺高 體積不會出現明顯膨胩。
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