Гелий – холодный газ?

авторы João Neves & Christian Thomas
перевод Tatyana Nikitina
Я удивился, когда недавно обнаружил, что в сообществе дайверов все еще живет понимание, что гелий – холодный газ для дыхания. Поэтому я подумал, что следует вновь и более подробно исследовать эту тему.
Итак, гелий холодный? Это зависит от его использования. Я надеюсь, что прочтя этот маленький текст, маленький по сравнению с объемными работами на эту тему, вы сделаете обоснованные выводы.
Давайте начнем с некоторых определений, которые помогут нам на пути.

Терморегуляция

Птицы и млекопитающие теплокровные, это означает, что температура тела достаточно высокая и не зависит от окружающей среды. У человека поверхностная температура составляет 36,6°С, внутренних органов или температура ядра 38°С. Чтобы поддерживать ее на постоянном уровне мы используем терморегуляторные механизмы, которые запускаются терморецепторами. Они дают быстрый и эффективный ответ – физиологическую реакцию; при температуре выше 45°С и ниже 10°С мы воспринимаем ее как боль. Другие сенсоры располагаются глубже, в гипоталамусе и в спинном мозге. Они вступают в работу, когда понижение температуры становится опасно для жизни.
Когда внутренняя температура начинает расти (гипертермия), кровеносные сосуды растягиваются, чтобы увеличить поверхность соприкосновения с внешней средой, работая как радиатор автомобиля. Пот испаряется с поверхности кожи и охлаждает ее. Дыхание становится более интенсивным, чтобы убрать избыток жары через легкие.
Когда температура снижается (гипотермия), сосуды сужаются, чтобы снизить потери тепла через кожу и переместить всю жидкость к внутренним органам. Это может иметь негативные последствия: усиление диуреза, и, как следствие, обезвоживание. Метаболизм и дыхание усиливаются, чтобы производить больше тепла для компенсации потерь. Термогенез занимает от 15 до 20 минут до достижения пика. После этого активность снижается по мере истощения запасов энергии, и через два часа ее производство падает до половины.

Разделяют два типа действия холода на организм

Резкое неожиданное воздействие холодом включит защитные механизмы терморегуляции: гипервентиляция, сильная дрожь и сужение сосудов. При очень низких температурах может случиться обморок и дыхательная недостаточность. Это неврологическая реакция запускается, даже если температура тела не упала ниже нормальной отметки.
Медленное продолжительное охлаждение тела, такое как дайверы испытывают при длительных глубоких погружениях. Нервная реакция снижена и, в ряде случаев, незаметна. При этом периферийные сосуды сужаются с самого начала, чтобы уменьшить тепловой обмен через кожу и сохранить температуру. А другие психофизиологические реакции и экстренное производство энергии будут замедленны.
Когда термогенез перестанет справляться с тепловыми потерями, температура начнет падать. Дайвер не чувствует этого и поэтому не знает о медленном опасном начале гипертермии.
Когда температура ядра достигнет 36°, реакции и мышление человека будут замедленны и ошибочны, продолжать погружение в таком состоянии опас

Потери тепла

С глубиной потери тепла и риск гипортермии возрастают, поэтому сохранение тепла жизненная необходимость в техническом дайвинге. Но кроме вышесказанного, важно помнить, переохлаждение затрудняет вывод инертных газов из тканей, что приводит к увеличению вероятности ДКБ.
В этой части вы узнаете пути, по которым тепло покидает наше тело.

Потеря тепла при дыхании (через легкие)

–    нагрев вдыхаемого газа

–    увлажнение вдыхаемого газа (скрытая теплота)

Потери тепла через кожу

–    испарение (потоотделение)

–  излучение (радиация)

–  теплопроведение (кондукция)

–   конвекция

Потери тепла через кожу могут быть минимизированы за счет подбора оборудования и термозащиты. А вот при дыхании избежать или проконтролировать их нельзя. Этот аспект важно учесть во время глубоководных погружений.

Потери тепла при дыхании: легкие

При прохождении через скубу газы резко снижают давление. На глубине 80 м в начале донного времени, давление донного газа уменьшается с 200 бар до 19 бар, и с 19 до 9 бар при каждом вдохе. Внезапное понижение давления снижает температуру газа до очень низких значений, иногда ниже 0°С. Конечная температура вдыхаемого газа зависит от температуры воды, объема и массы газа. Чем глубже вы идете, тем холоднее становиться вода, тем больше объем газа вы потребляете, тем холоднее становиться вдыхаемый газ. Мы не можем почувствовать столь низкую температуру вдыхаемого газа, так как у нас нет терморецепторов в дыхательных путях (трахее и легких). Поэтому реакция организма, чтобы уменьшить теплопотери, не будет активирована до конца состояния гипотермии.

Легкие на уровне альвеол – идеальные теплообменники, благодаря их очень большой поверхности. Они моментально нагревают и увлажняют вдыхаемый газ до температуры ядра 38°С. А вот бронхи и трахея – плохие теплообменники, газ, который остается в них, подогревается лишь частично.
Во время отдыха человек вдыхает примерно 0,5 л. газа, при умеренных нагрузках – 1,5 л., остаточный объем около 0,15 л. Таким образом, только 80% вдыхаемого газа подогревается до внутренней температуры тела. На 80 м объем потребляемого газа возрастает в 9 раз по сравнению с поверхностью. Это значит, что на глубине через легкие вы теряете тепло в 9 раз быстрее, чем в холодный день на берегу. Мы будем использовать эти цифры позже для некоторых интересных расчетов.
Глубоководные коммерческие водолазы знают об этих теплопотерях, поэтому используют внешние источники подогрева газа. Но в случае прерывания подачи газа, разрыва шланга или другого подобного инцидента они нуждаются в другой возможности спасения. Неожиданный вдох более плотного очень холодного газа может привести к фатальной психоневрологической реакции, например, к сужению глотки.

Portugal Rui-Guerra 2

Потери тепла через испарение – скрытые потери

Больше всего газ охлаждается в первой ступени регулятора. С каждым вдохом создается «замораживающий эффект» вокруг седла клапана. Эта область начинает забирать тепло у тела регулятора, а тот из окружающей воды. Через некоторое время температура седла клапана стабилизируется, но останется ниже нуля. Любая влага в газе превратится в лед, и регулятор встанет на свободную подачу воздуха. Когда это произойдет, невозможно будет остановить подачу газа. Среднее давление будет расти, и открытая вторая ступень встанет на free flow. Самое лучшее – быстро перекрыть баллон. У вас есть несколько секунд до того, как давление газа упадет до 0.
Для предотвращения этого газ в баллоне должен быть достаточно сухим. Именно поэтому компрессоры оснащены системами фильтрации и отвода конденсата для воды. Помните, что чем глубже вы идете, тем холоднее становится газ, и тем более вероятна заморозка регулятора. Будьте предельно внимательны к фильтрам в компрессоре, когда готовите смесь trimix!
Увлажненный газ просто не может использоваться на больших глубинах, поэтому приходится увлажнять его через легкие. Такое увлажнение достигается испарением воды с внутренних стенок альвеол. Испарение подразумевает передачу тепла, так как энергия необходима для превращения жидкой воды в водяной пар, и дальнейшее падение температуры. Эта передача энергии называется «скрытое тепло». Скрытое тепло не зависит от глубины и составляет примерно 10 Вт при расходе дыхания 20 л/мин. Увлажнение вдыхаемого газа не только истощает энергию из легких, но и является важным вкладом в обезвоживание – основным игроком в начале ДКБ.
Совет: дыхание через шланг регулятора 2 и более метра снизит тепловые потери при дыхании. Фактически температура будет на несколько градусов выше, чем при дыхании из шланга обычной длины и будет зависеть от температуры воды. До вдоха в шланге остается немного воздуха, который будет забирать тепло из окружающей воды. Идея –использовать шланги 2 м для дайверов с двумя независимыми баллонами.

Общие потери энергии при дыхании.

Насколько потери тепла при дыхании способствуют общей тепловой потери энергии во время глубоких погружений? Благодаря высокой теплопроводности гелий в дыхательных смесях усугубляет эти потери? Давайте сделаем некоторые расчеты и определим так ли это.
Энергия, используемая для того чтобы нагреть газ, пропорциональна к массе газа и зависит от свойств газа. Чем глубже идет дайвер, тем больше масса газа, которую надо нагреть.

Формула:

Потери тепла = Cp x 0.8 ( 38 – IT ) x Q x P / 60 + LV

Где:

IT – температура вдыхаемого газа
Q –объем вдыхаемого газа (литры в минуту)
P – абсолютное давление
Cp – теплоемкость газа
LV – скрытое тепло

Газ с высокой теплоемкостью (далее Ср) требует больше энергии для поддержания температуры и наоборот отдает больше энергии, чтобы остыть и это занимает больше времени. Поэтому он будет лучшим изолятором. А вот газ с низкой теплоемкостью быстро нагревается и быстро охлаждается. Он отдает энергию легко и является плохим изолятором.
Для азота и кислорода Ср примерно одинаков и составляет примерно 1.31 Вт/1°С.
Для гелия Ср = 0,93 Вт/1°С.
Теплоемкость смеси рассчитывается с учетом доли газов в смеси.
Давайте рассмотрим 3 примера; первый с воздухом в качестве донной смеси, второй с гелием и кислородом – радикально, но это, чтобы доказать мою точку зрения, и третий – trimix.
Пример 1: У дайвера расход дыхания 20 л/мин. Он дышит воздухом при температуре 2ºC на глубине 50 м. Какие у него будут потери тепла через легкие?
Потери тепла = 1.31 x 0.8 (38 – 2) x 20 x (6/60) + 10 = 85.5 Вт
Пример 2: Дайвер погружается на 80 м со смесью 10/90 heliox, температура воды 2ºC. Теплоемкость смеси (0.10 x 1.31) + (0.90 x 0.93) = 0.97 Вт/1ºC. Какие будут потери тепла?
Потери тепла = 0.97 x 0.8 (38 – 2) x 20 x (9/60) +10 = 93.6 Вт Если в этом примере использовать воздух, то это даст уже 123,2 Вт.
Пример 3: Дайвер погружается на 80 м со смесью 16/40 Trimix при температуре 2ºC. Теплоемкость смеси (0.16 x 1.31) + (0.40 x 0.93) + (0.44 x 1.31) = 1.16 Вт/1ºC. Какие будут потери тепла?
Потери тепла = 1.16 x 0.8 (38 – 2) x 20 x (9/60) +10 = 110 Вт
Какие выводы вы сделали?
При дыхании гелий не охлаждает больше, чем азот. Удивлены? Однако гелий будет ощущаться холоднее, так как рот и горло имеют множество терморецепторов. Но он требует меньше энергии, чтобы согреться, чем более плотные газы, такие как азот и кислород. С другой стороны он вас охладит сильнее, если использовать его для поддува костюма, так как будет быстро отдавать тепло тела окружающей среде.
110 Вт это много?
Для ответа на этот вопрос нам нужно больше данных. Термогенез – производство метаболической энергии
Типичное значение для метаболический тепловой энергии произведенной телом в покое около 60 Вт:
Различные органы: 30 Вт Нервная система: 12 Вт Дыхательные мышцы: 6 Вт Другие мышцы: 12 Вт
Итого: 60 Вт
Тепловая энергия, вырабатываемая при умеренной нагрузке, может достигать 300 Вт. Как, например, при длительном плавании в ластах или при беге со скоростью 8 км/ч.
Это энергия производится для обеспечения активности мышц. Обратите внимание на повышенное значение для дыхательных мышц.
Различные органы: 30 Вт Нервная система: 10 Вт Дыхательные мышцы: 60 Вт Другие мышцы: 200 Вт
Итого: 300 Вт
Тепловая энергия не может производится долго. После 2х часов непрерывной нагрузки производство энергии падает до 125 Вт. Реальный пример такого погружения найти трудно. Потребление газа дает более полезную информацию для расчета уровня термогенеза:
8 л/мин (в покое) 100 Вт 20 л/мин (на дне) 250 Вт 10 л/мин (декоостановки) 125 Вт
Потеря тепла при погружении на смеси heliox составляла 110 Вт. Если бы мы рассматривали расход дыхания 20 л /мин, производящий 250 Вт, у нас все равно был бы положительный баланс 140 Вт!
Но не забываем ли мы о потере тепла через кожу?
Тепловые потери через кожу.
Кожа нагревает газ внутри костюма радиацией и кондукцией. Конвекция перемещает тепло туда, где оно быстрее выйдет из костюма. Это ставит очень трудную задачу для расчета, так как нет двух абсолютно одинаковых поддев, и нет двух абсолютно одинаковых человек с равным весом и идентичным количеством подкожного жира. Мы можем сделать расчет грубо, чтобы была хоть какая-то помощь при расчете защиты от воздействия холода.
Проводимость играет более значимую роль в передаче тепла через костюм. Закон Фурье гласит, что количество тепловой энергии, переходящей из горячего тела в холодное, разделенное изолирующим слоем, пропорционально разности температур между двумя телами. Коэффициент пропорциональности зависит от поверхности, природы и геометрии слоя и называется теплопроводностью (Вт / ºC). Чем ниже значение теплопроводности, тем больше теплоизоляционный слой. Если рассмотреть, что тело 1 – наше теплое тело, а тело 2 – холодная вода, то вот что мы получим:
Потери тепла через кожу (Q) = (T1 – T2) / (1/H1+1/H2+1/H3+…)
Где:
Q: количество тепла T1: температура горячего тела (нашего)
T2: температура холодного тела (воды) H1: теплопроводность 1го слоя
H2: теплопроводность 2го слоя H3: теплопроводность 3го слоя
Примеры значений теплопроводности для различных изолирующих слоев:
Воздушный пограничный слой 8 Переферийный слой жира (крупное телосложение) 15 Переферийный слой жира (нормальное телосложение) 30 Переферийный слой жира (худое телосложение) 50
Пограничный слой воды (почти все) 70
Пограничный слой воды (умеренный ток) 300 Полипропилен горный 1й слой 400
Polar fleece толщина 10 мм 7
Polar fleece толщина 7,5 мм 10
Polar fleece толщина 5 мм 14
Polar fleece 10 мм + Argon 4
Polar fleece 10 мм + Не 30
Неопрен 7 мм 20
Неопрен 5 мм 30
Пресованный неопрен 4 мм 40
Краш неопрен 2 мм 80
Триламинат 300
Конвекция – перенос тепла движением жидкости/газа. Мы можем использовать воду вокруг дайвера в нашей модели как пограничный слой очень высокой проводимости. Это более важно в свободном мембранном костюме, чем в плотно прилегающем неопреновом сухом костюме. Гидрокостюмы можно рассматривать так же, как дополнительный слой “жира”, поскольку они имеют аналогичные значения для теплопроводности, если они плотно прилегают.
Нижнее термобелье имеет высокую теплопроводность и высокую конвекцию. Вытягивание влаги пота от тела предотвращает ее испарение при контакте с кожей и уменьшает дальнейшее охлаждение. Некоторые волокна созданы именно для этого. Обратите внимание, что и другие внутренние слои должны проводить эту влагу для того, чтобы она осела конденсатом на внутреннем слое костюма. Некоторые утеплители имеют непроницаемые внешние оболочки, которые препятствуют этому, и внутренние волокна насыщаются конденсированной влагой, снижая изоляционные свойства.
Теперь мы можем рассчитать теплопотери для дайвера из нашего примера.
Дайвер рост 1,75 м и вес 72 кг. Он использует сухой костюм из триламината и 7,5 мм поддеву Polar fleece. Он использует воздух для подкачки костюма. Температура воды 2ºC*, ток воды умеренный 1,5 узла. Какие потери тепла через кожу мы можем ожидать?
*примечание переводчика. В оригинальном тексте приводится расчет при погружении в воде 10°С, что не соответствует начальным условиям.
Q= (38-2)/ ((1/50) + (1/300) + (1/10) + (1/300) = 285 Вт
Давайте сложим то, что у нас получилось:
Потери тепла при дыхании = 110 Вт Потери тепла через кожу = 285 Вт
____________________________________________________ Общие потери тепла = 395 Вт
Термогенез – Общие потери тепла= тепловой баланс
+250 Вт – 395 Вт = -145 Вт
Хорошо, теперь у нас есть все что нужно для расчета:
· в течение дайва на 80 м, при данных условиях дайвер теряет 395 Вт
· в этот же период он производит 250 Вт
=> это значит, что его тепловой дефицит составляет -145 Вт
Вы можете более точно определить тепловой баланс, рассчитав для разных фаз погружения определенный профиль и график декомпрессии.
Каковы последствия наших выводов?
Исследования данных показали, что снижение температуры тела может быть рассчитано:
Охлаждение (ºC/час) = (Теплогенез– Термопотери) / вес тела
Итак, температура тела дайвера весом 72 кг снизится на 1ºC всего за 53 минуты. Обычное время погружения на смеси trimix длится значительно дольше. Снижение температуры даже на 1ºC может стать причиной замедленного мышления, потери ориентации, рассогласованности движений, апатии, дрожания и учащенного дыхания. Это вполне вероятный сценарий при снижении температуры. Организм будет реагировать повышением метаболизма, чтобы сохранить внутреннюю температуру на уровне 38ºC. Но он не сможет генерировать энергию очень долго, может быть не более часа.
Важно: приведенные расчеты приблизительны.
Потери тепла трудно поддаются количественной оценке и, как правило, превышают полученные значения. Не имеет значения, погружаетесь ли вы в холодных водах в сухом костюме или в тропических морях в мокром, теплопотеря – риск, который всегда есть в глубоководных погружениях. Во время декоостановок вода может быть теплее и расход дыхания ниже, но вы вдыхаете более тяжелый газ, поэтому ваши потери все еще значительны. Как правило, дайверы стремятся к тепловому комфорту, но рассчитывают только на определенную температуру воды и совершенно упускают из вида потери тепла при дыхании. Также имейте в виду, гипотермия имеет свойство накапливаться, а повторяющиеся ежедневные тепловые потери приводят к неспособности тела сопротивляться холоду.
В качестве последнего замечания подумайте о возможном разрыве сухой молнии или обтюрации во время погружения. Ваша изоляция будет просто нулевой в затопленном костюме. Если вы используете толстый, плотно облегающий неопреновый сухой костюм, в случае затопления он будет функционировать как обычный гидрокостюм. Безопасность не должна идти в угоду комфорту, ненужный компромисс может убить вас. Помните: надлежащий уход за своим оборудованием обязателен.
Итак, теперь вы понимаете, почему гелий не заслуживает названия «холодный газ». Это хорошая новость.
Еще лучше то, что погружаясь с ребризером вы теряете через легкие еще меньше тепла. Но эта тема на будущее.
Погружайтесь тепло, погружайтесь безопасно!
Portugal Rui-Guerra 1

Related Blog Articles

Loving your Local Diving: UK Hotspots

/
Some folks might think that scuba diving is a vacation sport, that you can only dive in spots where you have to travel away from home. We’re here to tell you it isn’t true! Gemma is back with another article on the local diving spots she’s found in her very own backyard in the UK.

Bucket List Diving: Iceland

/
Is Iceland on your bucket list? Get ready to add it after reading this guide to traveling and diving in Iceland. By the time you’re done, you’ll feel ready to book a plane ticket and go. From the sights to the diving hotspot you won’t know where to start.

A Day in the Life of...An Underwater Actress

/
There are so many avenues you can take when you start your scuba diving journey. Scuba diving can be a endlessly fun hobby or if you love it enough you’ll figure out how to make it your job. Gemma is back to talk about how she stumbled into the role of underwater actress.

Technical Wreck Diving in Northeast Brazil

/
Is wreck diving in Brazil on your bucket list? Get ready to add it because of these wrecks. These six wrecks are a must see if you ever happen to find yourself in northeast Brazil. Diving is a crazy sport known to take folks to all ends of the world, so you never know!

Tajne Zaovinskog jezera

/
U zapadnoj Srbiji, u okviru Nacionalnog parka Tara, kod mesta Zaovine nalazi se jedno od najlepših jezera u Srbiji – Zaovinsko jezero. Po svom nastanku je veštačko jezero, nastalo je u periodu od 1975. do 1983. pregrađivanjem toka reke Beli Rzav i izgradnjom brane u zaseoku Đurići kod sela Zaovine.

Rethinking

/
Join Traci for the final jaunt of her certification series as she embarks on the in-water portion of her course. She recounts the pool session and overcoming her fear of trusting the equipment as well as her certification dives at a local lake. While throughout this portion of her certification experience is again not easy for her to conquer she does it!

The Art of Slowing Down

/
Maybe it’s excitement, maybe it’s a lack of experience, maybe it’s nervousness. You likely started this sport to relax or see the underwater world, but you won’t be able to benefit from either if you don’t take the time to slow down. Slow down, relax and enjoy your surroundings.

Intro to Tech is not just for Tech Divers

/
Have you thought about taking the Intro to Tech course, only to talk yourself out of it because you don’t want to be a tech diver? We hear this a lot. The fact is, Intro to Tech is NOT just for tech divers! Read on for Instructor Stephen Phillips view and the experience of one of his recent students.

The Force Near You Pt 2

/
Properly inspecting a cylinder, ensuring proper markings and filling in an environment as safe as possible will be the best hedge against explosive force. There is no way to guarantee nothing will happen. The best safety protocols is to ensure nothing is taken for granted and the FST has done everything possible to check the safety of the cylinder before the filling process.
0 replies

Leave a Reply

Want to join the discussion?
Feel free to contribute!

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

*