ASPETTI FISICI DELL’IMMERSIONE L’immersione si svolge in un mezzo, che ha delle proprie caratteristiche: e pesante in tutti i suoi punti, la sua densità e pressappoco uniformemente costante, le diverse stratificazioni si propagano seguendo delle particolari leggi; essa consiste in un certo senso nel mettere insieme dei corpi di differente stato fisico: solido, liquido e gassoso. Questo e schematicamente il quadro fisico in cui si svolge l’immersione. LA PRESSIONE La pressione è la forza applicata su di una superficie ossia il rapporto tra la forza e l’unità di superficie La sua unità di misura sara quindi: F/S = Newton/m2 = P (Pascal) Normalmente vengono utilizzate anche altre unita di misura della pressione: 1 ATM = 1013 mbar = 760 mmHg = 1 torr = 1 Kg/cm2 = 1.01 × 105 Newton/m2 = 1.01 × 105 Pascal LA PRESSIONE ATMOSFERICA La superficie terrestre è circondata da uno strato gassoso chiamato aria che esercita una pressione di 1 Atm (a livello del mare, latitudine 45°, temperatura 15° centigradi - Nel 1643 Evangelista Torricelli) . L’aria a livello tracheale, quindi satura di vapore acqueo, pesa 1.113 g/l. Un litro d’aria ha un peso medio a livello del mare di 1.293 grammi. Esprimendo la pressione atmosferica in metri di colonna d’acqua: 1 ATM = 10.33 m di acqua distillata (P.S. = 1) 1 ATM = 10.07 m di acqua di mare (P.S. = 1.026)
VARIAZIONE DELLA PRESSIONE ATMOSFERICA La variazione dovuta alle diverse quote sul livello del mare è importante: diminuendo infatti la colonna d’aria sovrastante la superficie e diminuendo inoltre la densità dell’aria che diventa piu rarefatta, la pressione atmosferica diminuisce notevolmente in funzione dell’altitudine: a 5000 metri s.l.m. si riduce della meta (0.5 ATM) a 10000 metri s.l.m. il valore e di un terzo (0.33 ATM)
PRESSIONE IDROSTATICA E’ la pressione che agisce in seno ad un liquido in equilibrio. E’ direttamente legata alla massa e quindi alla quantità di liquido posta al di sopra del punto considerato. In un liquido: la pressione si esercita in tutte le direzioni allo stesso modo e identica in ogni punto del medesimo piano orizzontale cresce con la profondità. La pressione esercitata e di 1 Kg/cm2 per 10 m di colonna di acqua, per quella di mare la pressione idrostatica sarà di poco superiore ad 1 Kg per ogni 10 m di colonna d’acqua a causa dei sali disciolti Con una buona approssimazione la pressione idrostatica sarà di 1 ATU (Atmosfera idrostatica) per ogni 10 m di colonna d’acqua.
PRESSIONE ASSOLUTA La pressione assoluta è data dalla somma della pressione atmosferica piu la pressione idrostatica (o relativa). Esempio: se un sommozzatore si trova a 36 metri di profondita sara sottoposto ad una pressione (assoluta) di: P. Ass. = P. Atm. + P. Idrost. = 1 ATM + 3.6 ATU = 4.6 ATA PROFONDITA’ P. IDROSTATICA (ATU) P. ASSOLUTA (ATA) Livello del mare 0 1 10 metri 1 2 20 metri 2 3 30 metri 3 4 40 metri 4 5 50 metri 5 6
PROPRIETA DEI GAS Generalità I gas non possiedono un volume proprio; una certa quantità di gas può invece avere: - un volume imposto nel caso di un contenitore indeformabile - un volume naturale nel caso di un contenitore deformabile Contrariamente a quanto avviene per i solidi e liquidi, le variazioni di pressione e temperatura hanno ripercussioni notevoli sui gas. Per esempio, un volume d’acqua di 1 litro diminuisce il proprio volume dell’1% se sottoposto ad un aumento di pressione di 1 ATA, mentre 1 litro di aria diminuisce il proprio volume della metà se sottoposto allo stesso aumento di pressione. Le proprieta fisiche dei gas sono: - densità - viscosità - solubilità - diffusibilità - conducibilita termica - capacita termica Densità è il rapporto tra massa e volume. Varia con la temperatura (si riduce all’aumentare di questa) e con la pressione ( aumenta all’aumentare di questa). Puo essere espressa in grammi/litri. Viscosità in un fluido in moto è l’attrito fra gli strati del fluido ed e parallela agli strati stessi. Si indica con h, si misura in Poise cioe g/cm sec. La viscosità di un gas aumenta secondo una funzione lineare con la sua temperatura. Solubilità è regolata dalla legge di Henry. E’dipendente dalla temperatura in maniera inversamente proporzionale. Si riduce logaritmicamente con l’aumentare della pressione ambiente. La presenza di elettroliti nei tessuti acquosi del corpo umano riduce la solubilita dei gas inerti di circa il 10% rispetto ad un uguale volume di acqua pura. A pressioni relativamente basse la solubilita di una miscela puo essere considerata la somma delle solubilita dei gas componenti. Diffusione in fase liquida le molecole gassose diffonderanno da un’area di alta concentrazione ad un’area di bassa concentrazione. La facilità con cui questo avviene è espressa dal “coefficiente di diffusione” che è funzione del peso molecolare dei gas. Si esprime in cm2/sec. La capacità di un gas di diffondere in un altro gas è espressa dal “coefficiente di diffusione binaria” e si esprime in cm2/sec. La velocità di diffusione di un gas in una fase gassosa è 5 volte piu grande della corrispondente velocità di diffusione in una fase liquida. Il coefficiente di diffusione aumenta con la temperatura ed è inversamente correlato alla pressione: a 31.3 ATA il coefficiente di diffusione e ridotto fino a 31 volte. Conducibilità termica aumenta solo lievemente con l’aumentare della pressione e della temperatura. A differenza della capacità termica non puo essere calcolata con la semplice addizione della conducibilità termiche dei gas componenti una miscela. Si esprime in cal/sec × cm × °C × 10-5. Capacità termica E’ espressa in cal/g/°C. Viene poco alterata da variazioni di temperatura e pressione.
LEGGE DI BOYLE - MARIOTTE Il volume di un gas si riduce quando la pressione circostante aumenta. Enunciato: A temperatura costante, il volume che occupa una data massa gassosa e inversamente proporzionale alla pressione cui la stessa massa e sottoposta: P × V = Costante Esempio: se una certa quantita di gas occupa un volume di 1 litro ad una pressione di 1 ATA (in superficie) vediamo come varia questo durante l’aumento di pressione (ossia la discesa) 1 litro in superficie 1 ATA 1/2 litro a 10 metri 2 ATA 1/3 litro a 20 metri 3 ATA 1/4 litro a 30 metri 4 ATA 1/10 litro a 90 metri 10 ATA
LEGGI DI GAY LUSSAC E DI CHARLES Se una certa massa gassosa, a volume o a pressione costante, viene sottoposta ad una variazione di temperatura, variera la sua pressione Gay Lussac) o il suo volume (Charles) di 1/273 del valore iniziale di pressione o volume per ogni grado centigrado di variazione di temperatura. Volume costante (esempio bombole o sommergibili) Pf = Pi + dP dP = 1/273 × Pi × dT (C°) Pf e la pressione finale Pi e la pressione iniziale dP e la variazione di pressione in piu o in meno dT e la variazione di temperatura in C° in piu o in meno Un calcolo approssimativo ci permette di ricavare subito la variazione di pressione in funzione della temperatura : “per ogni 3°C di variazione di temperatura si registra una variazione di pressione dell’1% del valore iniziale di quest’ultima”. Esempio: ad una variazione della temperatura di 15°C rispetto a quella di partenza, corrispondera una variazione di pressione come segue: 15/3 = 5 760 × 5% = 38 mmHg LEGGE DEL GAS IDEALE Le tre leggi sopra riportate derivano dalla Legge del Gas Ideale: PV = NRT dove: P = pressione assoluta (ATA) V = volume (litri) N = n° di molecole di gas R = costante universale dei gas T = temperatura assoluta (°K) Questa legge puo essere scritta anche nel seguente modo: PV/RT = N Se il numero delle molecole viene considerato costante, si trova una relazione tra le variazioni di PV e T: PV/T = K o meglio, P1V1/T1 = P2V2/T2 da cui, P1 /T1 = P2/T2 V = K Legge di Gay Lussac Legge Isocora V1/T1 = V2/T2 P = K Legge di Charles Legge Isobara P1V1 = P2V2 T = K Legge di Boyle Legge Isoterma
LEGGE DI DALTON In una miscela di gas che non reagiscono chimicamente tra loro la pressione esercitata dal miscuglio e uguale alla somma delle pressioni che esercita ogni gas componente il miscuglio: in pratica in un ambiente chiuso la pressione totale esercitata da un miscuglio e data dalla somma delle pressioni che ciascun gas componente eserciterebbe se questo, ipoteticamente, venisse lasciato solo in quell’ambiente. La pressione totale esercitata da una miscela e data dalla somma delle “pressioni parziali” di ciascun gas componente il miscuglio. La pressione parziale, riferita ad un ipotetico gas A, e data dal prodotto della pressione totale esercitata dalla miscela per la percentuale con il quale il gas considerato e presente in tale miscela: PpA = Pt × Volume % A/ 100% Variazione di un volume di un gas in funzione della
Pt = Pp1 + Pp2 + Pp3 + ......... + Ppn Supponendo per esempio l’aria a pressione atmosferica (1 ATA) avremo: Ossigeno 20% Azoto 80% PpO2 = Pt × Volume % O2 / 100% = 1 × 0.2 = 0.2 ATA PpN2 = Pt × Volume % N2 / 100%= 1 × 0.8 = 0.8 ATA e quindi: Pt = PpO2 + Pp N2 = 0.2 + 0.8 = 1 ATA Per l’organismo umano e determinante la pressione parziale dell’ossigeno: supponiamo che un sub respiri una miscela di ossigeno al 10%; in superficie la pressione parziale sara 0.1 ATA e quindi inferiore al limite minimo per la sopravvivenza. sara sufficiente scendere alla profondita di 10 m. per avere una pressione parziale di ossigeno nella norma (Pp = Pt × Volume % O2 / 100% = 0.2 ATA) E’ di fondamentale importanza capire che i limiti per i gas respirati non sono in funzione della percentuale nella quale sono presenti, bensi alla pressione parziale che essi esercitano. In linea di massima i limiti di pressione parziale imposti per l’ossigeno sono: Limite minimo di sicurezza 0.16 ATA ( ipossia) Valore atmosferico 0.20 ATA Limite massimo in immersione 2.20 ATA (iperossia)
DISSOLUZIONE DEI GAS NEI LIQUIDI La dissoluzione e la dispersione delle molecole di un corpo disciolto in un solvente. Questa dispersione e una miscela perfetta se le molecole del solvente non hanno una struttura particolare e se il corpo non ha interazioni chimiche con il solvente. Ad eccezione dell’anidride carbonica che nell’acqua si trova sotto forma di acido carbonico, gli altri gas impiegati per l’immersione sono dei gas che si possono considerare come perfetti e nella dissoluzione solo i fenomeni fisici entreranno in gioco. Caratteristiche dei solventi L’organismo umano e eterogeneo. Si puo dividerlo grossolanamente in tre parti: lo scheletro Parte solida tessuto adiposo Parte dove i solventi non polari hanno una parte preponderante ,il sangue ed i muscoli Parte dove l’acqua solvente polare e preponderante Si prenderanno in considerazione qui i solventi non polari e polari contenuti nel sangue, tessuto muscolare e tessuto adiposo, senza tenere conto dello scheletro. Solvente non polare Si chiama solvente non polare un solvente in cui le molecole non contengono dei dipoli. Gli oli alifatici e aromatici ne sono un esempio. In questi liquidi la dissoluzione si effettua attraverso la dispersione delle molecole di gas tra le molecole del solvente, non c’e interazione tra elementi differenti e le formule della dissoluzione si applicano alla perfezione. Solvente polare Si chiamano solventi polari tutti i solventi in cui i le molecole contengono dei dipoli elettrici o anche magnetici cosi che tutti i solventi degli ioni OH sono dei solventi polari: gli acidi organici e gli alcool ne sono degli esempi, ma il solvente polare per eccellenza e l’acqua “ H - OH” che e il costituente essenziale del corpo umano. LA LEGGE DI HENRY Enunciato: “a temperatura costante la quantita di gas che si discioglie in un solvente liquido e proporzionale alla pressione parziale del gas al di sopra del solvente”. Questa quantita dipende dal tipo di gas e dal tipo di solvente. La temperatura interviene in modoinversamente proporzionale: a parità di condizioni, a temperature piu basse si discioglie una quantita di gas superiore, e viceversa. SATURAZIONE La saturazione di un liquido da parte di un gas e la quantita massima che questo liquido può disciogliere a temperatura e pressione costanti. La saturazione non e raggiunta immediatamente. La curva che la rappresenta ha una forma esponenziale. Il tempo necessario affinché venga raggiunta la metà della saturazione e definito “periodo”.
ANALOGIA TRA QUANTITA’ DI GAS DISCIOLTO E TENSIONE. Sia dato un liquido privo di gas e sottoposto alla pressione P di un gas puro; il gas si disciogliera nel liquido. Quando si arriverà alla saturazione, avremo che la quantita di gas che si discioglie nel liquido sarà uguale alla quantita che ne esce (stato di equilibrio). Si puo quindi affermare che il gas disciolto eserciti sul gas libero una pressione eguale alla pressione del gas al di sopradel liquido. Questa pressione esercitata dal gas disciolto si chiama “tensione” del gas disciolto. Nello stato di saturazione la tensione del gas disciolto e misurata dal valore P che e la pressione del gas al di sopra del liquido. Questa analogia e estremamente importante; essa permette di evitare l’impiego di grandezze quali massadisciolta o volume disciolto, variabili con la pressione, il tipo di gas , il tipo di liquido. Cosi, se si prende in esame un liquido saturo di elio o di azoto alla pressione P, si avranno dei valori differenti misurando la quantità disciolta in massa o in volume; di contro la tensione dell’elio o dell’azoto nel liquido avra esattamente il medesimo valore: tensione = P DIFFUSIONE Se si suppone di avere una certa quantita di liquido contenuto in un recipiente di forma qualsiasi e sottoposto ad una pressione P, si avra una diffusione che sarà immediata alla superficie di separazione. Le molecole gassose cosi disciolte vanno ad invadere il liquido per diffusione. Questo fenomeno sara tanto piu rapido quanto piu grande sarà la superficie di contatto. Se questa superficie di contatto e infinita la velocità di diffusione sara infinita. Di contro se la superficie di contatto e infinitamente piccola la diffusione sara infinitamente lenta. SATURAZIONE Allorquando un liquido e sottoposto ad un gas in pressione, il gas si scioglierà nel liquido; se il liquido e privo di gas all’inizio dell’esperienza la tensione del gas disciolto alla fine del tempo “t” sara data dalla formula: p= P(1 - e-kt) dove p e la tensione del gas disciolto, P e la pressione del gas al di sopra del liquido e k e un coefficiente esponenziale. La curva rappresentativa di p in funzione di t e una funzione esponenziale. Se invece partiamo da un liquido saturo ad un valore di tensione di gas disciolto p0, la formula dovra essere: p = p0 + (P - p0)(1 - e-kt) DESATURAZIONE Inversamente se un liquido saturo a una pressione P e riportato ad una pressione P0 la saturazione del liquido passa da un valore p = P al valore p = P0. La curva di desaturazione e una curva esponenziale inversa e simmetrica alla precedente, a parita di condizioni. Finché la tensione di gas nel liquido e superiore alla pressione ambientale, il liquido e detto in stato di sovrasaturazione. SOVRASATURAZIONE Allorquando la pressione esterna diminuisce, la tensione dei gas disciolti diviene superiore alla pressione dei gas a contatto con il liquido, che si trova quindi in stato di sovrasaturazione. La sovrasaturazione e uno stato instabile ed esiste un valore limite del rapporto tensione del gas disciolto nel liquido e pressione ambiente al di la del quale l’equilibrio instabile e rotto e il gas non riesce piu a rimanere in soluzione nel liquido, liberandosi sotto forma di bolle. Questo limite e definito sovrasaturazione critica. In fisica, si riscontrano spesso dei valori di questo coefficiente compresi tra 10 e 100 o anche 1000 per dei liquidi perfettamente omogenei. Di contro nell’organismo i coefficienti di sovrasaturazione critica hanno un valore molto piu basso. Curva teorica dell’assorbimento
Vi sono varie ipotesi per spiegare i motivi di questo basso valore: l’ipotesi dei micronuclei gassosi preesistenti, l’ipotesi della cavitazione, l’ipotesi della tribonucleazione (vedi capitolo sulle Patologie da Decompressione). Una volta che la bolla si e formata, la pressione all’interno di questa e nell’ordine di : Pb = P + 2g/r dove Pb e la pressione interna della bolla; P e la pressione ambiente g la tensione superficiale; r il raggio della bolla. Si ha dunque una pressione all’interno della bolla superiore alla tensione dei tessuti circostanti; il gas interno quindi ha tendenza a disciogliersi nei tessuti e la bolla scompare. Ma se, nel momento in cui si manifesta la bolla, la pressione ambiente diminuisce bruscamente, il volume della bolla aumenta ed il rapporto 2 g/r diminuisce, e quindi la tendenza a disciogliersi nei tessuti si ridurra impedendo la scomparsa della bolla. INCIDENTI SUBACQUEI E LORO TRATTAMENTO
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