Жидкость практически несжимаема потому что

Межмолекулярное строение твердых тел, жидкостей и газов. Агрегатные состояния

Содержание

Чтобы подробнее рассмотреть свойства веществ, нам необходимо разобраться в их молекулярном строении.

Рассмотрим пример. После дождя появилась лужа. Если ударит мороз, и лужа замерзнет, то по ней уже можно будет проехаться. В жару вода из лужи быстро испарится, превратившись в пар. Но разве в этих случаях лужа будет состоять из другого вещества?

Нет, она все так же состоит из одних и тех же молекул. Лед, пар и вода — это одно и то же вещество, но молекулы в нем могут по-разному располагаться и взаимодействовать.

В таких случаях говорят, что вещество способно пребывать в разных состояниях или переходить из одного в другое (рисунок 19).

Рисунок 19. Расположение молекул воды в трех разных состояниях: твердом — лед, жидком — вода и газообразном — водяной пар.

Агрегатные состояние — это состояния одного вещества, при которых его свойства значительно различаются. Оно определяется расположением молекул вещества и характером их движения. Различают 3 основных агрегатных состояния: твердое, жидкое и газообразное.

Но у веществ существуют и другие состояния. При очень больших температурах молекулы склонны распадаться на составляющие их атомы, ионы и электроны, о которых пойдёт речь позже. Из этих частиц состоит плазма — одно из состояний вещества.

Мы можем ее наблюдать в виде пламени костра или свечи. Вещества, из которых состоит Солнце, тоже пребывают в плазменном состоянии, плазма в атмосфере вызывает полярное сияние. На свойствах плазмы базируется принцип работы плазменных телевизоров.

Бывают неустойчивые состояния веществ: переохлажденные или перегретые жидкости. Они достигаются охлаждением жидкости ниже температуры кристаллизации либо нагревом ее выше температуры испарения при определенных условиях. При этом, незначительное внешнее воздействие на такую жидкость вызывает ее резкий переход в твердое либо газообразное состояние.

Но сейчас мы рассмотрим подробнее основные агрегатные состояния.

Твердое

Твердым можно назвать любой предмет, сохраняющий свою форму, если его специально не разрушать. Другими словами — это такое агрегатное состояние вещества, при котором оно сохраняет свой объем и форму.

Молекулы/атомы в таком веществе находятся на определенных позициях, они могут колебаться на своих местах, но их положение по отношению к другим молекулам/атомам практически не меняется (рисунок 20).

В твердых кристаллических веществах атомы образуют кристаллическую решетку (лед, соль, металлы и др.) (рисунок 21).

Рисунок 20. Молекулярное строение твердого вещества (лед). Рисунок 21. Молекулярное строение твердого кристаллического вещества (поваренная соль: атомы натрия – красного цвета, атомы хлора – синего).

В твердых телах притяжение между молекулами (атомами) намного больше, чем у жидкостей. Поэтому в обычных условиях твердые тела сохраняют свою форму и объем.

В твердых аморфных веществах атомы расположены беспорядочно, не имеют кристаллической структуры, но и не находятся в постоянном движении (смола, янтарь). Обычно характеризуются невысокой температурой плавления, из-за чего могут легко переходить в другое агрегатное состояние и обладать текучестью.

Жидкое

К жидкостям относят тела, изменить форму которых очень легко. Например, налить воду из графина в стакан (рисунок 22). Чего нельзя сказать про их объем.

Наполним шприц водой, закроем пальцем отверстие и попробуем сжать воду. У нас ничего не получится. Жидкость — практически несжимаема. Это такое агрегатное состояние, в котором тело способно сохранять свой объем, но не сохраняет форму.

Рисунок 22. Изменение формы жидкого вещества.

Молекулы жидкости находятся довольно близко (расстояние между каждыми двумя молекулами меньше размеров молекул) и их взаимодействие ощутимое. Молекулярное строение жидкости представлено на рисунке 23.

Рисунок 23. Молекулярное строение жидкого вещества (воды).

Также на свойстве жидкости легко изменять свою форму основано изготовление предметов из расплавленного стекла (рисунок 24).

Рисунок 24. Выдувание из расплавленного (жидкого) стекла.

Молекулы жидкости не расходятся на большие расстояния и жидкость в обычных условиях сохраняет свой объем, но не сохраняет форму.

В состоянии невесомости жидкость имеет форму шара, потому что внешние силы уравновешены и форма определяется только силами молекулярного взаимодействия. У последних нет единого направления, поэтому форма жидкости симметрична в любых направлениях.

Газообразное

Большинство газов бесцветны и прозрачны, а потому невидимы. Его присутствие мы можем почувствовать при дуновении ветра, сквозняка в комнате или же на примере простых опытов (рисунок 25).

Рисунок 25. Иллюстрация опыта, подтверждающего наличие воздуха в окружающем нас пространстве.

Опустим в воду воронку, предварительно соединив ее резиновой трубкой со стеклянной трубочкой. Из трубочки начнут выходить пузырьки воздуха, которые до этого были в воронке и во всей системе в целом. Подобные простые опыты подтверждают наличие воздуха вокруг нас.

Молекулы газа находятся на больших расстояниях друг от друга и в постоянном хаотичном движении. Поэтому часто взаимодействие между молекулами газа не учитывается, и большое пространство между частицами позволяет сильно сжимать газы. Молекулярное строение газа представлено на рисунке 26.

Рисунок 26. Молекулярное строение газа (паров воды).

Газы не имеют собственной формы и постоянного объема. Они принимают форму сосуда и полностью заполняют предоставленный им объем.

Источник

Сжимаемая и несжимаемая жидкости

Сжимаемая жидкость – модель жидкости, учитывающая действительно существующую сжимаемость всех реальных жидкостей. При исследовании движения сжимаемой жидкости плотность является функцией давления и температуры. Сжимаемая жидкость – основная модель жидкости, используемая в газовой динамике.

Несжимаемая жидкость – модель жидкости, плотность которой при изменении давления и температуры не изменяется. Эта модель используется для упрощения исследования течений в тех случаях, когда действительно имеющее место относительное изменение плотности реальной жидкости весьма мало (обычно менее 5 … 6 % ).

И сжимаемая и несжимаемая жидкости в общем случае могут быть как вязкими, так и невязкими.

Уравнения состояния

Для исследования сжимаемых течений уравнений движения (уравнений Навье – Стокса) и уравнения неразрывности недостаточно. В самом деле, изменения давления и плотности, происходящие в сжимаемых течениях, влекут за собой изменение температуры, что приводит к необходимости вводить в рассмотрение некоторые термодинамические соотношения. Одним из таких соотношений является уравнение состояния, связывающее между собой давление, плотность и температуру.

Связь между термодинамическими параметрами для реальных газов может быть установлена исходя из известных положений кинетической теории газов с помощью методов статистической физики, но ввиду сложности общего уравнения состояния и трудности определения входящих в него констант для описания термодинамических свойств сжимаемых газов обычно пользуются приближенными теоретическими и эмпирическими уравнениями.

В зависимости от того, какой вид уравнения состояния используется принято различать модели «совершенного газа» (очень часто его ещё называют «идеальным газом»), «газ Ван-дер-Ваальса» или «вандерваальсовского газ» и так называемого «реального газа». Очевидно, что в последнем случае «реальность» следует понимать лишь как более точное приближение в описание известных термодинамических свойств реальных газов, устанавливаемых, как правило, экспериментально.

p=ρRT,

которое достаточно хорошо отражает соотношение параметров большинства газов (азот, водород, воздух, кислород и др.) при умеренных давлениях (не выше 5 … 10 МПа) и положительных температурах.

В области высоких давлений и низких температур, близких к критической температуре газа уравнение Менделеева – Клапейрона не применимо, поскольку неточно отражает соотношение термодинамических параметров реального газа.

Совершенный газ – гипотетическая модель газа, молекулы которого представляются в виде абстрактных материальных точек, не имеющих физического объёма и взаимодействующих только при соударениях. Совершенный газ имеет постоянные теплоемкости C_p и C_v, показатель изоэнтропы k= C_p / C_v и молекулярную массу.

В практических расчетах часто используется уравнение состояния совершенного газа, «модифицированное» введением, так называемого, коэффициента сжимаемости z, величина которого зависит от давления и температуры:

Последнее выражение иногда ошибочно называют уравнением состояния реального газа.

Уравнение состояния, предложенное в 1873 г. голландским физиком Ван-дер-Ваальсом (Ян Дидерик Ван-дер-Ваальс *1837 †1923) по существу также является уточнением уравнения Менделеева – Клапейрона, но в отличие от последнего уравнение Ван-дер-Ваальса «работает» вблизи точек конденсации газа и даже удовлетворительно описывает связи для некоторых диапазонов жидкой фазы.

Уравнение Ван-дер-Ваальса, полученное на основе главным образом умозрительных качественных заключений, имеет следующий вид:

где α и β – константы, которые наряду с газовой постоянной R характеризуют индивидуальные свойства вещества. Величина параметра β интерпретируется как объём, занимаемый собственно молекулами газа; член α/υ 2 рассматривается как внутреннее давление в газе, обусловленное силами взаимодействия его молекул. Учет таких свойств реального газа как наличие межмолекулярного взаимодействия и объёма молекул, является причиной того, что очень часто это уравнение также ошибочно называют уравнением состояния реального газа.

Сжимаемость жидкости

Сжимаемость – это свойство жидкости изменять плотность (объём) при изменении давления и температуры. Для количественной оценки сжимаемости используются изотермический коэффициент сжимаемости β_p и коэффициент температурного расширения β_Τ. Причем, первый отражает относительное изменение плотности жидкости при изменении только давления (при T= Const), а второй – то же явление, но при изменении только температуры жидкости (при p= Const).

Для решения вопроса о необходимости учета сжимаемости при исследовании того или иного течения жидкости, т.е. для выбора модели – сжимаемой или несжимаемой жидкости, необходимо знать изменения давления и температуры в рассматриваемой области течения и оценить вызванное ими относительное изменение плотности. Обычно для многих задач прикладной газовой динамики, если они не связаны с исследованием пограничного слоя, учет температурного расширения жидкости не является актуальным; наибольший интерес представляет сжимаемость жидкости, обусловленная изменением давления.

Относительное изменение плотности ∆ρ/ρ при заданном изменении давления ∆p пропорционально изотермическому коэффициенту сжимаемости β_p и обратно пропорционально модулю упругости õ, поскольку β_p и õпо определению являются величинами обратными друг другу:

∆ρ/ρ = β_p ∆ p = ∆ p / õ– закон Гука для жидкости.

Сжимаемость свойственна всем жидкостям (и капельным и газам), однако её количественное проявление будет различным в зависимости от физических свойств среды. Капельные жидкости малосжимаемы или практически несжимаемы, поскольку их модули упругости достаточно велики (например, для воды õ= 2∙ 10 9 Па).

По сравнению с капельными жидкостями сжимаемость газов очень велика: при атмосферном давлении и изотермическом процессе сжимаемость воздуха в 20 тысяч раз больше сжимаемости воды.

При изотермическом процессе течения газа:

T= Const ; p/ ρ =RT=Const; dp/d ρ =p/ ρ

т.е. сжимаемость газов тем больше, чем меньше давление. При атмосферном давлении модуль упругости воздуха õ = p =B= 10 5 Па, что в 2·10 4 раза меньше величины модуля упругости воды (см. выше).

При изоэнтропийном процессе течения газа:

p/ ρ k = Const; dp/d ρ =kp/ ρ

т.е. сжимаемость газов определяется не только давлением, но и показателем изоэнтропы k, уменьшаясь с его увеличением.

Течение жидкости допустимо рассматривать как несжимаемое до тех пор, пока относительное изменение плотности ∆ρ/ρ остается весьма малым, т.е. ∆ρ/ρ 2 /2; поэтому ∆ρ/ρ≈ ρW 2 /2õ. Таким образом, течение жидкости можно рассматривать как несжимаемое до тех пор, пока динамическое давление остается весьма малым по сравнению с модулем упругости.

Если ввести в рассмотрение скорость звука a, которая согласно формуле Лапласа определяется равенством a 2 = õ /ρ, то условие ∆ρ/ρ 2 /2õ ≈ (W/a) 2 /2 2 /2 2 /2=0.3 2 /2≈0.05,

12. Вязкость и внутреннее трение в жидкости. Закон трения Ньютона

Вязкостью называется свойство всех реальных жидкостей (капельных и газов) оказывать сопротивление относительному сдвигу (деформации сдвига), т. е. изменению формы жидких частиц (но не их объёма).

Вязкость жидкости обусловлена взаимодействием молекул и проявляется только при движении жидкости, точнее, – при деформации жидкости (частиц жидкости). Если жидкость движется параллельными слоями (ламинарное течение), причем при этом происходит относительное скольжение соседних слоёв жидкости относительно друг друга (течение чистого сдвига), т.е. имеет место деформация чистого сдвига, то касательные напряжения между слоями могут быть описаны законом трения Ньютона.

В общем случае вязкость (величина μ) зависит от природы жидкости, её агрегатного состояния, температуры и давления. Однако зависимость от давления в широком диапазоне изменения давления для большинства реальных газов и капельных жидкостей оказывается слабой и ей можно пренебречь. Чем больше μ, тем больше вязкость жидкости.

Трение в капельных жидкостях заключается, главным образом, в преодолении сил взаимодействия между молекулами слоёв, смещающихся относительно друг друга. С увеличением температуры капельной жидкости увеличивается частота колебаний молекул и силы взаимодействия между ними уменьшаются, а вместе с ними уменьшается и вязкость. Наоборот, в газах с увеличением температуры вязкость возрастает, поскольку трение в газах обусловлено переносом направленного количества движения молекул при их тепловом хаотическом движении: с ростом температуры газа скорость хаотического движения молекул и число соударений возрастают, а вместе с этим увеличиваются перенос количества движения и вязкость газа.

Необходимо отметить, что рассмотренные выше слоистая модель течения и выведенный на её основе закон трения описывают весьма простой частный случай движения жидкости. Обобщением закона трения Ньютона на общий случай произвольного пространственного движения вязкой жидкости является закон трения Стокса, согласно которому напряжения, вызванные вязкостью, пропорциональны соответствующим скоростям деформации(тензор вязких напряжений пропорционален тензору скоростей деформаций).

G При турбулентных режимах течения коэффициент трения приобретает совершенно иное содержание в соответствии с другим, значительно более сложным механизмом внутреннего трения, обусловленным наличием турбулентных пульсаций.

Источник

Тест по теме «Свойства жидкостей»

«Управление общеобразовательной организацией:
новые тенденции и современные технологии»

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

1. Чем вызвано поверхностное натяжение?

А. Притяжением молекул поверхностного слоя к молекулам внутри жидкости.

Б. Отталкиваем молекул поверхностного слоя от молекул внутри жидкости.

В. Действием на молекулы жидкости силы тяжести.

2. От чего зависит коэффициент поверхностного натяжения жидкости?

А. Только от рода жидкости и наличия примесей.

Б. Только от температуры жидкости.

В. От рода жидкости, её температуры и наличия в ней примесей.

3. Динамическая вязкость жидкости зависит от…

А. только от температуры жидкости.

Б. только от давления жидкости.

В. от температуры и давления жидкости.

4. Единица поверхностного натяжения…

5. Если силы взаимодействия молекул твердого тела и жидкости больше сил взаимодействия между молекулами жидкости, то жидкость…

А. не смачивает твердого тела.

Б. смачивает твердое тело.

6. Подъем жидкости по тонким трубкам называется…

Б. капиллярным явлением.

7. При уменьшении плотности жидкости в 3 раз высота подъема жидкости по капилляру…

А. увеличится в 3 раза.

Б. уменьшится в 3 раза.

8. Если суммарное давление жидкости больше атмосферного, то жидкость…

А. поднимается по капилляру.

Б. опускается по капилляру.

В. не движется по капилляру.

9. В случае турбулентного течения…

А. каждый слой потока жидкости перемещается, не перемешиваясь с другими слоями.

Б. происходит образование вихрей и перемешивание различных слоев жидкости.

10. При нагревании жидкостей их вязкость…

1. Какую форму принимает жидкость в условиях невесомости?

А. Жидкость принимает форму сосуда, в котором находится.

Б. Жидкость принимает форму шара.

В. Определенного ответа дать нельзя.

2. Жидкость практически несжимаема потому что…

А. велико молекулярное давление.

Б. молекулы жидкости неподвижны.

В. очень велика динамическая вязкость жидкости.

3. В жидкостях между молекулами существует…

В. никакого порядка.

4. Силы поверхностного натяжения действуют в…

А. вертикальной плоскости.

Б. горизонтальной плоскости.

В. в любом направлении.

5. Поверхностное натяжение воды при 0С и 100С…

Б. различно, у воды при 100С больше.

В. различно, у воды при 0С больше.

6. У смачивающей жидкости мениск…

7. При увеличении в 2 раза радиуса капилляра высота подъема жидкости по нему…

А. увеличится в 2 раза.

Б. уменьшится в 2 раза.

8. Если суммарное давление жидкости меньше атмосферного, то жидкость…

А. поднимается по капилляру.

Б. опускается по капилляру.

В. не движется по капилляру.

9. В случае ламинарного течения…

А. каждый слой потока жидкости перемещается, не перемешиваясь с другими слоями.

Б. происходит образование вихрей и перемешивание различных слоев жидкости.

10. Коэффициент динамической вязкости зависит…

А. только от рода жидкости.

Б. только от температуры жидкости.

В. от рода жидкости и т её температуры.

Курс повышения квалификации

Дистанционное обучение как современный формат преподавания

Курс повышения квалификации

Педагогическая деятельность в контексте профессионального стандарта педагога и ФГОС

Курс повышения квалификации

Авторская разработка онлайн-курса

Ищем педагогов в команду «Инфоурок»

Номер материала: ДБ-1589158

Не нашли то, что искали?

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.

Учителя о ЕГЭ: секреты успешной подготовки

Время чтения: 11 минут

В Липецкой области начинающие педагоги получат 120 тысяч рублей

Время чтения: 0 минут

Учителя о ЕГЭ: секреты успешной подготовки

Время чтения: 11 минут

Учительница из Киргизии победила в конкурсе Минпросвещения РФ «Учитель-международник»

Время чтения: 2 минуты

Во всех педвузах страны появятся технопарки

Время чтения: 1 минута

В Минпросвещения рассказали о формате обучения школьников после праздников

Время чтения: 1 минута

Рособрнадзор разрешил провести ВПР по некоторым предметам на компьютерах

Время чтения: 0 минут

Подарочные сертификаты

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.

Источник

Жидкость практически несжимаема потому что

Физиологические проблемы глубоководных водолазных погружений связаны с воздействием на организм двух главных факторов: давления и искусственной дыхательной газовой среды (ДГС). Под их влиянием возникают «физиологические барьеры» проблемного уровня, которые человек должен преодолевать, поскольку они препятствуют погружению на большие глубины. Это – давление per se, плотность дыхательной газовой среды, нервный синдром высокого давления (НСВД), теплообмен организма со средой, обмен инертными газами между организмом и средой при компрессии и декомпрессии [1]. С таким комплексом воздействий на организм человек в своей обыденной жизни никогда не встречается. К действию высокого давления организм может быть устойчив, вероятно, в пределах проявления эффектов давления – изменения объемов биологических жидкостей и тканей, что не должно быть безразличным для организма. Адаптация к измененной газовой среде в условиях гипербарии возможна за счет компенсаторных физиологических реакций, которые также имеют ограничения. Но каковы эти пределы относительно человека, неизвестно. И стоит ли стремиться к достижению предельных глубин при развивающихся эффективных технологиях подводных наблюдений, исследований и работ с использованием глубоководных обитаемых аппаратов с нормальным давлением [2, 3], нормобарических жестких скафандров [4], необитаемых (телеуправляемых) подводных аппаратов и роботов [5, 6], которые способны работать на недоступных водолазу глубинах, но не могут в полной мере его заменить. Очевидно, что водолаз работать на предельной для него глубине не должен, но знать этот предел необходимо для установления предельно допустимой, то есть относительно безопасной, глубины.

Конечно, при погружениях достичь полной безопасности невозможно, доля риска есть всегда. Гипербарическая среда, особенно водная, по понятным причинам является враждебной для человека, что требует сведения к минимуму действия на организм комплекса опасных и вредных факторов, обусловленных повышенным давлением дыхательной смеси, водной иммерсией и водолазным снаряжением. Поэтому любые работы под водой в России законодательно отнесены к категории опасных, вредных и тяжелых видов труда [7]. При наличии допустимой степени риска должен быть и компромисс между этим риском и целесообразностью, эффективностью использования водолазных методов работы под водой независимо от целей погружений. Потребности и вековая практика выполнения подводно-технических работ водолазами это подтверждают. При погружениях в научных целях это было показано работами специалистов Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН начиная с 1960-х гг. [8–10]. Но это в пределах освоенных глубин, хотя потребности эффективной работы возрастают и на много больших глубинах.

Принципы построения методов и технологий водолазных погружений, особенно глубоководных, являются исключительно физиологическими, потому что они неизбежно связаны с воздействием на организм человека большого количества экстремальных факторов гипербарической дыхательной среды и ответными, специфическими для данных условий, реакциями организма [11]. Глубоководные спуски могут выполняться двумя методами: ограниченно по глубине – метод кратковременных погружений (КП), на любых доступных глубинах – метод длительного пребывания (ДП) под повышенным давлением [12].

Цель данной работы: на основе анализа эффектов действия гипербарической газовой и водной среды обосновать роль основных факторов в лимитировании глубины погружений водолазов и их работоспособности, дать прогноз допустимого предела глубины погружения с сохранением относительно нормальной жизнедеятельности.

В работе использованы основные отечественные и зарубежные литературные материалы, собственные экспериментальные данные автора и сотрудников, полученные при моделировании водолазных погружений в барокамерах наземных глубоководных водолазных комплексов (ГВК) на различные глубины с участием водолазов.

Анализ данных по проблеме показывает, что один из физиологических барьеров глубоководных погружений – давление per se – в диапазоне достигнутых человеком глубин (701 м в барокамере, 1992 г., Франция, фирма Comex – мировое достижение [13]) видимых препятствий погружению не создает, потому что это уже демонстрирует сам факт достижения данной глубины, которая выражается давлением в метрах водного столба. Но препятствует ли при этом само давление погружению по каким-то биофизическим и биохимическим параметрам, не известно. Механическое действие на организм давления не ощущается, если водолаз находится в газовой среде барокамеры. Это объясняется равномерностью распределения давления по всей поверхности тела, сбалансированностью внутреннего и наружного давления и несжимаемостью воды, из которой в основном состоят ткани организма. В водной среде гидростатическое давление на тело человека распределяется неравномерно. Разница давления на верхние и нижние участки тела при вертикальном положении человека приводит к перераспределению, отжатию, крови и лимфы по направлению снизу вверх. При работе водолаза в воде эффект разницы гидростатического давления выражается неприятным обжимом нижних частей тела водолаза при сжатии газовой прослойки в вентилируемом снаряжении или гидрокомбинезоне «сухого» типа. Но это не связано с абсолютным давлением на глубине.

Вероятно, что в пределах нескольких сотен метров, доступных водолазу для работы, погружению препятствует не само механическое давление, а факторы, обусловленные влиянием давления на измененную дыхательную газовую среду. Важно, что отрицательное действие этих факторов может купироваться изменением газового состава ДГС по инертному компоненту и режимами погружений. Однако это может быть лишь до определенной глубины, когда эффект сжатия биологических структур давлением незаметен. Это ограничено диапазоном давлений при погружениях 100–150 кгс/см2, при котором твердые образования (кости) и жидкие среды организма (кровь, лимфа, тканевая жидкость) практически несжимаемы [14]. По мере увеличения глубины погружения давление оказывает все более сильное воздействие на организм. Поскольку вода все-таки не является абсолютно несжимаемой (в Марианской впадине на глубине 11000 м вода сжата примерно на 4 %), воздействие высокого давления приводит к изменению межмолекулярных взаимодействий, конформационным изменениям, сжатию биологических жидкостей организма и тканей (изменению объема), деформации мембран клеток, а также нарушению метаболизма клеток и тканей [15]. В целом высокое давление является повреждающим фактором для живых клеток, что, в частности, выражается в нарушении биосинтеза белка и других клеточных биохимических и молекулярных процессов [16] и не может не сказаться на их функциональном состоянии. Но более чем сомнительно, что человек сможет приблизиться к глубинам, при которых в тканях организма под влиянием давления начнутся биофизические, биохимические и физико-химические изменения, выходящие за компенсаторные и приспособительные возможности организма. Это слишком большие величины давления, которые выражаются сотнями, а то и тысячами атмосфер. С другой стороны, имеются данные [17], согласно которым уменьшение объёма ткани организма при давлении 100 кгс/см2, соответствующем глубине 1000 м, не превысит 1 % с учетом сжимаемости тканей 10-4 см2/кгс. Это может частично компенсироваться в соответствии с принципом Ле-Шателье увеличением объема за счет растворенного инертного компонента дыхательной смеси и повышения температуры. Есть ли такая компенсация в реальных условиях погружения на 1000 м, неизвестно. Но 1 % сжатие ткани вряд ли следует считать ничтожно малым. Уменьшение под влиянием давления объема жидкой среды на 0,01 в живых системах – это немало. В жидкости молекулы и так находятся в «тесном строю», поэтому сжатие давлением может привести к их, хотя и весьма незначительной для 100 атмосфер, деформации и опосредованным влияниям на функции организма. Последнее может, в частности, выражаться нарушением у животных нормального электрического режима сердца и быть одной из причин развития гипербарической брадикардии под влиянием гидростатического давления на синусовый узел сердца [18].

Безотносительно эффектов давления и компенсаторных механизмов были получены факты пребывания людей в барокамере под давлением, эквивалентным глубине 500 м (Россия), 686 м (США), 701 м (Франция), приматов – 1000 м (Россия и другие страны), мелких животных – 1500–2000 м (Россия и другие страны). Но являются ли эти факты обнадеживающими для практического освоения таких глубин и означают ли они возможность поддержания функционального состояния организма на достаточном для жизнедеятельности уровне и отсутствие их влияния на отдаленные последствия?

По оптимистичным прогнозам специалистов в области физиологии гидростатического давления [19] достигнутое человеком давление 70 кгс/см2, безусловно, меньше безопасного физиологического предела, глубина погружения человека может составить 2000 м (200 кгс/см2). В целостном организме некоторые первичные молекулярные возмущения, вероятно, компенсируются и не вызывают неблагоприятных проявлений действия давления, хотя другие эффекты могут усиливаться и препятствовать преодолению давления. Однако следует учитывать, что этот прогноз был сделан порядка сорока лет назад на основе результатов фундаментальных исследований и без учета одновременного влияния на организм других, кроме давления, факторов. А такой подход к проблеме прикладного смысла не имеет. От действия плотности, парциальных давлений газовых компонентов в смеси и других физических и физиологических факторов уйти невозможно. А ведь именно от них зависит жизнедеятельность и работоспособность человека, которая определяет эффективность и вообще целесообразность спусков на различные глубины [20].

Таким образом, допустимый, но сомнительно, что вполне безопасный, физиологический предел давления per se, или глубины погружения водолаза, может составить свыше 70 кгс/см2 (700 м), потому что эта величина, хотя и в эксперименте, уже достигнута. Но более точно указать предел невозможно, пока не будет доказательств значимого для организма человека влияния давления в большем диапазоне глубин. На данном этапе развития проблемы можно предположить, что поскольку эффект давления может проявляться только через изменение молекулярного объема [19], допустимый предел давления должен ограничиваться величиной, ниже которой этого не происходит, то есть отсутствует практически значимое объемное сжатие жидких сред и тканей организма. Это приблизительно, как упоминалось выше, порядка 100 кгс/см2 (1000 м). Но по некоторым данным, полученным на эритроцитах крови человека in vitro [21], и такое давление смещает кривую диссоциации оксигемоглобина влево, что означает повышение сродства гемоглобина к кислороду, причем в зависимости от природы инертного газа (с азотом больше, чем с гелием). Это может быть одной из важных причин недостаточного снабжения тканей кислородом под влиянием высокого давления, но значение этого эффекта для практики переоценивать не стоит. В организме человека подтверждения этому in vivo нет. В противном случае РО2 могло бы стать фактором, лимитирующим глубину погружения, потому что для поддержания обеспечения тканей организма кислородом потребовалось бы повышение его парциального давления в дыхательной газовой среде, но это допустимо только в пределах его токсической величины [22].

Кроме давления, глубину погружения могут ограничивать и другие гипербарические и физиологические факторы, обусловленные давлением и газовым составом.

Действие наиболее выраженного гипербарического фактора плотности газовой среды, которая зависит от давления, приводит к изменению дыхательной функции организма (механика дыхания, альвеолярно-артериальный газообмен), что отражается на доставке и потреблении кислорода, выведении СО2 из организма [23]. Наибольшие сдвиги в функции внешнего дыхания и газообмена происходят при физических нагрузках. Это сказывается на физической работоспособности.

Экспериментально установлено, что при повышении плотности дыхательной среды сопротивление дыханию возрастает, но не прямо пропорционально, а в меньшей зависимости от плотности, что связано с изменением режима дыхания. При этом потребление кислорода увеличивается. Это дополнительное потребление кислорода направлено в основном на обеспечение усиленной работы дыхательной мускулатуры [23]. При тяжелой физической нагрузке это может привести к перераспределению дополнительно потребляемого кислорода почти целиком в пользу обеспечения вентиляции легких, уменьшению его доставки для обеспечения полезной работы и снижению физической работоспособности. Однако на осваиваемых человеком глубинах энергетических пределов для вентиляции нет. В материалах пятого международного симпозиума по подводной физиологии 1976 г. в США были представлены результаты исследований К. Ламбертсена (C. Lambertsen), который пришел к выводу, что, несмотря на большое снижение максимальных дыхательных потоков при плотностях до 25 г/л, при дыхании кислородно-неоновой смесью под давлением 37 кгс/см2, не должно быть ограничений вентиляторной функции человека, которые препятствовали бы погружению на 1520 м с использованием для дыхания кислородно-гелиевой смеси и на 3040 м – кислородно-водородной смеси.

Уникальные эксперименты в барокамере [24] при еще больших величинах плотности кислородно-неоновой дыхательной среды (32,5 г/л при давлении 41 кгс/см2), в 27 раз превышающей плотность воздуха при нормальном давлении, показали, что человек и в таких условиях способен дышать и даже сохраняет возможности для выполнения легкой физической работы. А такая плотность, по расчетам автора, эквивалентна глубине примерно 2000 м при дыхании кислородно-азотно-водородно-гелиевой смесью. При меньших величинах плотностей (7–20 г/л) человек выполнял работу средней тяжести, что позволило бы погружаться на глубины до 1000 м при дыхании кислородно-азотно-гелиевой смесью. Показана также возможность выполнения работы предельной тяжести в газовой среде с плотностью до 10 г/л при сохранении уровня максимального потребления кислорода (МПК), что является наиболее надежным критерием физической работоспособности. Аналогичные результаты были ранее получены и нами при тестировании работоспособности в барокамере по максимальному потреблению кислорода на имитированных глубинах 100 и 200 м. Сохранение МПК на исходном уровне достигается, несмотря на 20–25-процентное снижение легочной вентиляции, за счет повышения использования кислорода из вдыхаемой смеси. Это указывает, по крайней мере, на сохранение эффективности газообмена в условиях гипербарии до 21 кгс/см2. Следует отметить, что физическая работа в основном средней тяжести и тяжелая в условиях повышенной плотности почти всегда выполняется на фоне сниженной вентиляции легких и повышенного парциального давления СО2 в альвеолярном газе и в артериальной крови. Причем вентиляция в абсолютных величинах снижается тем больше, чем тяжелее физическая нагрузка. Причина этого, возможно, связана с утомлением дыхательной мускулатуры из-за повышенного сопротивления и работы дыхания. Одной из причин является и сжатие дыхательных путей на выдохе (бронхиальный коллапс) на уровне субсегментарных отделов бронхов при вентиляции во время работы. Это происходит вследствие образования при повышенной плотности разницы давлений внутри и снаружи бронхов [23]. В результате усугубляется и без того отрицательный эффект повышенного сопротивления дыханию, обусловленный плотностью.

Фактор плотности дыхательной среды не только увеличивает нагрузку на дыхание, но и оказывает опосредованное влияние на деятельность сердечно-сосудистой системы и функцию кровообращения. Нами установлено, что минутный объем кровообращения (МОК) при плотностях кислородно-азотно-гелиевых смесей до 6,4 г/л при дыхании в барокамере на имитированных глубинах до 300 м (31 кгс/см2) в покое практически не изменяется. Во время физических нагрузок до 900 кгм/мин МОК увеличивается на 10–20 % за счет увеличения ударного объема крови [23]. Этим поддерживается уровень потребления кислорода во время физической работы при повышенной плотности, но за счет большей нагрузки на сердце. Можно считать, что значение МОК, как фактора лимитирующего потребление кислорода, в частности МПК, в условиях гипербарии сохраняется или даже повышается.

В условиях высокой плотности (32,7 г/л при давлении 41 кгс/см2 в кислородно-неоновой среде) выявлен важный феномен – осцилляции дыхательных потоков в бронхах на фоне снижения скоростей форсированного дыхания [25]. Эти осцилляции соответствуют частотам физиологического тремора. Осцилляторный режим дыхания в таких условиях является более выгодным, поскольку помогает поддерживать уровень легочного газообмена за счет лучшего смешивания газов в альвеолах и меньшего расхода энергии на дыхание.

Повышенная плотность газовой смеси оказывает влияние на скорость диффузии в ней газовых компонентов, что, казалось бы, должно иметь определенное значение для газообмена через альвеолярно-капиллярную мембрану. С увеличением плотности диффузия в соответствии с законом Грэма должна замедляться и приводить к нарушению газообмена на больших глубинах. Однако наши и другие исследования, проведенные при различных давлениях в барокамере и плотностях ДГС, эти предположения не подтвердили. Человек способен выполнять работу средней тяжести и тяжелую в большом диапазоне глубин при дыхании смесями с парциальным давлением кислорода (РО2), близким к нормальному. В таких условиях РО2 в артериальной крови находится в зависимости от РО2 во вдыхаемой смеси. Умеренное снижение легочной вентиляции при повышенной плотности не влечет за собой существенного нарушения кислородного режима организма. Но это приводит к задержке удаления СО2, хотя уровни гиперкапнии при этом для организма не критичны.

Наглядно демонстрируют возможность дыхания средой экстремально высокой плотности эксперименты с жидкостным дыханием животных. В нашей лаборатории было показано (А.В. Уваров), что лабораторные животные (кошки) способны в течение часа дышать жидкостью (перфторорганические соединения) с РО2 в среднем 562 мм рт. ст., плотность которой в 1600 раз выше плотности воздуха. При этом вентиляция легких постепенно снижалась и к 60-й минуте дыхания снижение доходило до 70 %, что свидетельствует об утомлении дыхательной мускулатуры и приводит к большим сдвигам в альвеолярно-артериальном газообмене – гиперкапния и неявно выраженная гипоксемия. Но сам факт преодоления такой плотности не вызывает сомнений.

Все эти экспериментально выявленные эффекты плотности опровергают мнение некоторых авторов, что плотность дыхательной среды устанавливает предел по глубине погружения [26]. Непреодолимой плотности в реально доступном диапазоне глубин для человека нет. Он, как было показано выше, мог бы дышать, по крайней мере в покое и при легкой работе, газовой смесью на основе водорода-гелия-азота при плотностях, имитирующих глубины до 2000 м, на основе водорода – до 4000 м.

Одним из важнейших физиологических барьеров, который может препятствовать достижению больших глубин, является комплекс неврологических расстройств, или нервный синдром высокого давления (НСВД) [17]. Эти расстройства у человека могут проявляться как при кратковременных погружениях, так и при погружениях методом ДП. Они становятся явными, начиная с глубин 100–200 м, и небезопасными на глубинах 250–300 м и более при дыхании кислородно-гелиевыми смесями. Такие смеси, кстати, в настоящее время при глубоководных погружениях редко применяются, за исключением КП в ограниченном диапазоне глубин (в России от 160 до 200 м) и выхода в воду для работы из условий ДП в барокамере водолазного комплекса. Клинически эти явления выражаются в появлении ряда признаков, прежде всего: тремор (дрожание рук, наиболее заметно в кистях), нарушение мышечной координации, сонливость с возможными периодами микросна, снижение внимания, нарушение равновесия, головокружение, тошнота, спутанность сознания и другие проявления. Эти признаки определяются в большей степени режимом компрессии, чем увеличением глубины погружения. Признаки НСВД проявляются не только при действии давления кислородно-гелиевой среды, но и при использовании смесей на основе водорода, неона и других газов, и даже при жидкостном дыхании у животных. Различия имеются лишь в пороговых величинах давления, при которых эти признаки проявляются.

Большое значение имеет зависимость появления и тяжести НСВД от скорости и профиля компрессии. С увеличением глубины спуска необходимо все большее снижение скорости компрессии с выдержками на остановках. Это дает эффект, но за счет больших затрат времени. Однако для спусков на глубину 300 м в России разработана методика быстрой компрессии, за 30–40 мин, в отличие от многочасовой при спусках на большие глубины. Эта методика основана на подборе состава ДГС и его изменения при компрессии, что позволяет избежать проявления у водолазов НСВД в этом диапазоне глубин [27].

Для купирования НСВД в кислородно-гелиевую смесь добавляется азот, который является наркотичным газом и антагонистом гелия в условиях высокого давления. Не вдаваясь в детали имитированного погружения с использованием такой смеси, отметим, что в США глубины 650 и 686 м были достигнуты (Дьюкский университет, 1981 г.) при содержании в смеси 10 % азота, что, конечно, существенно повышает плотность ДГС. Но в таких условиях выраженных признаков НСВД не наблюдалось, испытуемые могли выполнять даже тяжелую работу (240 вт, или 1440 кгм/мин) на велоэргометре. Но это не означает, что профилактика НСВД может ограничиться азотом. Перспективу имеют и другие газы, и фармакологические препараты с анестетическими свойствами.

В отличие от физиологического барьера, связанного с плотностью, которая, как было показано выше, преодолевается человеком в большом диапазоне глубин, предел глубины, определяемый нервным синдромом высокого давления, для человека неизвестен. И хотя симптоматика НСВД у человека и животных мало чем отличается, у животных при давлениях 70–100 кгс/см2 наблюдаются судороги и конвульсии, чего у человека не выявлено. Но он и не погружался на глубины, соответствующие этому диапазону давлений. Предполагается, что этиология этого синдрома в большой степени связана с давлением per se. Если это так, то НСВД может стать серьезным фактором, лимитирующим глубину погружения. Но этот предел, вероятно, может быть отодвинут, поскольку НСВД поддается купированию вышеупомянутыми методами, включая и выбраковывание водолазов, более подверженных неврологическим расстройствам при глубоководных погружениях.

Не менее важной проблемой для глубоководных погружений является теплообмен человека в газовой и водной средах. Это связано с тем, что в первом случае с повышением давления комфортная температура среды закономерно повышается, приближаясь к температуре тела, а зона температурного комфорта сужается [23, 28]. В водной среде высокая теплопроводность гелия, как основного компонента дыхательной смеси, является причиной того, что уже на глубинах порядка 200 м потеря тепла водолазом близка к его продукции при метаболизме. Для компенсации больших теплопотерь необходимы системы искусственного обогрева водолаза. Но даже при их использовании на больших глубинах теплопотери через дыхательный тракт при работе в воде столь велики, что поддержание теплового баланса путем обогрева только поверхности тела недостаточно, требуется еще и обогрев дыхательной смеси. Но это уже техническая проблема, которая, можно считать, решена и серьезным барьером для погружений в настоящее время не является. Созданы эффективные системы жизнеобеспечения водолазов для глубоководных водолазных комплексов, водолазное снаряжение (дыхательные аппараты и гидрокомбинезоны с системами обогрева), обеспечивающие соблюдение физиолого-гигиенических требований в части поддержания теплового баланса при глубоководных погружениях.

Проблема обмена инертными газами между организмом и дыхательной средой при компрессии и декомпрессии – это проблема выхода с глубины на поверхность с минимальными рисками. Поэтому она прямо не относится к физиологическим барьерам погружений, хотя без её решения никакие глубоководные водолазные спуски невозможны.

Основные факторы, которые являются «физиологическими барьерами», устанавливающими предельную глубину погружения – это давление per se и нервный синдром высокого давления. Допустимый предел давления должен ограничиваться величиной, ниже которой отсутствует практически значимое объемное сжатие жидких сред и тканей организма. Это приблизительно на уровне 100 кгс/см2 (1000 м).

В диапазоне меньших глубин, когда эффект сжатия биологических структур давлением незаметен, погружение лимитируется факторами, обусловленными влиянием этого давления на измененную дыхательную газовую среду. Но действие этих факторов купируется режимами погружений, газовым составом ДГС, тепловыми режимами.

Экспериментальные факты дыхания человека и животных в условиях чрезвычайно больших величин плотности убеждают, что непреодолимой плотности в реально доступном диапазоне глубин для человека нет. Он мог бы дышать газовой смесью на основе гелия или водорода-гелия-азота при плотностях, соответствующих глубинам примерно до 2000 м, на основе водорода – до 4000 м. Однако погружения человека на такие глубины, наверное, невозможны, и прежде всего в связи с отрицательными влияниями давления.

Предел глубины, обусловленный НСВД, не установлен, так как этот физиологический барьер преодолевался в диапазоне достигнутых человеком глубин. Но если этиология этого синдрома связана с эффектами давления, то НСВД может стать серьезным фактором, лимитирующим глубину погружения. В любом случае предел глубины должен устанавливаться по наименьшей глубине, на которой начинают проявляться отрицательные эффекты какого-либо действующего на организм фактора.

Реальный предел по глубине для погружений человека будет определяться не только давлением и НСВД, но и социально-экономическими причинами, связанными с высоким риском и стоимостью обеспечения погружений методом длительного пребывания под повышенным давлением. Эффективность погружений на сверхбольшие глубины (1000 м и более) в любом случае невысока в связи с длительностью компрессии и особенно декомпрессии (в среднем порядка 3 сут на каждые 100 метров). Если бы даже давление и НСВД не препятствовали бы погружению на глубины 1000 и 2000 м, длительность только декомпрессии с таких глубин составила бы примерно 30 и 60 сут, что вряд ли приемлемо для водолазной практики.

Работа выполнена в рамках государственного задания ИО РАН (тема № 0149-2019-0012).

Источник