Правда ли, что гелий – холодный газ?
Материалы с сайта www.tdisdi.com
Текст: João Neves & Christian Thomas
Перевод: Татьяна Никитина, SDI Deep Diver, менеджер дайвинг-клуба «Дайвинг Всем»
Я удивился, когда недавно обнаружил, что в сообществе дайверов все еще существует мнение, что гелий – холодный газ для дыхания. Поэтому я подумал, что следует вновь и более подробно исследовать эту тему.
Итак, гелий – холодный он или нет? Это зависит от того, как его использовать. Я надеюсь, что прочтя этот маленький текст (маленький по сравнению с другими объемными работами на эту тему), вы сделаете обоснованные выводы.
Давайте начнем с некоторых определений, которые помогут нам на этом пути.
Терморегуляция
Птицы и млекопитающие – теплокровные, это означает, что их температура тела достаточно высока и не зависит от окружающей среды. У человека температура на поверхности тела 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 расширяются, чтобы увеличить поверхность соприкосновения с внешней средой, работая как радиатор автомобиля. Выделяется пот, который испаряется с поверхности кожи и охлаждает ее. Дыхание становится более интенсивным, чтобы избавиться от избыточного жара через легкие.
Когда температура снижается (гипотермия), сосуды сужаются, чтобы снизить потери тепла через кожу. В результате этого вся жидкость перемещается к внутренним органам. Это влечет за собой негативный побочный эффект: усиление диуреза, и, как следствие, обезвоживание. Тело концентрируется на обогреве внутренних органов и сводит к минимуму теплообмен с внешней средой. Метаболизм и дыхание усиливаются, чтобы производить больше тепла для компенсации теплопотерь. Термогенез достигает пика через 15-20 минут. 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 активирует терморецепторы на коже, которые запускают защитные механизмы терморегуляции: гипервентиляцию, сильную дрожь и сужение сосудов. При очень низких температурах может случиться обморок и дыхательная недостаточность. Эта неврологическая реакция запускается, даже если внутренняя 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 ядра. А другие психофизиологические реакции и экстренное производство энергии запустятся далеко не сразу.
Когда термогенез перестанет справляться с тепловыми потерями, температура начнет падать. Дайвер не чувствует этого и поэтому не знает о медленном наступлении опасной гипертермии.
Когда температура ядра достигнет 36°, реакции и мышление человека будут замедлены и ошибочны, продолжать погружение в таком состоянии опасно. Кроме того, радикальные физиологические изменения будут мешать нормальному выведению инертных газов из тканей организма, повышая риск возникновения ДКБ.
Потери тепла
Итак, мы уже поняли, что поддержание температуры тела – жизненная необходимость в техническом дайвинге. Как опытный дайвер, вы понимаете, что любой фактор, так или иначе влияющий на циркуляцию крови, может привести к повышенному риску возникновения ДКБ. Гипотермия ведет к сужению сосудов, снижая количество крови, циркулирующей через ткани на периферии, и, соответственно, затрудняя выведение из них инертных газов. Таким образом, контроль своего состояния для техно-дайвера имеет особо важное значение, поскольку с глубиной потери тепла и риск гипотермии значительно возрастают.
Теперь поговорим о путях, 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 (перенос тепла движением жидкости/газа)
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 регулятор давление газа резко снижается. На глубине 80 м в начале донного времени, давление донного газа уменьшается с 200 бар до 19 бар в первой ступени, и с 19 до 9 бар во второй при каждом вдохе. При резком охлаждении температура газа падает 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 становится вода, тем больший объем газа вы потребляете, тем холоднее становится 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, характерная для гипотермии и нацеленная на то, чтобы уменьшить теплопотери, вовремя активирована не будет.
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.
В состоянии покоя 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 глубине 80 м объем потребляемого газа возрастает в 9 раз по сравнению с поверхностью. Это значит, что на глубине вы теряете тепло через легкие 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 опасности таких теплопотерь, поэтому используют внешние источники подогрева газа. Но на случай прерывания подачи газа, разрыва шланга или другого подобного инцидента им нужен запасной экстренный источник дыхательной смеси. Неожиданный вдох более плотного очень холодного газа может привести к фатальной психоневрологической реакции – удушью из-за сужения глотки. Поэтому использование аппаратов открытого цикла в качестве дублирующих в таком случае не рекомендуется. На глубинах от 150 метров и более нужны аппараты замкнутого цикла, подающие на вдох теплый и влажный газ.
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. Промежуточное давление будет расти, и открытая вторая ступень встанет на free flow. Самое лучшее – быстро перекрыть баллон. У вас есть около минуты 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 вероятно замерзание регулятора. Будьте предельно внимательны к фильтрам в компрессоре, когда готовите тримиксную смесь!
Увлажненный газ просто не может использоваться на больших глубинах в акваланге, поэтому нашему организму приходится увлажнять его в легких. 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 одной из основных причин обезвоживания – важного фактора, способного спровоцировать ДКБ.
Совет: дыхание через двухметровый шланг регулятора снизит тепловые потери при дыхании. Фактически температура будет на несколько градусов выше, чем при дыхании из шланга обычной длины, в зависимости от температуры воды. Того времени, что воздух находится в длинном шланге до вдоха, достаточно, чтобы он успел забрать некоторое количество тепла из окружающей воды. Так что дайверам, ныряющим с двумя независимыми баллонами, можно посоветовать использовать 2-метровые шланги на каждом из регуляторов.
Общие потери тепловой энергии при дыхании
Какова доля потерь тепла при дыхании в общей теплопотере во время глубоких погружений? И насколько гелий в дыхательной смеси усугубляет эти потери за счет своей высокой теплопроводности? Давайте посчитаем.
Энергия, используемая для того чтобы нагреть вдыхаемый газ, пропорциональна массе газа и зависит от свойств газа. Чем глубже идет дайвер, тем больше масса газа, которую надо нагреть.
Формула такова:
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
Газу с высокой теплоемкостью (далее Ср) требуется больше энергии, чтобы нагреться до заданной температуры и, соответственно, он отдает больше энергии при остывании остыть, причем всё это занимает больше времени. Поэтому он будет лучшим теплоизолятором. 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 одинакова 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, т.е. гелиоксом (радикально, но это только чтобы доказать мою точку зрения) и третий – с тримиксом.
Пример 1: У дайвера расход газа при дыхании 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 с гелиоксом 10/90, температура воды 2ºC. Теплоемкость смеси (0,10 x 1,31) + (0,90 x 0,93) = 0,97 Вт/1ºC. Каковы 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 с тримиксом 16/40 при температуре 2ºC. Теплоемкость смеси (0,16 x 1,31) + (0,40 x 0,93) + (0,44 x 1,31) = 1,16 Вт/1ºC. Каковы будут потери тепла?
Потери тепла = 1,16 x 0,8 (38 – 2) x 20 x (9/60) +10 = 110 Вт
К каким выводам вы пришли?
Первый вывод очевиден. При дыхании гелий охлаждает не больше, чем азот. Удивлены? Однако гелий будет ощущаться холоднее, так как рот и горло имеют множество терморецепторов. Но ему требуется меньше энергии, чтобы нагреться, чем более плотным газам, таким как азот и кислород. С другой стороны вы замерзнете сильнее, если будете использовать его для поддува костюма, так как он будет быстро нагреваться от тепла вашего тела и также быстро отдавать это тепло окружающей вас воде.
Второй вывод сделать сложнее. Теплопотери 110 Вт – это много или мало?
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. Распределяется она примерно так:
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. Эта энергия производится благодаря возросшей 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
Такой уровень выработки тепловой энергии не может поддерживаться долго. После двух 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 гелиокс в нашем примере 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 мы ведь не забыли о потере тепла через кожу, верно?
Тепловые потери через кожу
Тепло нашей кожи нагревает газ внутри костюма через радиацию и кондукцию. Конвекция перемещает тепло туда, где оно быстрее выйдет из костюма. Это ставит очень трудную задачу для расчета, так как нет двух абсолютно одинаковых поддёв, и нет двух абсолютно одинаковых человек с равным весом и идентичным количеством подкожного жира. Однако мы можем попытаться сделать грубый расчет, чтобы было, на что опираться при выборе термозащиты.
Проводимость играет более значимую роль в передаче тепла через костюм. Закон Фурье гласит, что количество тепловой энергии, переходящей от горячего тела к холодному, разделенным 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 лучше теплоизоляционные свойства разделяющего слоя. Если мы примем, что горячее тело Т1 – это мы, а холодное тело Т2 – это 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 1-го слоя
H2: теплопроводность 2-го слоя
H3: теплопроводность 3-го слоя
Примеры значений теплопроводности для различных изолирующих слоев:
Воздушная прослойка = 8
Переферийный слой жира (крупное телосложение) = 15
Переферийный слой жира (нормальное телосложение) = 30
Переферийный слой жира (худое телосложение) = 50
Прилегающий слой воды (почти неподвижный) = 70
Прилегающий слой воды (умеренное течение) = 300
Полипропилен горный 1й слой = 400
Флис толщиной 10 мм = 7
Флис толщиной 7,5 мм = 10
Флис толщиной 5 мм = 14
Флис 10 мм + аргон = 4
Флис 10 мм + гелий = 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. Мокрый гидрокостюм можно считать как дополнительный слой жира, поскольку, если он плотно прилегает к телу, то имеет аналогичное значение теплопроводности.
Поддёвы из некоторых материалов не препятствуют сильной конвекции и поэтому имеют высокую теплопроводность. Чем сильнее ограничена циркуляция газа, тем лучше термоизоляционные свойства. Отведение пота от тела не позволяет ему испаряться в контакте с кожей, что уменьшает дальнейшее охлаждение. Есть материалы, которые созданы именно для этого. Но обратите внимание, что и другие слои поддёвок должны тоже проводить эту влагу, чтобы она осела конденсатом на внутренней поверхности костюма. Некоторые утеплители имеют непроницаемые внешние оболочки, которые препятствуют этому, и внутренние волокна насыщаются конденсированной влагой, теряя свои изоляционные свойства.
Теперь мы можем рассчитать теплопотери для дайвера из нашего примера.
Предположим, что его рост 1,75 м и вес 72 кг. Он использует сухой костюм из триламината и 7,5 мм флисовую поддеву. Костюм он поддувает воздухом. Температура воды 2ºC*, течение умеренное, 1,5 узла. Каковы ожидаемые потери тепла через кожу?
(*примечание переводчика: В оригинальном тексте приводится расчет для погружения в воде 10°С, что не соответствует начальным условиям первого примера).
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:
- во время 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.
Что нам дают все эти расчеты?
Исследования показали, что снижение внутренней температуры тела может быть рассчитано по формуле:
охлаждение (ºC/час) = (теплогенез – термопотери) / вес тела
Итак, внутренняя температура тела дайвера весом 72 кг снизится на 1ºC всего за 53 минуты. Обычное погружение на тримиксе длится значительно дольше. Снижение температуры ядра даже на 1ºC может стать причиной замедленного мышления, потери ориентации, рассогласованности движений, апатии, дрожи и учащенного дыхания. Всё это вполне реальный сценарий, и это действительно происходит, но организм будет реагировать на понижение температуры повышением метаболизма – чтобы поддержать внутреннюю температуру на уровне 38ºC. Впрочем, мы также знаем, что он не сможет генерировать энергию очень долго – может быть, еще час или меньше.
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, что гипотермия имеет свойство накапливаться, а повторяющиеся ежедневные тепловые потери приводят к неспособности тела сопротивляться холоду.
И, наконец, подумайте о последствиях поломки сухой молнии или разрыва обтюратора во время погружения. В затопленном костюме ваша термоизоляция будет просто нулевой. Если вы используете толстый, плотно облегающий неопреновый сухой костюм, в случае затопления он будет функционировать как обычный мокрый 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» по сравнению с воздухом, когда речь идет о дыхании из регулятора. Это хорошая новость.
Еще лучше то, что, погружаясь с ребризером, вы теряете через легкие еще меньше тепла. Но это тема для отдельного разговора.
Погружайтесь тепло, погружайтесь безопасно!
