www.Web-Dive.com
Química e Física do
Mergulho - Parte II
Este artigo é o segundo e último artigo de dois que dedicámos ao tema da Física e Química
no mergulho..
Flutuabilidade
A força responsável pela flutuabilidade dos objectos tem o nome de Impulsão. Impulsão
pode ser descrita por uma força vertical com sentido de baixo para cima exercida em todos
os objectos submersos total ou parcialmente num fluído. Arquimedes foi o primeiro a explicar
este fenómeno.
Princípio de Arquimedes
Qualquer objecto total ou parcialmente imerso num fluido sofre uma força de impulsão de
baixo para cima igual ao peso do fluido deslocado pelo objecto.
Este princípio é válido para todos os
objectos e todos os fluidos; no mergulho,
o fluído é a água. Contudo a diferença de
densidade da água pode ser relevante
na flutuabilidade de do mergulhador. A
densidade da água doce é de 1
(densidade da água pura) e em média a
da água salgada é de 1,03, sendo esta a
razão para que mergulhadores precisem
de mais lastro em água salgada do que
em água doce.
A tendência de um corpo flutuar ou
afundar na água é conhecido por
gravidade específica. A gravidade
específica da água pura é 1. Se a
gravidade específica de um corpo for
superior a 1, esse corpo tem
flutuabilidade negativa, se for igual a 1
tem flutuabilidade neutra, e se for inferior
a 1 terá flutuabilidade positiva.
O conceito de flutuabilidade pode ser
usado utilizado para resolver problemas
práticos encontrados no mergulho. Se
um mergulhador necessitar de recuperar
um objecto do fundo do mar?
Supondo que um objecto pesa 100 Kg
fora de água e tem um volume de 20 l.
Estando este objecto submerso em água
do mar (densidade 1,03) Para que o
objecto atinja flutuabilidade neutra, é
necessário exercer uma força de 100 Kg
– (20 l x 1,03) = 79,4 Kg. Para que o
balão exerça uma força de 79,4 Kg é necessário que este esteja cheio com 79,4 Kg / 1,03 =
77,1 litros de ar para deslocar o mesmo volume de água.
Pressão
Pressão é o termo utilizado para descrever a força exercida sobre uma unidade de área.
Matematicamente é expressa como P = F / A onde P é a pressão, F a força exercida e A a
área onde a força foi exercida.
Experiência de Torricelli
Torricelli, um matemático Italiano, pensou que se a atmosfera envolvia tudo e se a
humanidade vivia por baixo de todo um “Mar de Ar”, então que o corpo tinha de estar sob
uma pressão constante.
Para determinar o valor dessa pressão, ele
realizou uma experiência baseada num tubo
selado de mercúrio invertido demonstrou que
uma atmosfera tinha pressão suficiente para
prensar 760 milímetros de mercúrio. Esta
experiência confirma que o ar tem peso e
pressão. Mais tarde Pascal, demonstrou que
a pressão exercida pela atmosfera ao nível
do mar era equivalente a cerca de 10 metros
de água do mar.
Quando um corpo se encontra submerso,
existem dois tipos de pressão a exercer
força sobre ele, o peso da atmosfera sobre a
água e o peso da coluna de água sobre o
corpo.
Pascal demonstrou que a pressão exercida
pela atmosfera ao nível do mar é equivalente
à pressão exercida por aproximadamente
10m de profundidade de água do mar. Como
a pressão da água é o peso da água por
unidade de volume, é fácil demonstrar isso.
Um litro de água do mar pesa 1,03 Kg, num
volume de 1000 cm3 (cubo de 10 cm x 10
cm x 10 cm). A base do cubo, onde a pressão é exercida é de 100 cm2 (10 cm x 10 cm).
Logo a pressão exercida é de 1,03 Kg / 100 cm2 = 0,0103 Kg / cm2. Para converter esta
pressão por um metro de coluna de água, multiplica-se por 10 (1m = 100cm; 100cm / 10 cm
= 10) logo temos 0,103 Kg/cm2 de pressão por metro de profundidade. Como a atmosfera
exerce 1,03 Kg / cm2, logo precisamos de 1,03 Kg/cm2 (1 atmosfera) / 0,103 Kg/cm2 (por
metro) = 10 m de profundidade para atingirmos uma pressão igual à atmosférica.
Pressão e Líquidos
Todas as matérias são compressíveis sob uma determinada pressão. Com as pressões
atingidas pelo mergulho recreativo, a água é considerada incompressível. Uma vez que o
corpo humano é composto maioritariamente por água, o mergulhador apenas sente a
pressão nos espaços aéreos do corpo.
Durante a descida, a pressão da água aumenta a uma taxa de 1 bar por cada 10m de
profundidade. Uma vez que a água é incompressível, esse valor mantém-se constante em
todas as profundidades. Por exemplo para determinar a pressão a 30m de profundidade no
mar: 30 m / 10 m = 3 bar; 3 bar (pressão água) + 1 bar (pressão atmosférica) = 4 bar.
Gases
Muitos elementos existem como gás na sua forma natural. Como os gases se misturam
facilmente, na natureza, estes encontram-se misturados em vez de isolados. Na Terra, a
mistura de gás mais comum é o ar, composto por nitrogénio, oxigénio, árgon, dióxido de
carbono, néon, hélio, crípton, hidrogénio, xénon, rádon e monóxido de carbono entre outros.
Contudo muitos destes existem em porção muito pequenas que normalmente são
desprezados.
Os gases que afectam o mergulho são o oxigénio, nitrogénio, dióxido de carbono, monóxido
de carbono, hélio, hidrogénio, árgon e néon. Em condições normais, a composição do ar é
uniforme e composto por:
Tendo em conta estes valores, normalmente o ar é tratado como sendo composto por 79%
de nitrogénio e 21% de oxigénio.
Comportamento dos Gases
A Lei Geral dos Gases é expressa matematicamente por PV = nRT onde P é a pressão
absoluta; V é o volume; n é o número de moles; R é a constante universal dos gases (8,314
Joules/ºK); e T a temperatura absoluta. Desta simples lei, derivam a Lei de Boyle e a Lei de
Charles, que serão explicadas seguidamente.
Lei de Boyle
A experiência de Boyle envolve um tudo de vidro em forma de U fechado numa extremidade
e aberto na outra. Nesse tubo foi colocado mercúrio até atingir o mesmo nível em ambos os
lados. A pressão na extremidade fechada é igual à pressão atmosférica exercida no lado
aberto. Posteriormente foi adicionado mercúrio com o objectivo de reduzir o volume do lado
fechado para metade, tendo sido necessário adicionar 76 cm de mercúrio.
O que foi Boyle demonstrou com esta experiência, foi que se a temperatura se mantivesse
constante, o volume de um gás é inversamente proporcional à pressão absoluta, ou seja,
que se a pressão for aumentada o volume diminui proporcionalmente e vice-versa.
A relação constante entre o volume e a pressão pode ser utilizada para determinar novos
volumes a diferentes profundidades / pressões. Matematicamente a Lei de Boyle expressase por P x V = K; P1 x V1 = K = P2 x V2. Enquanto a pressão e o volume do gás são
inversamente proporcionais, a pressão e a densidade de um gás são directamente
proporcionais.
A relação da densidade é
similar ao que foi demonstrado
com o volume. A 2 atmosferas,
um determinado volume de ar
tem o dobro da densidade do
que à superfície. Sendo esta a
razão pela qual o mergulhador
usa o ar da garrafa mais
rapidamente
com
a
profundidade. A quantidade de
moléculas de ar inspiradas a 2
atmosferas é o dobro das
inspiradas à superfície.
A Lei de Boyle tem inúmeras aplicações no mergulho. Durante todos os mergulhos, os
mergulhadores lidam com espaços de ar como BCDs, garrafas, fatos secos, mascaras e
espaços aéreos corporais. Até as pequenas bolhas que constituem os fatos de molhados são
comprimidas e expandidas de acordo com esta lei.
Lei de Charles
A experiência de Boyle levou em conta o Volume e a Pressão, mas não explica o que
acontece com uma terceira variável, a Temperatura.
Através da experimentação, Charles, descobriu que a pressão de um gás se mantinha
constante dentro de um recipiente e que o volume aumentava se a temperatura aumentasse.
Matematicamente a Lei de Charles expressa-se como P x V = K x T, onde P é o pressão, V o
volume, T é a temperatura e K uma constante. Tal como a Lei de Boyle pode ser modificada
para alterações de P / V / T, ficando P1 x V1 / T1 = K = P2 x V2 / T2.
Altitude e Mergulho
Mergulhar em altitude requer considerações especiais. A pressão do ar em altitude é inferior
do que ao nível do mar, uma vez que existe uma coluna de ar inferior sobre o nosso corpo.
Este facto afecta a Lei Geral dos Gases e por consequência as tabelas de mergulho.
Para calcular a pressão absoluta em metros do nível do mar, pode-se usar a seguinte formula
P(msw) = 10 x 2,178^(-0,038 x A / 305) ou utilizando uma simplificação subtraindo 0,035
atmosferas por cada 300m de altitude.
Lei de Dalton
Dalton foi a primeira pessoa a estudar o comportamento individual de um gás presente numa
mistura de gases como o ar. De uma forma sumária, a Lei de Dalton diz que “A pressão total
exercida por uma mistura de gases é igual à soma da pressão de cada gás, que compõe a
mistura, individualmente. Cada gás actua como se estivesse isolado a ocupar o volume total”.
Por outras palavras, o que Dalton quis dizer é que cada gás numa mistura gasosa actua
independentemente dos outros.
A pressão individual exercida por um componente da mistura é proporcional ao número de
moléculas do gás dentro da mistura. Essa pressão individual é referida com Pressão Parcial
(pp). Matematicamente a Lei de Dalton expressa-se por Ptotal = ppA + ppB + ppC + ... e ppA
= Ptotal x %Volume A. Se aplicarmos a Lei de Dalton à mistura do ar (1% CO2, Dióxido de
Carbono; 79% N2, Nitrogénio e 20% O2, Oxigénio), a pressão parcial dp N2 a 40m de
profundidade é:
Ptotal = 5ata (40 / 10 = 4 + 1 = 5ata)
ppN2 = 5 x 0,79 = 3,95 ata
ppO2 = 5 x 0,20 = 1 ata
Com estes valores em mente, facilmente percebemos que fisiologicamente respirar ar a 5 ata
é equivalente a respirar O2 puro à superfície. Deve-se ter em conta esta relação
principalmente quando estamos a falar de gases tóxicos, como por exemplo o CO. À
superfície temos 0,5% de volume de CO no aro que é um valor desprezável quando
respirável à superfície, onde temos uma pressão parcial de 0,005 ata (1 ata x 0,005 = 0,005
ata). Contudo a 40m de profundidade será mais preocupante, onde a pressão parcial é de
0,025 ata (5 ata x 0,005 = 0,025 ata), tendo o mesmo efeito fisiológico do que respirar uma
mistura com 2,5% (5ata x 0,5% = 2,5%) de CO à superfície, atingindo já um nível tóxico.
Ar enriquecido
O ar enriquecido “Nitrox” usado pelos mergulhadores, não é mais do ar adicionado de
oxigénio de forma a reduzir a proporção do nitrogénio.
Existem tabelas específicas para o mergulho com ar enriquecido, contudo podemos aplicar a
Lei de Dalton para encontrar uma profundidade de Ar equivalente (EAD – Equivalent Air
Depth):
EAD = ( (1 - %O2) x (Profundidade + 10) / 0,79 ) – 10
Esta fórmula dá-nos a profundidade equivalente onde a pressão parcial do Nitrogénio é igual
se estivermos a respirar ar.
A pressão limite do Oxigénio é de 1,4 ata, acima desta pressões passa a ser tóxico tornandose perigoso. Usando a fórmula indicada e este limite, podemos concluir facilmente que nos
limites do mergulho recreativo o ar não é um gás tóxico. Podemos também com o auxílio de
uma tabela de mergulho com ar, calcular os tempos e profundidades máximas para um
mergulho com ar enriquecido.
Lei de Henry
Uma substância sólida pode ser dissolvida em moléculas de um líquido, como por exemplo
açúcar (sólido) em café (líquido). O mesmo também é verdade para os gases. Uma bebida
gaseificada é um bom exemplo disso. Quando este fenómeno acontece, diz-se que o gás
está dissolvido num líquido ou numa solução.
Um aspecto interessante dos gases em soluções é que as moléculas dos gases conservam
as suas propriedades. Mesmo completamente envolvidas por moléculas de um líquido, as
moléculas do gás continuam a exercer pressão no líquido. Esta pressão tem o nome de
Tensão do Gás.
O quanto um gás se dissolve num líquido, é dependente de vários factores. A Lei de Henry
diz que “A quantidade de gás que se dissolve num líquido a uma determinada temperatura é
directamente proporcional à pressão parcial do gás”.
De acordo com a Lei de Dalton, que vimos anteriormente, cada gás dissolvido em um líquido,
exerce uma pressão parcial da tensão total do gás independentemente dos outros gases
presentes. Por exemplo, se uma quantidade de água estiver exposta a nitrogénio puro, este
irá se dissolver na solução até que a sua tensão atinja o equilíbrio. Se a pressão total em
contacto com a água for aumentada, com a adição de oxigénio puro, não haverá mais
nitrogénio a ser absorvido, mantendo a sua pressão parcial igual. Contudo, mais oxigénio
pode ser adicionado na água até atingir o equilíbrio.
A diferença entre a pressão parcial dos gases em contacto com um líquido e a tensão do gás
tem o nome de Gradiente de Pressão. Quando o gradiente de pressão é elevado, a taxa de
absorção do gás no líquido também é grande.
Quando a tensão de um gás num líquido atinge o equilíbrio com a pressão parcial de todos
os gases em contacto com o líquido, nesse ponto diz-se que o líquido está saturado.
Se colocarmos o líquido dentro de uma câmara de descompressão, fazendo com que a
pressão aumente, a pressão dos gases em contacto com o líquido também irá aumentar. A
Lei de Henry explica que nestas condições mais gás irá ser dissolvido no líquido até atingir
de novo o equilíbrio. Se a pressão da câmara diminuir, o fenómeno reverte-se. Menos
pressão em contacto com a água, significa que o gás dissolvido terá uma tensão superior,
obrigando a que o fás flua para fora da água. A água diz-se super saturada, ou que contém
mais gás do que pode conter aquela pressão. Se a redução for feita de forma gradual, o
gradiente de pressão mão será muito elevado e o gás é libertado da água sem formar bolhas.
Caso contrário, se originar um gradiente elevado, o gás formará bolhas (como uma garrafa
de uma bebida gaseificada agitada antes de abrir).
A Lei de Henry é o princípio que descreve a absorção e libertação de nitrogénio no corpo do
mergulhador.
À semelhança da pressão, a temperatura também afecta o gás dissolvido num líquido.
Contudo no mergulho, a uma escala muito menor do que a pressão, uma vez que a
temperatura do corpo se mantém dentro de limites quase constantes.
Com o calor, o movimento das moléculas aumenta, necessitando de mais espaço, logo
quanto maior a temperatura, mais gás existirá dissolvido no líquido. Este fenómeno pode ser
visto em água a ferver, quando bolhas de ar se começam a formar no fundo do recipiente.
Bibliografia: Padi Encyclopedia Of Recreational Diving