潜水员最爱的物理学家“朋友”

对于许多新潜水员来说，物理学和气体定律的理论可能听起来有点枯燥，它不像下水那么刺激。然而正是这些气体定律构成了潜水理论中最实用、最有趣的方面。

在过去的几个世纪里，物理学家们改变了我们对气体的理解，使得潜水行业得到了快速发展，使潜水变得更加安全。许多潜水员一想到要“回到学校”复习潜水物理知识就腿软。但其实这些理论知识比你想象的要简单。下面，就让我们从最具影响力、最具代表性的物理学气体定律开始介绍，并了解这些理论在我们潜水过程中对身体和装备造成了哪些影响。

波义耳定律

Boyle's law

这个定律以罗伯特·波义耳(1627-1691)的名字命名，有时也被称为Mariotte's Law，为了纪念法国物理学家Edme Marriotte(1620-1684)。实际上他们在同一时期发现了这个气体定律，只是在人们更常把它称为“波义耳定律”。

波义耳定律表明：

在定量定温下，气体的体积与压力成反比，气体的密度与压力成正比。

简单来说就是，在恒定温度下，气体的体积随环境压力的增加而减小，气体的密度随环境压力的增加而增加。一旦你了解了波义耳定律的这两个方面，你就会发现它时刻都伴随着潜水员的水下活动。例如：

• 为什么在深水比在浅水时需要使用更多的气体？

• 为什么需要平衡身体空腔？例如耳腔、面镜、鼻窦。

• 为什么当你上升时需要从BCD中排出气体，以保持缓慢和可控的上升速度?

• 为什么当你潜得更深的时候为了保持中性浮力，需要在你的干衣或背飞上充入更多的空气？

• 为什么在水肺潜水中最重要的规则是“永远不要屏住呼吸”？

以上所有问题的答案都与波义耳定律有直接联系。波义耳定律可以说是潜水物理学的核心内容，每次下水时都应该牢记。

道尔顿定律

Daltons law of partial pressures

约翰·道尔顿(John Dalton, 1766-1844)对潜水的发展影响很大，他的理论公式是每个潜水员的必修课，陪伴着我们的每次潜水，尤其是在潜水计划阶段。

道尔顿定律表明：

某一气体在气体混合物中产生的分压等于在相同温度下它单独占有整个容器时所产生的压力；而气体混合物的总压力等于其中各气体分压之和。

简单来说，随着压力的增加，气体混合物中各部分气体的分压也会增加。举个实际例子：空气大约是79%的氮气和21%的氧气。在1bar压力下，氮气的分压等于0.79，氧的分压是0.21。

那么下潜时压力增加会发生什么呢？根据道尔顿定律，随着压力的增加，混合气体中各部分气体的分压也会增加。已知每下潜10米压力增加一个绝对大气压(ATA)，那么在水下20米深度，压力就是3bar。所以，当你在20米的深度呼吸时，氮气的分压将是2.37(0.79乘以3)，氧气的分压将是0.63(0.21乘以3)。

道尔顿定律，解释了分压、混合气体中氧气的分数与环境压力之间的关系。通过这个定律，潜水员可以计算气体混合的最佳含氧量以及某些混合气体的最大工作深度。道尔顿定律也适用于氦氮氧混气、氦氮高氧和其他任何你可能使用的混合气体。在往后的潜水旅程中，你会一次又一次地使用这个公式。

亨利定律

Henry's law

威廉·亨利(1774-1836)是一位来自英国的医生。19世纪初，他提出了“亨利定律”的概念。

亨利定律：

在一定温度和平衡状态下，气体在液体里的溶解度（用摩尔分数表示）和该气体的平衡分压成正比。

这个定律的核心是两个简单的概念。你承受的压力越大，你的组织吸收的气体就越多。与此同时，从吸收的角度来看，温度起着重要的作用。温度越高，气体溶解度越低，温度越低气体溶解度越高。

这个定律和潜水员有什么关系呢？

简单地说，当周围的环境压力随深度的增加而增加时，体内氧气和氮气的分压也会增加，此时更多的气体分子会溶解在你的血液和组织中，这对潜水员的减压问题有很大的影响。我们在潜水时吸收的所有气体显然都需要排出，而以一种缓慢而有节制的方式来排出气体是至关重要的。所以，在指定深度完成减压停留及稳定可控的上升尤为关键。

查理定律

Charles's Law

最后，让我们来谈谈查理定律。这个定律以Jacques Alexandre Cesar Charles (1746-1823)的名字命名，他在1801年发现了这个定律。

查尔斯定律：

在体积不变的情况下，气体的压力与绝对温度成正比。

简单地说，当气体的体积保持恒定时，压力会随温度的升高而增加，温度降低时减少。

如果在炎热的天气下将气瓶充满气体，然后在冷水中潜水，我们的起始压力会下降。例如，外面的室温是15摄氏度，此时你将一个11升的气瓶充到200巴。但当你下水后水温只有8度，当你检查你的启动压力时，你会发现你的启动压力比预期的要少。

查理定律就可以帮我们解释这个现象，这也是不要把刚加满空气的气瓶留在车辆后备箱的原因。同时也解释了为什么一些潜店的充气站在充气之前会把气瓶放在冷水中。这是为了防止气瓶过热。

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