Cours N4 - Saison 2011/2012. La dissolution des gaz : Mécanismes et facteurs favorisants.

Transcription

1 Cours N4 - Saison 2011/

2 Plan du cours 1. Objectif / But 2. Rappels 3. La dissolution des gaz et les facteurs favorisants / La loi de Henry 4. Application à la saturation / désaturation 5. Conclusions 2

3 1. Objectif Objectif du cours : Coprendre le phénoène de dissolution des gaz et ses applications à la plongée, en tant que N4. 3

4 1. Objectif (suite) Pourquoi ce cours? Le phénoène de dissolution des gaz dans un liquide concerne directeent les plongeurs, qui dissolvent des gaz dans leur corps (N 2, O 2, CO 2 ). Coprendre ce phénoène et ses facteurs favorisants est donc iportant pour la gestion de la plongée et de la décopression en particulier. Ceci servira égaleent à coprendre les problèes de toxicité des gaz (N 2, O 2, CO 2 ) Assiiler ces écanises aidera le(la) guide de palanquée à assurer la sécurité de sa palanquée. De plus, ceci servira de base à la copréhension des éthodes d élaboration des tables et odèles de décopression. 4

5 2. Rappels Rappel des lois physiques : Les Pressions : Loi de Dalton : P abs = P at + P hydro avec P hydro ~ Prof/10 A tepérature et volue donné, la pression partielle d'un gaz dans un élange est égale à la pression, qu'il aurait, s'il occupait à lui seul le volue total. En conséquence, 1) La pression totale exercée par un élange est égale à la soe des pressions partielles des constituants. P él. = Pp gaz1 +Pp gaz2 +Pp gaz3 2) La pression partielle d un gaz est le produit de son pourcentage dans le élange et de la pression totale du élange. Pp gaz = % gaz x P él. 5

6 3. La dissolution des gaz Mise en évidence : Certains gaz peuvent se trouver dissous dans les liquides. Ex. : Gaz carbonique dans les eaux gazeuses (existence de bulles), Oxygène dans l eau (utilisé par les poissons ou autres aniaux pour vivre) Définition des solvants: Un solvant est un corps capable d absorber les olécules d un autre corps. 6

7 3. La dissolution des gaz (suite) Mécanise de la dissolution : G L Les olécules d un gaz G sont en peranence en ouveent. Elles peuvent s insérer entre les olécules d un liquide L, en fonction de la pression. A pression et tepérature constantes, autant de olécules de gaz pénètrent dans le liquide qu il n en sort. Cet état d équilibre est appelé état de saturation. Il sera aintenu tant que pression et tepérature resteront inchangées. Facteurs favorisants de la dissolution (notions qualitatives) : 2 principaux facteurs peuvent influer sur la qualité de la dissolution : Le gaz ; Le solvant. 7

8 3. La dissolution des gaz (suite) Facteurs favorisants de la dissolution (notions qualitatives, suite) : Influence du gaz : A solvant identique, on s aperçoit que plus les olécules d un gaz sont petites, ieux (plus vite) il se dissout. On parle alors de solubilité d un gaz, qui est sa faculté plus ou oins grande à se dissoudre dans un solvant. Ex : Utilisation de l Héliu pour la plongée Héliox ou Triix. Rearque : La solubilité de l Azote (N 2 ) est plus iportante avec les solvants huileux qu avec l eau. Ils disposent en effet de propriétés physico-chiiques particulières, que nous ne traiterons pas ici. Influence du solvant : A gaz identique, on s aperçoit, que plus les olécules d un solvant sont espacées, ieux il dissout le gaz. Ex : Le sang dissout plus vite l azote que les os. 8

9 3. La dissolution des gaz (suite) Facteurs favorisants de la dissolution (notions qualitatives, suite) : Influence de la pression : La loi de Henry : «A tepérature donnée et à saturation, la quantité de gaz dissous dans un liquide est proportionnelle à la pression exercée par ce gaz sur ce liquide.» 2P Gaz dissout G G L L 1 2 En 1, à saturation L contient une quantité de gaz G dissous sous la pression P En 2, à saturation L contient 2 fois plus de gaz dissous. Ex. : On dissout plus d azote avec la profondeur. Pression 9

10 3. La dissolution des gaz (suite) G L Facteurs favorisants de la dissolution (notions quantitatives): Influence de la tepérature : Si l on fait chauffer une casserole d eau, on rearque assez rapideent (avant ébullition) l apparition de petites bulles d air. L air dissous reprend sa fore gazeuse. La quantité de gaz dissous évolue donc à l inverse de la tepérature. S1 Influence de la surface de contact : P 1 Ex. : On dissout plus d azote lors des plongées en eau froide. G S2 L 2 En 1, à saturation L contient une quantité de gaz G dissous en fonction de la surface S1. En 2, à saturation L contient une quantité de gaz identique, ais dans un laps de teps plus iportant si S2 est oindre. Ex. : On dissout plus rapideent l azote si la surface des alvéoles pulonaires est plus grande, donc notaent au cours d un effort. 10

11 3. La dissolution des gaz (suite) Facteurs favorisants de la dissolution (notions quantitatives, suite): Influence de la durée : La dissolution d un gaz dans un solvant n est pas iédiate. Pour passer d un état de saturation à un autre, il faut un certain teps. Selon la loi de Henry en doublant la pression, on passe d une quantité de gaz dissous 1 à l état initial, à une quantité 2 à l état final. Après une durée T, la quantité passe de 1 à 1,5, soit la oitié de ce qui reste à dissoudre pour une coplète saturation. Après une nouvelle durée T la quantité est 1,75, soit à nouveau la oitié de ce qui restait à dissoudre, et ainsi de suite Théoriqueent, le nouvel état de saturation n est jaais atteint. Cet intervalle de teps T s appelle la «période» et caractérise un couple solvant-gaz. Le procédé est identique pour l éliination (désaturation). Ex. : On dissout plus d azote si le teps de plongée augente. 11

12 3. La dissolution des gaz (suite) Facteurs favorisants de la dissolution (notions quantitatives, suite): Influence de la durée (suite) : 2P 2P 2P 2P 2P 2P G L 1 Etat Initial 1 0 1,5 T 1,75 2T 1,875 3T 1,9375 4T teps 2 Etat final En pratique, on adet généraleent, pour siplifier, que le nouvel état de saturation est atteint au bout de 6T, où on atteint plus de 98% de la dissolution finale. 100% 87,5% 75% Pourcentage de saturation 50% dissolution éliination 0 T 2T 3T 4T 5T etc. teps 12

13 3. La dissolution des gaz (suite) Facteurs favorisants de la dissolution (notions quantitatives, suite): Influence de la durée (suite) : Ex. : La durée nécessaire à éliiner l azote est prise en copte par les dispositifs de gestion de la décopression (ou plutôt désaturation) coe les tables ou les ordinateurs. Ce teps d éliination de l azote sert notaent à déteriner les vitesses de reontée et les durées des paliers. Ceci explique aussi pourquoi des recoandations sont faites pour ne pas faire d apnée, aller en altitude ou prendre l avion directeent après une plongée. 13

14 3. La dissolution des gaz (suite) Facteurs favorisants de la dissolution (notions quantitatives, suite): Dissolution et diffusion : L1 et L2, 2 solvants non iscibles, G un gaz sous la pression P. L1 est oins dense que L2. Au bout de t, les 2 solvants sont saturés dans des proportions variables, fonction de leurs solubilités respectives. Ex. : Dans le corps huain, l azote se dissout d abord dans le sang, puis se diffuse dans les tissus irrigués par le sang. Les tissus sont ensuite classés selon leur période. Mélange gazeux : En appliquant la loi de Dalton, les quantités de gaz dissous sont déterinées par les pourcentages des constituants du élange. Ex. : Plongée Triix Définition de la Tension : La tension est la pression qu exerce un gaz dissout dans son solvant. On la note Tg. C est une pression partielle. Une «tension» s applique à un gaz dissout. Une «pression partielle» s applique à un gaz dans un élange. A saturation, on a Tg = Pp. G L1 L2 14

15 4. Application à la saturation / désaturation Facteurs favorisants de la dissolution (notions quantitatives, suite): Saturation : La saturation est l état d équilibre, où la quantité de gaz dissous dans un liquide devient stable. On a alors Tg = P (ou encore Tg/P = 1). Sous-saturation : La sous-saturation correspond à un déséquilibre teporaire. Le solvant doit dissoudre encore du gaz, avant d arriver à un nouvel état de saturation. On a alors oentanéent Tg < P (ou encore Tg/P < 1). Ex. : Lors de la descente le plongeur est globaleent en sous-saturation. Sursaturation : La sursaturation correspond au déséquilibre teporaire inverse. Le solvant doit éliiner du gaz avant d arriver à un nouvel état de saturation. On a alors teporaireent Tg > P (ou encore Tg/P > 1). Ex. : Lors de la reontée le plongeur est globaleent en sursaturation. 15

16 4. Application à la saturation / désaturation Facteurs favorisants de la dissolution (notions quantitatives, suite): Sursaturation critique: Chaque couple (solvant/gaz) possède un coefficient, dit de sursaturation critique (Sc). Si la sursaturation est telle que Tg/P > Sc, on est alors en situation de sursaturation critique et la désaturation se fait en laissant apparaître des bulles de gaz dans le solvant. Ex. : Une bonne désaturation pour le plongeur doit se faire sans bulle. La vitesse de reontée et les paliers de décopression servent à ne pas se ettre en situation de sursaturation critique, afin d éviter tout risque d accident de décopression. 16

17 5. Conclusions (1/2) Pour nous plongeurs, la dissolution de l azote dans le corps est donc principaleent déterinée par la profondeur et la durée. Elle est ensuite principaleent favorisée par : le froid ; l effort en plongée (agitation : irrigation des tissus / ventilation : surface d échange). La dissolution d autres gaz coe l O2 ou le CO2, peut égaleent avoir d autres conséquences plus ou oins gênantes sur l organise chez les plongeurs (cf cours sur les accidents). L éliination de ces gaz en fin de plongée est altérée par : le tabagise (surface d échange réduite au niveau des pouons) ; l ebonpoint (tissus graisseux : solvants plus efficaces de l azote) ; l âge et la éfore physique (circulation sanguine et ventilation oins efficaces pour acheiner l azote vers les pouons et l évacuer). Ces facteurs défavorisants pour l éliination seront développés plus apleent lors des cours sur l anatoie-physiologie et les accidents. 17

18 5. Conclusions (2/2) Il donc iportant de tenir copte de ces facteurs plus sérieuseent encore, pour gérer la décopression, et prévenir tout risque d accident (y copris ceux dus à d autres gaz que l azote) lorsqu ils sont intervenus de façon iportante au cours de la plongée. C est là une grande partie du rôle de prévention, que doit assurer le N4 pour la sécurité de sa palanquée. Ce cours servira égaleent à la copréhension des éthodes d élaboration des tables. Il sera donc repris à cette occasion prochaineent. Les prochains cours portent sur : Le sang et la circulation, Les accidents de décopression. Merci pour votre attention. 18