Attività subacquee e chimica: leggi di Stevino, Boyle, Henry, Dalton
Le attività subacquee permetto all’uomo di immergersi, a seconda dell’attrezzatura di cui dispone di fare immersioni a varie profondità. Da sempre l’uomo ha cercato di andare sott’acqua sia per cercare cibo che per trovarsi nei fondali marini e scoprirne i segreti. Dalla campana subacquea decritta da Leonardo si è giunti alla bombola subacquea in cui vi è contenuta, sotto pressione, una riserva di gas respirabile necessario per la respirazione.
Le attività subacquee prevedono di scendere, in genere, a una profondità tra i 12 e i 20 m anche se alcuni scendono anche a 27 m e oltre.
Legge di Stevino e attività subacquee
Calcoliamo la pressione a 10 m tenendo conto della legge di Stevino .
La densità dell’acqua di mare è di poco superiore a quella dell’acqua pura infatti d = 1.03 g/mL ovvero 1030 kg/m3 pertanto essendo p = pE + gρh dove pE è la pressione esterna corrispondente a 1 atm ovvero 1.01 · 105 si ha:
p = 1.01 · 105 + 9.82 m /s2 · 1030 kg/m3 · 10 m = 1.01 · 105 +1.01 · 105 kg m-2 s-2 = 2.02 · 105 Pa = 2 atm
A una profondità di 20 m la pressione raddoppia e diventa di 4 atm e così via stante la relazione di proporzionalità diretta tra p e h.
Se nelle attività subacquee un sub risale da una profondità di 6 m dove la pressione è di 1.6 atm in superficie dove la pressione è di 1 atm la variazione di pressione è di 0.6 atm.
Legge di Boyle
Entra così in gioco la legge di Boyle dovuta al chimico Robert Boyle: supponendo che la temperatura sia costante secondo la legge di Boyle pV = k ovvero pressione e volume sono grandezze inversamente proporzionali. Possiamo quindi scrivere p1V1= k e p2V2= k da cui p1V1= p2V2 .
Se come nel nostro caso p1 = 1.6 atm e p2 = 1 atm allora:
1.6 V1= 1 V2
Da cui V2/V1= 1.6e ciò implica che l’aria presente nei polmoni ha un volume di 1.6 volte maggiore rispetto a quella che si ha a 6 m di profondità. Pertanto se l’aria non viene opportunamente espulsa l’aumento di volume della stessa può provocare un barotrauma ovvero una lesione ai tessuti provocata dal mancato equilibrio fra la pressione dell’aria contenuta nei polmoni e la pressione dell’ambiente circostante.
Un altro grave problema durante le attività subacquee correlato alla risalita è la possibilità che si verifichino embolie gassose. Esse si manifestano con la presenza di bolle di gas all’interno della circolazione sanguigna.
Legge di Henry
Secondo la legge di Henry a temperatura costante la quantità di gas poco solubile disciolta in un dato volume di liquido è direttamente proporzionale alla pressione del gas sovrastante la soluzione. L’aria è una soluzione omogenea costituita principalmente da azoto in ragione del 78% e ossigeno in ragione del 21% oltre che da altri gas come Ar, CO2, NO, Kr ecc.
Mentre l’ossigeno partecipa agli scambi alveolari, l’azoto che è il componente principale dell’aria è assunto e espirato senza subire trasformazioni e quindi è il gas considerato ai fini dell’applicazione della legge di Henry. Nel corso della discesa con l’aumento della pressione l’azoto inspirato aumenta la sua pressione parziale e si trasferisce dai polmoni al sangue e nei tessuti fino a giungere alla saturazione ovvero alla situazione in cui la pressione dell’azoto all’interno del corpo è pari a quella esterna.
Durante la risalita la pressione diminuisce e avviene il fenomeno inverso in quanto l’azoto ritorna nello stato di aggregazione gassoso, attraversa il sistema venoso e viene eliminato durante la respirazione sempre che siano rispettati i tempi di ascesa e le eventuali soste di decompressione. Disattenzioni o imprudenze dovute a tempi troppo bassi di decompressione possono quindi causare l’ embolia gassosa arteriosa che consiste nella formazione di bolle d’aria che possono formarsi all’interno di un vaso sanguigno che è la causa di morte più diffusa tra chi pratica immersioni.
Legge di Dalton
Un altro problema che si può presentare quando l’immersione avviene ad alte profondità dove la pressione è molto elevata è la narcosi da azoto detta anche ebbrezza da alti fondali che è accentuata dalla velocità di discesa. Secondo la legge di Dalton o legge delle pressioni parziali, infatti, la pressione totale esercitata da una miscela di gas è uguale alla somma delle pressioni parziali dei gas che compongono la miscela. Pertanto variando la pressione dell’aria respirata variano le pressioni parziali dei gas in essa contenuti e variano, di conseguenza, gli effetti provocati sull’organismo dai gas stessi.
All’aumentare della pressione esterna quindi aumenta la pressione parziale dell’azoto disciolto nel sangue che può legarsi all’ossigeno formando ossido di diazoto N2O che è un analgesico e un anestetico noto con il nome di gas esilarante che provoca un effetto tossico nell’organismo.
Chi pratica questo sport deve fare un corso teorico e uno di addestramento presso persone altamente qualificate e rispettare nei minimi dettagli i protocolli previsti onde evitare gli incidenti che spesso accadono nei fondali marini.
