Ztráty tepla dýcháním
Ohřev dýchací směsi a vypařování vody
Mezi oblíbené mýty o trimixu patří, že jeho dýcháním potápěč ztrácí více tepla, než dýcháním vzduchu. Je to přesně naopak. Největší tepelné ztráty dýcháním jdou ale na vrub zvlhčování dýchané směsi. Ukažme si ztráty energie na konkrétním příkladu.
Ponor
Přístroj s otevřeným okruhem
Hloubka 40 m
Minutová ventilace plic 20 l/min
Teplota vdechované dýchací směsi 10 °C
Vlhkost vdechované dýchací směsi 5 %
Teplota vydechované dýchací směsi 35 °C
Vlhkost vydechované dýchací směsi 100 %
Za minutu tedy ohřeje 5*20 = 100 l plynu o 25 K.
Ohřev dýchané směsi
Provedeme výpočet ztráty energie za jednu minutu a až nakonec přepočtením za sekundu získáme ztrátový výkon. Výpočet rovnou za sekundu by byl možný, ale méně pohodlný - zbytečně bychom pracovali s malými čísly.
Vzduch
Kyslík
Objem: 0.21 * 100 = 21 l = 0.021 m3
Hmotnost: 1.354 * 0.021 = 0.028434 kg = 28.43 g (zaokrouhleno)
Látkové množsttví: 28.43/31.9988 = 0.888 mol (zaokrouhleno)
Teplo: 29 * 0.888 * 25 = 644 J (zaokrouhleno)
Dusík
Objem: 0.79 * 100 = 79 l = 0.079 m3
Hmotnost: 1.185 * 0.079 = 0.093615 kg = 93.62 g (zaokrouhleno)
Látkové množsttví: 93.62/28.0134 = 3.342 mol (zaokrouhleno)
Teplo: 29 * 3.342 * 25 = 2423 J (zaokrouhleno)
Tepelné ztráty
(644+2423)/60 = 51 W
Trimix 10/70
Kyslík
Objem: 0.1 * 100 = 10 l = 0.01 m3
Hmotnost: 1.354 * 0.01 = 0.01354 kg = 13.54 g
Látkové množsttví: 13.54/31.9988 = 0.423 mol (zaokrouhleno)
Teplo: 29 * 0.423 * 25 = 307 J (zaokrouhleno)
Dusík
Objem: 0.2 * 100 = 20 l = 0.02 m3
Hmotnost: 1.185 * 0.02 = 0.0237 kg = 23.7 g
Látkové množsttví: 23.7/28.0134 = 0.846 mol (zaokrouhleno)
Teplo: 29 * 0.846 * 25 = 613 J (zaokrouhleno)
Helium
Objem: 0.7 * 100 = 70 l = 0.07 m3
Hmotnost: 0.169 * 0.07 = 0.01183 kg = 11.83 g
Látkové množsttví: 11.83/4.0026 = 2.956 mol (zaokrouhleno)
Teplo: 20 * 2.956 * 25 = 1478 J (zaokrouhleno)
Tepelné ztráty
(307+613+1478)/60 = 40 W (zaokrouhleno)
Tepelná kapacita 1 g helia je vyšší, než 1 g dusíku. Helium má ale velmi nízkou hustotu, při stejném objemu potápěč vydýchá daleko menší hmotnost.
Helium je ovšem vynikající vodič tepla. Dusík se ohřívá převážně v plicích a po celou dobu nádechu. Helium se ohřeje daleko rychleji a více tepla odvede z horních cest dýchacích, což potápěč subjektivně vnímá tak, že "více studí".
Poznámka 1: v zájmu jednoduchosti byl uvažován vzduch jako směs pouze dvou plynů, podobně u trimixu. Také byla zanedbána změna složení vydechované proti vdechované směsi.
Poznámka 2: v příkladu předpokládáme stejnou teplotu vdechovaného vzduchu i trimixu. Helium se ale chová při škrcení jinak, než většina plynů – zahřívá se. Vdechovaný trimix bude ve skutečnosti mnohem teplejší než vzduch a tepelné ztráty ještě menší.
Vypařování
Opět provedeme výpočet ztráty tepla za minutu a pak přepočteme na ztrátový výkon.
Vdechovaná směs
Teplota: 10 °C
Relativní vlhkost: 5 %
Absolutní vlhkost: 0.477 g/m3
Hmotnost vody: 0.048 g (zaokrouhleno)
Vydechovaná směs
Teplota: 35 °C
Relativní vlhkost: 100 %
Absolutní vlhkost: 40,086 g/m3
Hmotnost vody: 4.009 g (zaokrouhleno)
Skupenské teplo
Hmotnost odpařené vody: 4.009 - 0.048 = 3.961 g
Skupenské teplo: 2257 * 3.961 = 8940 J (zaokrouhleno)
Tepelné ztráty vypařováním
8940/60 = 149 W
Celkové tepelné ztráty dýcháním
Vzduch
51 + 149 = 200 W
Trimix
40 + 149 = 189 W
Závěr
Na zvlhčení vdechovaného suchého vzduchu je potřeba více než třikrát více energie ve srovnání s jeho ohřevem. Rozdíl 189 a 200 W je tak malý, že prakticky nemá smysl uvažovat nad objektivním rozdílem ztrát energie při dýchání vzduchu a trimixu ohřevem. Rozdíl je hlavně subjektivní (a přesně opačný, než se podle pocitu jeví).
Jednou z podstatných výhod přístrojů s uzavřeným okruhem je dýchání vlhké a teplé směsi. Ztráty tepla dýcháním u rebreatherů prakticky odpadají.
Uvedený jednoduchý fyzikální příklad nepostihuje zdaleka všechny ztráty energie související s dýcháním. Například dechová práce (práce dýchacích svalů) závisí na charakteru proudění v plicích. S tlakem se mění i viskozita plynu. V určité hloubce se v konkrétní části plic změní proudění z laminárního na turbulentní, čímž rapidně naroste odpor. Směsi s héliem se z tohoto důvodu v hloubce dýchají mnohem lépe, než vzduch.
Další závislosti na dýchací směsi jsou fyziologické. Dusík pod vysokým tlakem negativně ovlivňuje termoregulační mechanismy člověka, na rozdíl od helia. O termoregulaci potápěče z pohledu lékaře lze najít více například v článku Petra Wagnera v čísle časopisu Buddy č. 14 (5/2009).