LES PRESSIONS PARTIELLES DANS LES MELANGES GAZEUX

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1 LES PRESSIONS PARTIELLES DANS LES MELANGES GAZEUX
Comité Départemental du Val de Marne – Marc TISON – Moniteur Fédéral 2e degré LES PRESSIONS PARTIELLES DANS LES MELANGES GAZEUX C’est du sérieux

2 Introduction Rappel En pourcentage
LES PRESSIONS PARTEILLES DANS LES MELANGES GAZEUX Introduction Parmi de nombreux travaux scientifiques le physicien et chimiste Anglais, John Dalton, ( ), formule au début du 19° siècle la loi d’addition des pressions partielles dans les mélanges gazeux. Il met en évidence la particularité d’un gaz qui, faisant partie d’un mélange, tend à se comporter comme s’il était seul à occuper le volume total. Il ouvre ainsi la voie à l’étude de la toxicité des gaz dans l’application faite en plongée subaquatique. Rappel Le plongeur sportif ne respire pas de l’oxygène pur comme le nageur de combat mais un mélange de plusieurs gaz appelé de l’Air. Ce mélange se réparti ainsi : (Air à 0oC et 50% d'humidité relative) En pourcentage Azote N ,03% Oxygène O ,95% Gaz Carbonique CO ,03% Gaz rares ,056% Argon ,934% total 100,000 % La pression est en kilopascals (kPa)

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Rappel Toute composition d’un mélange différent de celui-ci ne doit donc pas s’appeler de l’Air. D’autre part, pour des commodités de calcul, on prendra invariablement le rapport N2/O2 à 80/20 et non N2/O2 à 79/21 (sauf formation Nitrox) L’oxygène est le gaz vital : c’est le comburant. L’azote est l’agent de transport, il est neutre : c’est un diluant. Le dioxyde de carbone (CO2) est en quantité insuffisante pour être dangereux (car c’est un gaz toxique) mais néanmoins nécessaire à la vie par son rôle excitant des centres respiratoires. Respirer non pas un seul gaz mais un mélange de 2 ou 3 gaz nous amène à calculer la variation de pression de chacun des composants et notamment en matière de plongée. La loi de Mariotte-Boyle (P1 x V1 = Cste) est applicable également aux mélanges respirés en plongée.

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Un mélange de gaz obéit aux mêmes lois qu’un gaz parfait La présence et la quantité d’un gaz nocif dans l’air respiré peut-être soit inoffensive, soit provoquer des troubles respiratoires, des maladies toxiques ou bien encore être fatal. C’est une affaire de proportion et de pression partielle. Analogie Imaginez un instant que dans une pièce fermée, une fuite sur une bouteille de propane laisse échapper son contenu. En fonction de la quantité de gaz qui s’échappe, cela peut être pour notre organisme soit bénin, soit toxique ou bien mortel. Le gaz libéré se comporte du fait de sa particularité toxique comme s’il était seul à occuper le volume total de la pièce. Si on analyse à des instants différents la composition du mélange «respirable» dans la pièce nous obtiendrons des pourcentages de mélange gazeux en rapport avec leur particularité, inoffensive ou très toxique.

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Mise en évidence L’expérience de Berthollet (physicien Français ) 1 récipient clos V = 100 litres à 1 bar contenant de l’hydrogène (H2) 1 récipient clos V = 100 litres à 1 bar contenant du gaz carbonique (CO2) On relie les deux récipients et on constate que la pression ne varie pas. Après un certain temps (environ 6 heures) on referme la communication et on analyse le contenu de chaque récipient. On constate qu’ils contiennent chacun 50% H2 et 50% CO2 50% H2 0,5 l H2 PPH2 = 0,5 bar 50%CO2 0,5 l CO2 PPCO2 = 0,5 bar 100% 1 litre bar La suite

6 LES PRESSIONS PARTEILLES DANS LES MELANGES GAZEUX
PPH2 = 1 b x 50% = 0,5 b PPCO2 = 1 b x 50% = 0,5 b PPH2 = 1 b x 100% = 1 b PPCO2 = 1 b x 100% = 1 b

7 La LOI LES PRESSIONS PARTEILLES DANS LES MELANGES GAZEUX
Elle est démontrée à la base en trois parties : Dans un volume gazeux, chaque gaz se comporte comme s’il était seul à occuper le volume total occupé dans le mélange. Dans un mélange gazeux, la somme des pressions partielles de chaque gaz est égale à la pression totale exercée sur le mélange. Dans un mélange gazeux, la pression partielle d’un gaz est égale à la pression totale exercée sur le mélange, multipliée par le pourcentage du gaz présent dans le mélange On simplifiera la loi en l’énonçant ainsi : A température donnée, la pression absolue d’un mélange gazeux est égale a la somme des pressions partielles qu’aurait chaque gaz s’il occupait seul le volume. On appliquera la Loi par cette formule : Pression Partielle = P. Abs. x X/100 (du gaz considéré)

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Application à la plongée Cette loi permet le calcul des limites de pression absolue théorique à ne pas dépasser avec l’air dans le cadre de la plongée sportive. Pour la plongée professionnelle, cette formule s’applique également à la confection et l’utilisation de mélange respiratoire différent de l’air - HELIOX - HYDROX - TRIMIX Dans le traitement médicale pour les soins d’oxygénation hyperbare. Enfin pour l’élaboration des tables de plongées O2/N2 différent de l’air, et notamment le Nitrox.

9 Quelques exercices d’application
PPO2 et PPN2 à 40m. (avec de l’air à 20% d’O2 et 80% d’N2) PP = P.Abs. x X/100 P.Abs. = P.Atm.+P.Relat./10 PPO2 = 5 x 20/100 = 1 bar PPN2 = 5 x 80/100 = 4 bars On dispose d’un mélange gazeux ayant la composition suivante : Gaz A = 25% gaz B = 15% gaz C = 60%  PP respectives des gaz à 50 mètres ? P.Hydro = 5 + P.Atm. = 1 soit P.Absolue = 6 bars PP = P.Abs. x X/100 P.Abs. = P.Atm. + P.Relat./10 Pp A = 6 x 0,25 = 1,5 b Pp B = 6 x 0,15 = 0,9 b Pp C = 6 x 0,60 = 3,6 b vérification 1,5 + 0,9 + 3,6 = 6,00

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A quelle profondeur PPO2 = 1,6 bar 1,6 = P.Abs.x 20/100 P.Abs. = (1,6 x 100) / 20 = 8,0 bar P.Relat = P.Abs.-P. Atm. = 8,0 - 1 = 7, bar Prof. = P.relat x 10 = 7,0 x 10 = 70 mètres Pour quelle proportion O2/N2 a-t-on PPO2 = 1,6 bar à 40m ? PP =P.Abs x (%O2) / 100 PPO2 = (1,6 x 100) / 5 = 32% d’ou N2 = 68%

11 Quelques exercices d’application
Avec 40% O2 et 60% N2 à 40m A quelle profondeur aurait-on la même PPN2 avec de l’air ?  2 méthodes possibles : 1) PPN2 mélange = 5 x 60 / 100 = 3 Air : 3 = P.abs x 80/100 P.Abs. = (3 x 100) /80 = 3,75 bars ou 27,50 m 2) PPN2 mélange à 40m = PPN2 à une autre profondeur 5 x 60/100 = P.Abs x 80/100 50 x 60 = P.Abs x 80 P.Abs = (5 x 60) / 80 = 3, 75 bars ou 27,50 m

12 LES PRESSIONS PARTEILLES DANS LES MELANGES GAZEUX
G - A quelle profondeur un plongeur qui respirerait de l’air dont la proportion de Co2 est égale à 2% entrerait-il en syncope ? PPCO2 pour syncope = 80 g/cm2 PP = P.Abs. x X/100 0,08 = P.Abs x 2/100 P.Abs. = 0,08 x (100/2) = 4 bar ou 30m

13 LES PRESSIONS PARTEILLES DANS LES MELANGES GAZEUX
H - L’arrêté du 22 Juin 1998 limite la plongée à l’air à la profondeur de 60m 1 - à l’Air, quelle est la PPO2 et la PPN2 à cette profondeur ? 2 - Quel mélange peut-on concevoir à cette profondeur sans dépasser une PPO2 de 1,7 bar 1) PP = P.Abs. x X/100 PPO2 = 7 bar x 20 / 100 = 1,4 bar PPN2 = 7 bar x 80 / 100 = 5,6 bar 2) PPO2 = P.Abs. x X / 100        1,7 = 7 bars (60m) x X / 100 X = (1,7 x 100) / 7 = 24,28 % arrondir à 24 mélange O2 / N2 = 24 / 76