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Die 3 wichtigsten Gasgesetze beim Tauchen

Physik und Mathematik Formeln

Die 3 wichtigsten Gasgesetze beim Tauchen

Verschiedene Gasgesetze regeln, was während eines Tauchgangs mit uns und unserem Körper passiert. In diesem Artikel werfen wir einen Blick auf die wichtigsten Gasgesetze beim Tauchen und wiederholen einige physikalische Gesetze aus dem Open Water Diver Kurs.

Ich weiß, ich weiß…Physik ist nicht das Lieblingsthema von allen. Ich verstehe.

Aber come on, es ist Tauchphysik! 😁

Wir können hier eine Ausnahme machen, also habt Geduld mit mir.

Gasgesetze beim Tauchen erklärt

Obwohl dies Teil jedes Anfängerkurses beim Tauchen ist, habe ich einige Anfragen erhalten für Artikel über die wichtigsten Gasgesetze beim Tauchen, in einfachen Worten erklärt.

Ich habe mein Bestes gegeben, um dies so verständlich wie möglich zu machen und gleichzeitig genügend Informationen zu geben, damit du die Konzepte wirklich verstehst.

Wenn du zum ersten Mal darüber liest, mach dir keine Sorgen, sie sind sehr intuitiv.

Sie sollten allen Tauchern vertraut sein, also hast du einen Vorsprung, sie jetzt zu verstehen!

Achtung: Da das metrische System in der gesamten Wissenschaft und in der Literatur verwendet wird, machen wir das hier auch so. Wenn Du aus einem der wenigen Länder stammst, die noch an den imperialen Einheiten festhalten (I’m watching you Amerika!), ändert sich nichts an den grundsätzlichen Gesetzen, aber Du musst möglicherweise die Umrechnungen überprüfen.

Wenn du mehr über die Gründe erfahren möchtest, warum das metrische System in den USA nicht eingeführt wurde, schau dir dieses lustige Buch bei Amazon an, das ich vor einiger Zeit gefunden habe:

Whatever happened to the metric system? How America kept its feet
Introduction to scuba diving gas laws

Einführung in die Gasgesetze beim Tauchen

Die Gase, die wir einatmen und denen wir unter Wasser ausgesetzt sind, unterliegen sogenannten „Gasgesetzen“.

In dieser kleinen Übersicht werden wir uns die drei wichtigsten Gesetze für Tauchgase und ihre Auswirkungen ansehen.

Die meisten Sporttaucher benutzen Luft als primäres Atemgas. Die Gasgesetze gelten jedoch für alle Atemgase wie Nitrox, Trimix, oder reinen Sauerstoff.

Wenn du dich mit Physik, Einheiten und dem metrischen System auskennst, kannst du auf eines der Tauchgasgesetze klicken und mehr darüber lesen.

Ansonsten beginnen wir mit einigen Definitionen:

Einige Definitionen

Volumen

Volumen v ist der Raum, den ein Objekt oder eine Substanz (in unserem Fall Gas) in einem festgelegten Raum einnimmt. Beim Gerätetauchen ist das Volumen, auf das wir uns normalerweise beziehen, die Flaschen, die unser Atemgas enthält.

Andere Beispiele sind das Volumen deiner Lunge zum Einatmen der Luft oder die Kapazität deines Tarierjackets.

Druck

Der Druck p misst die gesamte Kraft (F) auf eine Oberfläche (A).

Für Interessierte lautet die mathematische Formel p = F / A.

Bevor du dir jedoch Sorgen machst, du musst sowas hier nicht berechnen in deinem Open Water Diver Kurs.

Ein Beispiel, das jeder kennt, sind die Reifen deines Fahrrads oder Auto, die du auffüllst, bevor du durch die Gegend fährst.

Hier beschreibt der Druck, wie stark die Luftmoleküle im Reifen zusammengedrückt werden.

Je höher der Druck, umso mehr Moleküle (Partikel) kannst du in den gleichen Bereich einpassen.

Wir benutzen bar als Einheit zur Beschreibung des Drucks. Möglicherweise hast du schon mal etwas gehört von Pascal, atm, oder sogar PSI (boooh imperiales System).

Beachte für die Gasgesetze beim Tauchen die folgenden Druckarten:

Flaschendruck

Der maximale Druck in Tauchflaschen in Standardgröße beträgt 200 bar. Das bedeutet, dass wir die Luft 200-fach komprimieren, um mehr davon in die Flasche zu bekommen

Tauchflaschen aufgereiht
Normale Tauchflaschen sind bis maximal 200 bar gefüllt.

Luftdruck

Der atmosphärische Druck (Umgebungsdruck) auf Meereshöhe beträgt 1 bar was auch mit 1 atm benannt wird. atm ist eine Abkürzung für Atmosphären.

Der atmosphärische Druck ist die Kraft der gesamten Luft über uns in der Atmosphäre, die zu jedem Zeitpunkt auf uns drückt. Dieser Druck gilt immer und ändert sich während eines Tauchgangs nur, wenn wir den Ort wechseln.

Vergiss nicht, dass wenn wir uns höher bewegen, der atmosphärische Druck niedriger wird, weil weniger Luft auf uns drückt. Dies ist sehr wichtig beim Bergseetauchen und in Bergseen.

Wenn du mehr darüber erfahren möchtest, schau dir unseren Altitude Diver Spezialkurs, oder den entsprechenden Online-Kurs an!

Wasserdruck

Der tiefer wir tauchen, desto höher wird der Wasserdruck. Pro 10 Metern Tiefe steigt der Druck um 1 bar.

Salzwasser ist etwas dichter, für unsere Zwecke ist der Unterschied jedoch vernachlässigbar.

Gesamtdruck

Der Gesamtdruck (oder Umgebungsdruck) ist die Summe von allen Druckarten, die auf uns einwirken. Beim Tauchen umfasst dies sowohl den atmosphärischen als auch den Wasserdruck.

In 10m Tiefe auf Meereshöhe beträgt der Druck daher 2 bar und in 20m 3 bar.

Ideales Gas

Beim Sporttauchen sprechen wir normalerweise von „idealen Gasen” wenn wir uns auf unsere Atemgase beziehen. „Ideales Gas“ bedeutet einfach, dass die Tauchgasgesetze, über die wir sprechen, in ihrer einfachsten und allgemeinsten Form angewendet und dass einige Annahmen getroffen werden können.

Beachte, dass dies nicht immer gilt, z.B. bei Gasgemischen beim technischen Tauchen oder bei der Verwendung spezieller Tanks, wie jene mit 300bar.

Wenn du dich über die Physik hinter dem idealen Gasgesetz informieren möchtest, schau mal hier.

Jetzt ist es an der Zeit, sich nacheinander mit den Gasgesetzen beim Tauchen zu befassen.

Gesetz von Boyle-Mariotte

Das erste Tauchgasgesetz, das wir hier behandeln werden, ist das Gesetz von Boyle oder Boyle-Mariottes Gesetz.

Das Boyle’sche Gesetz ist auch das erste, das die meisten Taucher lernen, da es eng verbunden ist mit der ersten Regel des Tauchens:

Halte niemals den Atem an!

Das Gesetz besagt:

Für ein ideales Gas sind Druck und Volumen bei konstanter Temperatur umgekehrt proportional.

Proportional bedeutet, dass wenn sich eine dieser beiden Eigenschaften ändert, sich auch die andere um dieselbe Größe ändert. Invers bedeutet die Veränderung der Größen in „entgegengesetzte Richtungen“.

Beispiel: Wenn der Druck sich verdoppelt, wird das Volumen halbiert, und wenn der Druck sich um Faktor 3 erhöht, ist das Volumen nur 1 / 3 so groß wie zuvor.

Taucher am sandigen Boden
Wenn der Druck größer wird, wird das Volumen kleiner.

Warum ist das Gesetz von Boyle-Mariotte für das Tauchen wichtig?

Du kennst die erste Regel des Tauchens, die besagt, niemals den Atem anzuhalten (Ich weiß, ich wiederhole mich hier). Dies liegt daran, dass auch unsere Lungen mit Luft gefüllt sind und als solche unterliegen sie dem Gesetz von Boyle-Mariotte.

Wenn wir einatmen, dehnen sich unsere Lungen aus und wenn wir ausatmen, werden sie kleiner.

Stell dir einen Luftballon vor, den du mit Luft aufbläst oder auslässt. Beim Abstieg steigt der Druck und die Lunge wird komprimiert, füllt sich aber bei jedem Atemzug wieder auf.

Da der Druck mit zunehmender Tiefe immer mehr ansteigt, wird mehr Luftvolumen benötigt, um ihn wieder aufzufüllen und der Luftverbrauch steigt.

Ja, ein zweiter Grund ist, dass der Druck, der in der Tiefe auf unsere Lunge wirkt, dazu führt, dass mehr Energie benötigt wird, um sie auszudehnen.

Bei regelmäßiger Atmung wird der „Ballon“ nie zu stark aufgepumpt. Wenn du jedoch anfängst, den Atem anzuhalten und aufzusteigen, nimmt der Gesamtdruck ab und das Luftvolumen in deiner Lunge vergrößert sich.

Wenn du den Atem noch länger anhältst, besteht die Gefahr, dass du deine Lunge überdehnst, was jegliche Arten von Verletzungen verursachen kann.

Dieses Tauchgasgesetz ist auch der Grund, warum wir beim Abstieg Luft in unser BCD füllen müssen, und sie beim Aufstieg ablassen, um durchgehend neutral tariert zu bleiben.

Gesetz von Dalton

Das zweite wichtige Tauchgas wurde von John Dalton (1766 – 1844) entdeckt, der feststellte, dass:

Der Gesamtdruck eines Gases ist gleich der Summe der Partialdrücke seiner Komponenten.

Partialdruck bezieht sich auf den Druck jeder der Komponenten zu jedem Zeitpunkt.

Chemie Phiolen
Die Summe aller Partialdrücke eines Stoffes oder Gases ist sein Gesamtdruck.

Schauen wir uns das bei normaler Druckluft an, die die meisten Taucher bei ihren Tauchgängen verwenden.

Wir brauchen erstmal die Bestandteile der Luft die ich in der folgenden Tabelle für dich aufgelistet habe.

Rest bezieht sich auf andere Edelgase neben Argon, wie Helium und Spuren von CO2, etc.

KomponentAnteil
Stickstoff78%
Sauerstoff21%
Argon0.9%
Rest0.1%
Gesamt100%
Bestandteile von Luft.

Der Komponenten und ihre Prozentsätze ändern sich nie, auch nicht unter Wasser, also bleiben diese Zahlen fest.

Was sich jedoch ändert, ist der Partialdruck, wenn wir den Gesamtdruck erhöhen oder verringern.

Beim Abstieg führt dies zu höheren Partialdrücken, beim Aufsteigen zu niedrigeren.

Druck auf Meereshöhe

Schauen wir uns an, wie sich das Dalton’sche Gesetz auf die Luft auswirkt, die wir während eines Tauchgangs atmen. Ich habe die Tabelle von oben modifiziert und jetzt sehen wir die Partialdrücke aller Komponenten auf Meereshöhe.

Ich habe auch Argon und andere Edel- und Spurengase kombiniert, um die Tabelle zu vereinfachen.

KomponentAnteilPartialdruck bei 0 Metern
Luft100%1.00 bar
Stickstoff78%0.78 bar
Sauerstoff21%0.21 bar
Rest1%0.01 bar
Partialdrücke auf Meereshöhe.

Druck auf 10 Meter Tiefe

Jetzt ist es Zeit, tiefer zu tauchen. Wie du weißt, steigt der Umgebungs- oder Gesamtdruck unter Wasser um 1 bar / 10m.

Auch hier ändern sich die Prozentsätze nicht – es sei denn du hast das Atemgas unter Wasser geändert- sodass sich nur der Gesamtluftdruck ändert.

Daher steigt auch der Partialdruck jeder Komponente an.

Auf 10m erreicht der Gesamtdruck der Luft 2 bar und die Tabelle sieht wie folgt aus:

KomponentAnteilPartialdruck bei 10 Metern
Luft100%2.00 bar
Stickstoff78%1.56 bar
Sauerstoff21%0.42 bar
Rest1%0.02 bar
Partialdrücke bei 10 Metern Tiefe.

Wie du sehen kannst, haben sich alle Zahlen verdoppelt, da sich der Umgebungsdruck ebenfalls verdoppelt.

Die Summe aller Drücke der Komponenten ergibt den Gesamtdruck der Luft in der Tiefe, was genau das ist, was Dalton in seinem Gesetz beobachtet hat.

Druck auf 20 Meter Tiefe

Ich bin mir sicher, dass du den Punkt verstanden hast. Lass uns dies jedoch für 20 Meter wiederholen, damit du noch es einmal sehen kannst.

KomponentAnteilPartialdruck bei 20 Metern
Luft100%3.00 bar
Stickstoff78%2.43 bar
Sauerstoff21%0.63 bar
Rest1%0.03 bar
Partialdrücke bei 20 Metern Tiefe.

Warum ist das Gesetz von Boyle-Mariotte für das Tauchen wichtig?

Dieses Tauchgasgesetz ist für uns Taucher sehr wichtig, da es uns ermöglicht zu bestimmen, wann der Partialdruck einer bestimmten Komponente einen Schwellenwert erreicht.

Aus deinem Open Water Diver Kurs erinnerst du dich an die zunehmende Toxizität von Atemgasen, insbesondere Sauerstoff und Stickstoff.

Sauerstoffvergiftung

Bei rund 1.4 bars Partialdruck wird Sauerstoff zunehmend giftig, weshalb wir nie die Tiefe von 56m übersteigen, auf der wir diesen Druck erreichen.

Wenn wir mit dem absoluten Maximaldruck von 1.6 bar rechnen, wie von der CMAS vorgegeben, steigt die maximale Tiefe bei Luft als Atemgas auf 66 Meter.

So tief auf Luft zu tauchen ist jedoch eine schlechte Idee aufgrund des Phänomens namens „Stickstoffnarkose“.

Ausrufezeichen
Überschreite nicht die Grenzen des Sporttauchens!

Das Überschreiten des maximalen Sauerstoffpartialdrucks kann das Zentralnervensystem und unsere Lunge schädigen und sogar zum Tod führen.

Bitte überschreite nicht die Grenzen des Sporttauchens, die dein Tauchverband vorgibt!

Stickstoffnarkose

Sobald der Partialdruck von Stickstoff ungefähr 3 bar überschreitet, also bei ungefähr 30 Metern Tiefe, verspüren Taucher narkotische Gefühle, die sich mit zunehmendem Anstieg des Partialdrucks verschlimmern.

In einem Deep Diver Spezialkurs lernst du, dessen Symptome (irrationales Verhalten, Tunnelblick, metallischer Geschmack im Mund, Gefühl des „Betrunkenseins“) zu beobachten und in diesem Fall zu reagieren.

Daher ist es sehr gefährlich und höchstwahrscheinlich nicht besonders angenehm, die maximale Tauchtiefe von 56 / 66 Metern auf Luft zu erreichen, selbst wenn keine Unfälle passieren.

Technische Taucher vermeiden die negativen Nebenwirkungen der Atemgastoxizität, indem sie unterschiedliche Gasgemische verwenden je nach maximaler Tauchtiefe („Maximum Operating Depth“ – MOD).

Gesetz von Henry

Nicht zuletzt befasst sich das Gesetz von Henry mit der Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten in Bezug auf den Umgebungsdruck. Unter den Tauchgasgesetzen scheint dies bei Anfängern und sogar erfahrenen Tauchern die größte Verwirrung zu stiften.

In seinen Studien stellte Henry (1774 – 1836) Folgendes fest:

Die Konzentration eines in einer Flüssigkeit gelösten Gases ist proportional zu seinem Partialdruck über der Flüssigkeit.

Dies ist wichtig im Hinblick auf die Dekompressionserkrankung und ihre Ursachen. Verwenden wir zunächst ein kleines Beispiel, um Verwirrung zu vermeiden.

Experiment: Magically moving a lake up on a mountain

Stell dir einen See am Fuße eines hohen Berges vor, wie den unten abgebildeten.

Bergsee Lodge
Wenn du den See auf die Spitze des Berges anhebst, beginnt das Wasser „auszugasen“.

Wie erscheint das Wasser?

Wenn deine Antworten in Richtung „Es bleibt still“ oder „Es gibt keine Bewegung“ oder „Ich weiß nicht, es gibt nichts zu sehen“ gehen, hast du absolut Recht.

Solange nichts die Oberfläche aufwirbelt, bleibt es still. Stellen wir uns nun vor, wir erheben den gesamten See auf den Gipfel des Berges.

Was passiert jetzt?

Das Wasser beginnt zu „auszugasen“, sodass Gas aus dem Wasser in die Luft darüber freigesetzt wird.

Du kannst diesen Prozess in Form von Blasen an der Seeoberfläche beobachten, die ihn wie Sprudelwasser aussehen lassen.

In dem See war beim vorher herrschenden Druck am Fuße des Berges Gas eingeschlossen, bei sagen wir 1bar.

Nachdem er auf den Gipfel des Berges gesetzt wurde auf 1000m, beträgt der Umgebungsdruck jetzt 0.9 bar (denn wenn wir uns weiter nach oben bewegen, nimmt der Druck um 0,1 bar / 1000 m ab) und eine Druckdifferenz entsteht.

Wie wir aus dem Physikunterricht in der Schule wissen, bewegt sich das Gas in Richtung des niedrigeren Drucks, um den Unterschied in einem Prozess auszugleichen. Dies bezeichnen wir als „Diffusion“.

Da der See instantan versetzt wurde, muss das Gas auch sofort austreten, was Blasen verursacht.

Blasen im Wasser
Blasen formen sich im Wasser.

Sobald der Druck im Inneren des Sees wieder dem Außendruck entspricht, sagen wir nach einer Woche, werden die Blasen nachlassen.

Wenn der See langsam bewegt worden wäre, beispielsweise um 10 Meter pro Tag, hätte das Gas die Zeit gehabt, allmählich zu entweichen und dies ohne Blasenbildung.

Für Interessierte: Wenn wir den See jetzt wieder zum Fuß des Berges hinunterbewegen würden, würde der Prozess erneut in die gegengesetzte Richtung beginnen und das Gas würde sich im Wasser auflösen.

Es wäre jedoch nicht sichtbar mit bloßem Auge.

Gesetz von Henry beim Tauchen

Der gerade beschriebene Prozess ist genau das, was bei jedem Tauchgang passiert. Wenn wir absteigen, steigt der Druck und mehr Stickstoff wird in unser Gewebe, Blut, Organe und Knochen aufgelöst.

Sobald wir anfangen aufzutauchen, muss das überschüssige Gas unseren Körper verlassen, entweder durch ausatmen oder durch Diffusion aus unserem Gewebe.

Warum ist das Gesetz von Henry für das Tauchen wichtig?

Ähnlich wie im Beispiel des Sees bilden sich Blasen, wenn die Diffusion beim Tauchen zu schnell erfolgt, wenn das Gas sofort freigesetzt wird.

Wir nennen dies manchmal den „Limodosen-Effekt“, weil er einer zu schnell geöffneten Limodose ähnelt und jetzt der sprudelnde Inhalt in einem großen Spritzer herausschießt.

Sprudelnde Cola-Dose
Der „Limodosen Effekt“ zeigt gut, was während einer Dekompressionserkrankung passiert.

Dies führt zu einer Reihe gefährlicher und möglicherweise lebensbedrohlicher Symptome, die alle zu einer Kategorie gehören: Dekompressionserkrankung (DCS).

Denk jedoch daran, dass es nicht das Gesetz von Henry ist, das die DCS verursacht, es erklärt lediglich, warum Diffusion entsteht.

Stattdessen liegt der Grund für die Dekompressionserkrankung in der Nicht-Einhaltung der maximalen Aufstiegsraten, Nullzeiten, und den maximalen Tiefengrenzen deines Verbandes.

Jeder Taucher weiß, dass DCS sehr schlecht ist. Bitte halte dich an die allgemeinen Regeln und Vorschriften des Sporttauchens, das du in deinem Anfängerkurs gelernt hast.

Dies stellt sicher, dass du bei jedem Tauchgang immer sicher bist, besonders wenn du dies mit deinem jetzt aufgefrischten Wissen über die wichtigsten Gasgesetze beim Tauchen kombinierst! 😃

Wenn du lernen möchtest, wie du während eines Tauchgangs mit noch weniger Stickstoffaufnahme tauchst und das bei längeren Nullzeiten, belege unseren Nitrox Spezialkurs!

Wir bieten einen großartigen Online-Kurs an, der dir zeigt, wie du dieses spezielle Gasgemisch verwendest und ein zertifizierter Nitrox Basic-Taucher wirst.

Fazit

Ich hoffe, du hast aus diesem Artikel etwas über die wichtigsten Gesetze für Tauchgase gelernt, die in einfachen Worten erklärt wurden. Es ist immer eine gute Idee, die Grundlagen deines Open Water Diver Kurses zu wiederholen, insbesondere wenn du schon länger nicht tauchen warst.

Wenn du die Tauchgasgesetze noch einmal mit einem Tauchlehrer besprechen möchtest, belege einen Scuba Review Refresherkurs. So bist du in kürzester Zeit wieder mit Tauchtheorie und -skills auf dem richtigen Weg.

Wenn du Kommentare, Gedanken oder Vorschläge hast, hinterlasse sie hier oder besuch uns auf Facebook und anderen Social Media-Kanäle, und tausch dich mit mir darüber aus.

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Tauche mit uns immer mit Freunden und stets happy bubbles. 😃

Cheers

Julius

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