混合气压力测量及CO2分压示例

混合气是指两种或两种以上单一气体按一定比例混合所组成的均匀混合的气体。

潜水中呼吸的混合气一般采用人工配制而成，常用的配制方法有分压配气法、容积配气法、流量配气法及称量配气法等。

空气是最常见的天然混合气。它含有氧气、氮气、二氧化碳、水蒸气等成分。空气是最常用的潜水呼吸气源。因空气中含有大量的氮气，在深潜水时，会使潜水员发生氮麻醉。故在深潜水中常用氧气和其他一些惰性气体配成潜水混合气体。现今最常用的是用氧气和氦按一定比例配制成氦氧混合气，用于氦氧潜水和饱和潜水。

混合气具有一定的压强，一瓶装有某种混合气的气瓶，用压力表可测出这瓶混合气的压强。这个压强是由混合气中各个成分共同作用的结果，把它称为混合气的总压。如果把混合气体中某一成分气体单独留在气瓶内，其他成分全部排出气瓶，这时所留下的单一气体将单独占据整个气瓶的空间。用压力表能够测出这种单一成分气体的压强。

混合气体中，某种单一成分的气体的压强称为混合气体中这种单一成分气体的分压。故在混合气体中，每一种成分的单一气体都具有各自的分压。

1）道尔顿定律

混合气的总压用压力表可轻易测得，但混合气中某种成分气体的分压几乎不可能用压力表测出。原因是无法在容器中仅保留某种气体，而把其他成分气体排出。

英国科学家道尔顿通过实验证明：

混合气体的总压强等于各组成成分气体的分压之和，即

式中：P——混合气的总压强；

P1、P2，…，Pn——各组成成分气体的分压。

把公式（2-5）称为道尔顿定律，也称为分压定律。

道尔顿指出混合气中任何一种气体的分压与这种气体在整个容器中的分子百分数（体积百分比）成正比。

道尔顿定律可用于计算混合气中某种成分气体的分压，即

式中：Px——某种气体的分压；

P——混合气总压；

C——某种气体在混合气中所占的体积百分比。

例2-3 已知空气中O2、N2和CO2的体积分别占空气总体积的21%、78%和0.03%。求在常压及水下50 m时，它们各自的分压。

解：常压下，空气的总压强为0.1 MPa，水下50 m时，空气的压强变为0.6 MPa。在空气的压缩过程中，各种成分的百分比不变。

据式（2-6），在常压时，

PO2=0.1×21%=0.021 MPa(www.xing528.com)

PN2=0.1×78%=0.078 MPa

PCO2=0.1×0.03%=0.000 03 MPa

在水下50 m时，

PO2=0.6×21%=0.126 MPa

PN2=0.6×78%=0.468 MPa

PCO2=0.6×0.03%=0.000 18 MPa

混合气体中各成分气体对人体生理有不同的反应。气体对人体生理的作用取决于气体的分压。

2）水面等值

从例2-3中，可以看出，潜水员在50 m水深时，从空气中吸入的氧分子的数量比在常压（0.1 MPa）下从纯氧中吸入的氧分子数量还多得多。同样吸入的二氧化碳分子数也为在水面正常空气中的6倍。为了比较气体在高压环境和常压环境对人体生理作用的影响，这里引入水面等值的概念。

所谓水面等值，指在某一深度的水中，一定分压的某种气体的浓度，与在水面常压（0.1 MPa）时呼吸的混合气体中含x%的这种气体相同。即

式中：SE——水面等值；

P——气体在某深度水中的分压。

例2-4 某种混合气体中，CO2分压为0.003 MPa（绝对压）。问其水面等值为多少？

解：已知PCO2=0.003 MPa，根据式（2-7），可得

所以其水面等值为3%。

例2-4中，说明潜水员在水下所吸入的二氧化碳的数量，相当于在水面常压下呼吸的气体中含有3%的二氧化碳，这对潜水员来说是相当危险的，即可能引起二氧化碳中毒症状。为了避免这种现象的出现，应严格控制呼吸气源中二氧化碳的含量，并经常对潜水头盔进行通风，防止头盔内二氧化碳大量积聚引起分压过高。

3）气体的弥散

气体的弥散是指某种气体的分子通过自身的运动而进入另一种物质分子间隙内部的现象。它是气体分子在分压作用下运动的结果。

把两种气体放在同一容器内，尽管两种气体的密度不同，但到最后，这两种气体将完全均匀混合。

气体的弥散遵循从高分压区向低分压区扩散的规律。分压的差值越大，弥散的速度也越快。