Plongeur Niveau 4 - Pressions Partielles et Dissolution

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Cours sur les pressions partielles et la dissolution, ainsi que les éléments de calcul de tables destiné aux plongeurs préparant le diplôme de Guide de Palanquée FFESSM (N4)

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Plongeur Niveau 4 - Pressions Partielles et Dissolution

  1. 1. Formation Niveau 4 – Saison 2015/2016 Pressions Partielles - Dissolution Pressions Partielles Dissolution Philippe Jourdren philippe.jourdren@laposte.net
  2. 2. Formation Niveau 4 – Saison 2015/2016 Pressions Partielles - Dissolution Plan du cours • Introduction • Pressions partielles • Dissolution – Rappels – Le Mécanisme de saturation – Les tables MN90 : Le modèle Haldanien – Dissolution des gaz – Coefficient de sursaturation – Calcul de paliers – Les autres modèles de décompression
  3. 3. Formation Niveau 4 – Saison 2015/2016 Pressions Partielles - Dissolution Introduction Pourquoi encore un cours sur ces sujets ? • Connaître les seuils de toxicité de l’O2 et du N2 pour plonger en sécurité • Comprendre le mécanisme de saturation et en particulier le modèle haldanien • En tant que Guide de Palanquée, vous devez être capable de comprendre et d’expliquer simplement pourquoi on peut être amené à faire des paliers • Vous devez aussi pouvoir conseiller les plongeurs pour l’achat d’un ordinateur et donc connaître quelques modèles de décompression • Comprendre les termes « gradient », « compartiment », « sursaturation » (entre autres) Etre conscient que les paliers, ça se respecte !!!
  4. 4. Formation Niveau 4 – Saison 2015/2016 Pressions Partielles - Dissolution Pressions partielles • La notion de pression partielle d’un mélange gazeux a été mise en évidence par John Dalton • La pression totale d’un mélange gazeux se répartit en proportion de chacun des gaz qui le compose. – Par exemple dans l’air (21% d'O2 et 79% de N2) • 21% de la pression totale est exercée par l’oxygène, • 79% par l’azote. • La pression exercée par chacun de ces gaz s’appelle la pression partielle (Pp) • la somme des pressions partielles est égale à la pression absolue. • Dans un mélange gazeux, chaque gaz se comporte comme s’il était seul. 0,6 bar d’O2 (20 %) 2,4 bar de N2 (80 %) 0,6 + 2,4 = 3 bar Pabs = PpO2 + PpN2 Pp = Pabs * %gaz
  5. 5. Formation Niveau 4 – Saison 2015/2016 Pressions Partielles - Dissolution Seuils de toxicité • Seuil de toxicité de l’oxygène : – PpO2 = 1,6 bar (en plongée loisir on prendra toujours la valeur 1,4 bar pour le mélange « fond ») – Seuil à partir du duquel le plongeur s’expose au risque hyperoxique – Cette pression partielle est atteinte à une profondeur de 70 mètres en plongée à l’air (profondeur non admise par le Code du Sport) • Seuil de toxicité de l’azote : – PpN2 = 3,5 bar – Seuil à partir du duquel le plongeur s’expose au risque narcotique (narcose) – Cette pression partielle est atteinte à une profondeur d’environ 33,75 mètres en plongée à l’air (La narcose peut donc survenir dès cette profondeur chez les sujets les plus sensibles) • Ces seuils permettent de comprendre les limites de la plongée à l’air et les règles de la plongée aux mélanges
  6. 6. Formation Niveau 4 – Saison 2015/2016 Pressions Partielles - Dissolution Mise en application • Quelle est la limite de profondeur en plongée loisir pour un Nitrox 40/60 ? – Ce Nitrox est composé de 40% d’O2 et de 60% de N2 – PpO2 = 1,4 bar – Pabs = PpO2 / %O2 = 1,4 / 0,4 = 3,5 bar – Profondeur max = 25 mètres • Quel Nitrox doit-on confectionner pour avoir à 30 mètres une pression partielle d’azote équivalente à celle d’une plongée à l’air à 20 mètres ? – %N2 dans l’air : 80 % – Pabs à 20 mètres : 3 bar – Pabs à 30 mètres : 4 bar – PpN2 à l’air à 20 mètres = 3 x 0,8 = 2,4 bar – %N2 dans le mélange = 2,4 / 4 = 60 % – Donc mélange Nitrox 40/60 • Quelle est la profondeur limite de plongée à l’air – PpO2 = 1,4 bar – Pabs = Ppo2 / %02 = 1,4 / 0,2 = 7 bar – Profondeur max : 60 mètres Pp = Pabs * % Pabs = Pp / % % = Pp / Pabs
  7. 7. Formation Niveau 4 – Saison 2015/2016 Pressions Partielles - Dissolution Dissolution : Rappels • Au cours d’une plongée, l’organisme se sature en azote. Le mécanisme de saturation est expliqué par la loi de Henry (principe mis en évidence par William Henry en 1803) • Enoncé de la loi – « A température constante et à saturation, la quantité de gaz dissous dans un liquide est proportionnelle à la pression du gaz au dessus du liquide » • Lorsqu'un gaz est en contact avec un liquide il se produit un échange gazeux entre eux, le gaz se dissout dans le liquide. – La dissolution va toujours dans le sens du milieu le plus concentré vers le moins concentré – La dissolution n’est pas instantanée, elle prend plus ou moins de temps selon les parties du corps • Les facteurs qui influencent la dissolution sont : – La nature du gaz et du liquide • L’air ne se dissout pas de la même manière dans l’eau et dans l’huile – La pression, la température, la surface d'échange • La pression augmente la dissolution • Le froid favorise la dissolution • Plus la surface d’échange est grande, plus la dissolution est importante – La diffusion du gaz (c'est sa propriété à pouvoir pénétrer dans un liquide ) • L’azote se diffuse beaucoup mieux dans l’eau que l’oxygène (nous sommes constitués à 70% d’eau !)
  8. 8. Formation Niveau 4 – Saison 2015/2016 Pressions Partielles - Dissolution Les Tables MN90 : Le Modèle Haldanien • John Scott Haldane (1860-1936) a travaillé sur les phénomènes de décompression. Il publie des tables de plongée en 1907 qui prennent les hypothèses suivantes : – Saturation et désaturation sont instantanées et symétrique – Modélisation du corps humain en compartiments • Le corps est divisé en groupes étanches entre eux (sang, muscles, os, …) qui en fonction de leur vascularisation réagissent à la saturation et à la désaturation – Vitesse de remontée rapide – Paliers proches de la surface • Ce modèle a depuis été amélioré et raffiné ! – Vitesse de remontée lente – Saturation et désaturation ne sont pas symétriques
  9. 9. Formation Niveau 4 – Saison 2015/2016 Pressions Partielles - Dissolution Le mécanisme de saturation Pression partielle de N2 dans l’air respiré N2 dissous dans le corps du plongeur
  10. 10. Formation Niveau 4 – Saison 2015/2016 Pressions Partielles - Dissolution Les Tables MN90 : Le Modèle Haldanien • La pression exercée dans un fluide sur un gaz est appelée la Tension – On appelle Tension initiale (Ti) la tension à laquelle le mécanisme de saturation/désaturation démarre. • La Tension initiale d’azote est de 0,8 bar lors d’une plongée initiale – On appelle Tension finale (Tf) la valeur vers laquelle le mécanisme de saturation tend. • Dans une plongée à 40 mètres, la Pression absolue est de 5 bar, • La Tension finale d’azote est donc de 5 x 0,8 = 4 bar • La Saturation, c’est l’équilibre entre la Pression et la Tension • Le Gradient, c’est la quantité de gaz à dissoudre (ou à restituer) à un moment donné – Pour une plongée initiale à 40 mètres, le Gradient d’azote est la différence entre la Tension finale et la Tension initiale • Le corps humain est divisé en Tissus différents – Il y a 12 tissus différents – Chaque tissu a une vitesse de saturation spécifique – Le temps (en minutes) nécessaire pour qu’un tissu dissolve la moitié du Gradient s’appelle la Période (T) – Un Compartiment regroupe tous les tissus de même période – Il y a donc 12 compartiments, notés CT 𝐺 = 𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 = 5 𝑥 0,8 − 0,8 = 4 − 0,8 = 3,2 𝑏𝑎𝑟
  11. 11. Formation Niveau 4 – Saison 2015/2016 Pressions Partielles - Dissolution Les Tables MN90 : Le Modèle Haldanien • Si on considère un Compartiment de période T = 10’, soumis à une pression Pabs = 5 bar (soit 40 mètres de profondeur) • le calcul de TN2 (tension d'azote) est le suivant : – Tf (Tension finale) = 0,80 x 5 = 4 bar – Ti (Tension initiale) = 0,8 x 1 = 0,8 bar (en surface) – G (Gradient) = 4 – 0,8 = 3,2 bar – Au bout de 10’, le tissu a dissout la moitié du Gradient (50% de l'azote), soit une tension de : • 4 −0,8 2 = 3,2 2 = 1,6 𝑏𝑎𝑟 – La tension d’azote TN2 dans le tissu est donc maintenant de Ti + G/2 = 0,8 + 1,6 = 2,4 bar – Pendant les 10’ suivantes, le tissu dissout (4 - 2,4)/2 = 0,8 – La tension du gaz dans le tissu est 2,4 + 0,8 = 3,2 bar
  12. 12. Formation Niveau 4 – Saison 2015/2016 Pressions Partielles - Dissolution Dissolution des gaz Période Ti Tf Gradient (Tf – Ti) Dissolution Tension réelle 1 0,8 4 4 - 0,8 = 3,2 3,2 / 2 = 1,6 0,8 + 1,6 = 2,4 2 2,4 4 4 – 2,4 = 1,6 1,6 / 2 = 0,8 2,4 + 0,8 = 3,2 3 3,2 4 4 – 3,2 = 0,8 0,8 / 2 = 0,4 3,2 + 0,4 = 3,6 4 3,6 4 4 – 3,6 = 0,4 0,4 / 2 = 0,2 3,6 + 0,2 = 3,8 5 3,8 4 4 – 3,8 = 0,2 0,2 / 2 = 0,1 3,8 + 0,1 = 3,9 6 3,9 4 4 – 3,9 = 0,1 0,1 / 2 = 0,05 3,9 + 0,05 = 3,95 … … 4 … … … Le tableau représente les tensions • Ti = tension initiale • Tf = tension finale • Tréelle = Ti + Dissolution = tension du gaz à la fin de la période En 6 périodes un compartiment est quasiment à saturation • Le compartiment C5 se sature (et se dessature) donc en 30 minutes • Le compartiment C20 se sature (et se dessature) donc en 2h • Le compartiment C120 se sature (et se dessature) donc en 12 heures
  13. 13. Formation Niveau 4 – Saison 2015/2016 Pressions Partielles - Dissolution Dissolution des gaz Saturation Désaturation 0 % 50 % 75 % 87,5 % 93,75 % 96,88 % 98,48 % 50 % 25 % 12,5 % 6,25 % 3,13 % 1,56 %
  14. 14. Formation Niveau 4 – Saison 2015/2016 Pressions Partielles - Dissolution Coefficient de sursaturation • Lorsque la remontée est trop rapide ou que les paliers ne sont pas respectés, il y aura un dégazage anarchique dans l’organisme, et formation de bulles annonciatrices de l’ADD. Ce phénomène est appelé la « sursaturation critique ». – La tension d’azote dissous dans le compartiment est supérieure à la pression partielle en azote. On appelle coefficient de sursaturation (Cs) le rapport entre cette tension et la pression totale absolue : • Un coefficient de sursaturation critique « CSc » est déterminé pour chaque compartiment. Ce coefficient fixe la limite admissible à ne pas dépasser pour garantir le non dégazage. Cs = 𝑻 𝑵𝟐 𝑷 𝒂𝒃𝒔 𝐨𝐮 𝐛𝐢𝐞𝐧 𝐏 𝐚𝐛𝐬 = 𝑻 𝑵𝟐 𝑪 𝒔
  15. 15. Formation Niveau 4 – Saison 2015/2016 Pressions Partielles - Dissolution Coefficient de sursaturation Compartiment Période Saturation CSc C5 5’ 30’ 2,72 C7 7’ 42’ 2,54 C10 10’ 1h 2,38 C15 15’ 1h30’ 2,20 C20 20’ 2h 2,04 C30 30’ 3h 1,82 C40 40’ 4h 1,68 C50 50’ 5h 1,61 C60 60’ 6h 1,58 C80 80’ 8h 1,56 C100 100’ 10h 1,55 C120 120’ 12h 1,54
  16. 16. Formation Niveau 4 – Saison 2015/2016 Pressions Partielles - Dissolution Calcul de paliers • A la remontée, les compartiments dessaturent de façon inverse à la saturation • Le coefficient de sursaturation augmente pendant la remontée, mais il ne doit pas dépasser le coefficient de sursaturation critique • Quand CS = CSc il faut arrêter la remontée (pour stopper la diminution de PpN2. On attend alors que la valeur de Cs diminue de nouveau pour pouvoir reprendre la remontée. C’est donc un palier de décompression. • Le compartiment ayant entraîné le palier est appelé « Compartiment directeur ». C’est le compartiment directeur qui détermine la profondeur du palier à effectuer
  17. 17. Formation Niveau 4 – Saison 2015/2016 Pressions Partielles - Dissolution Calcul de paliers : Illustration • Un plongeur plonge à 40 m pendant 20’. Parmi les compartiments C5, C10 et C20, lequel est le compartiment directeur ? A quelle profondeur doit-il effectuer son premier palier ? • Le compartiment directeur est le C5 • Il faut effectuer un palier au minimum à 4 mètres (soit un palier à 6 mètres comme on suit les Tables MN90) Compartiment Nombre de périodes effectuées TN2 du compartiment CSc Pabs = TN2 / CSc C5 4 3,8 2,72 1,4 bar C10 2 3,2 2,38 1,34 bar C20 1 2,4 2,04 1,18 bar
  18. 18. Formation Niveau 4 – Saison 2015/2016 Pressions Partielles - Dissolution Modèles de désaturation • Les phases de saturation / désaturation sont des phénomènes complexes et non linéaires. • Ces phénomènes sont toujours en phase d’étude Les tables MN90 utilisent un modèle « haldanien » Vitesse de saturation rapide au début puis ralentissant Vitesse de désaturation rapide au début puis ralentissant Tous les ordinateurs de plongée n’utilisent pas le même modèle
  19. 19. Formation Niveau 4 – Saison 2015/2016 Pressions Partielles - Dissolution Modèles de désaturation • Il n’y a pas de modèle meilleur qu’un autre • Beaucoup de modèles sont déduits ou s’inspirent des autres • Plusieurs théories – Décharge – Diffusion – Séries – Micro-bulles – Deep-stop
  20. 20. Formation Niveau 4 – Saison 2015/2016 Pressions Partielles - Dissolution Questions / Réponses
  21. 21. Formation Niveau 4 – Saison 2015/2016 Pressions Partielles - Dissolution Merci pour votre attention Certains schémas de cette présentation sont extraits de Illustra-Pack 3 de Alain Foret Retrouvez-moi sur http://www.philjourdren.fr http://fr.slideshare.net/lizard2802 Twitter : @PhilJourdren

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