Занятие биофиз 3,4. Физические основы клинического метода измерения давления крови
 Скачать 168.68 Kb.
|
|
Характер теплового движения молекул в жидкостях. Характер движения молекул в жидкостях существенно отличается от движения молекул, как в газах, так и в твердых телах. В газах среднее расстояние между соседними молекулами гораздо больше их диаметра. Поэтому при тепловом движении молекулы движутся хаотически. В твердых кристаллических телах молекулы расположены в правильном периодическом порядке и составляют кристаллическую решетку. Этот порядок сохраняется на далекие расстояния (миллионы и миллиарды молекулярных расстояний). Такой порядок называется «дальним порядком». Поскольку плотность твердых тел значительно больше плотности газов, молекулы в кристаллах примыкают друг к другу. Тепловое движение молекул сводится к их колебаниям около положения равновесия. В жидкостях средние расстояния между соседними молекулами несколько больше, чем у кристаллов. Поэтому молекулы жидкости могут отходить от своих правильных положений, расстраивая идеальный порядок, свойственный кристаллам. Тепловое движение молекул в жидкостях сводится к следующему. Молекулы большую часть времени колеблются около своих положений равновесия. Амплитуды колебаний различных молекул различны. Вследствие взаимодействия молекул при тепловом движении энергия некоторых из них может возрасти. Поскольку увеличение энергии соответствует увеличению амплитуды колебаний, то амплитуда колебаний этих молекул может возрасти настолько, что они при наличии свободного места перескакивают в другие положения равновесия и начинают колебаться около них. С увеличением температуры амплитуда колебаний и частота таких перескоков возрастают. Так как расстояния между соседними молекулами в жидкости все-таки малы, то в жидкости сохраняется так называемый «ближний порядок», т.е. порядок в расположении ближайших соседей какой-либо молекулы. Этот порядок размывается по мере удаления от данной молекулы. Поверхностное натяжение. Молекулы, расположенные в поверхностном слое жидкости, находятся в иных условиях по сравнению с молекулами внутри жидкости. Рис.1 Каждая из внутренних молекул окружена со всех сторон другими молекулами и испытывает одинаковое притяжение во всех направлениях. Молекулы, расположенные вблизи поверхности, испытывают со стороны своих соседей притяжение, направленное внутрь и в стороны (рис.1), но не испытывают уравновешивающего притяжения со стороны прилегающих слоев газообразной фазы, содержащих в себе значительно меньшее число молекул. В результате на поверхностную молекулу действует сила, направленная внутрь жидкости, перпендикулярно ее поверхности (fп).  Под действием этой силы молекулы погружаются в жидкость. Вследствие теплового движения небольшая часть молекул вновь выходит на поверхность. Втягивание молекул внутрь происходит с большей скоростью, чем движение молекул к поверхности. Число молекул в поверхностном слое будет непрерывно уменьшаться. Поверхность жидкости будет сокращаться до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие, т. е. пока количество молекул, уходящих из поверхностного слоя и возвращающегося в него за одно и то же время, не будет одинаковым. Таким образом, при отсутствии внешних сил поверхность жидкости принимает наименьшее значение, возможное при данном объеме. Т.е. при отсутствии внешних сил молекулы жидкости стремятся занять положение, соответствующее минимуму энергии, поэтому жидкость в свободном состоянии стремится иметь минимальную площадь поверхности и принимает форму шара. Если рассмотреть одну из молекул на поверхности (Рис.1), то на нее со стороны других молекул действуют силы. Каждую из этих сил можно разложить на две составляющие, направленные одна по касательной к поверхности жидкости (Fк), другая - ей перпендикулярно (fп). Силы, направленные по касательной, вызывают стремление жидкости сократить свою поверхность, и называются силами поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения , который численно равен силе поверхностного натяжения F , приходящейся на единицу длины контура l, ограничивающего поверхность жидкости, т.е. =F/l (1) Эта сила направлена перпендикулярно к любому элементу длины, ограничивающему поверхность жидкости, и касательная к ее поверхности (Рис.2.).  Коэффициент поверхностного натяжения в системе СИ измеряется в (Н/м). Коэффициенту поверхностного натяжения можно дать и другое определение. Коэффициент поверхностного натяжения равняется поверхностной энергииW , приходящейся на единицу площади S свободной поверхности жидкости: =W/S(2) В этом случае измеряется в «СИ» в (Дж/м2). Поверхностное натяжение растворов отличается от поверхностного натяжения чистых жидкостей. При растворении твердого или жидкого вещества в жидком растворителе силы притяжения между молекулами растворенного вещества и растворителя обычно не равны силам взаимного притяжения между молекулами чистого растворителя. Рассмотрим случай, когда силы притяжения между молекулами растворенного вещества и растворителя меньше сил притяжения между молекулами растворителя. Такие растворенные вещества называются поверхностно-активными (ПАВ). Так как молекулы растворенного вещества притягиваются молекулами растворителя слабее, чем молекулы самого растворителя, то из поверхностного слоя внутрь жидкости преимущественно втягиваются молекулы растворителя и в поверхностном слое увеличивается концентрация молекул растворенного вещества, следовательно уменьшается таким образом поверхностное натяжение раствора. Некоторые выводы: 1. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от рода жидкости. 2. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от температуры .T ↑σ ↓ 3. Высота подъёма жидкости в капилляре зависит от его диаметра. d ↑ h ↓ 4. Сила поверхностного натяжения зависит от длины свободной поверхности жидкости. l ↑ F ↑ Значение поверхностного натяжения Понятие поверхностного натяжения впервые ввел Я. Сегнер (1752). В 1-й половине 19 в. на основе представления о поверхностном натяжении была развита математическая теория капиллярных явлений (П. Лаплас, С. Пуассон, К. Гаусс, А.Ю. Давидов). Во 2-й половине 19 в. Дж. Гиббс развил термодинамическую теорию поверхностных явлений, в которой решающую роль играет поверхностное натяжение. Среди современных актуальных проблем - развитие молекулярной теории поверхностного натяжения различных жидкостей, включая расплавленные металлы. Силы поверхностного натяжения играют существенную роль в явлениях природы, биологии, медицине, в различных современных технологиях, полиграфии, технике, в физиологии нашего организма. Без этих сил мы не могли бы писать чернилами. Обычная ручка не зачерпнула бы чернил из чернильницы, а автоматическая сразу же поставила бы большую кляксу, опорожнив весь свой резервуар. Нельзя было бы намылить руки: пена не образовалась бы. Нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений. Пострадали бы важные функции нашего организма. Проявления сил поверхностного натяжения столь многообразны, что даже перечислить их все нет возможности. Непрерывно растут объёмы печати на полимерных плёнках благодаря бурному развитию упаковочной индустрии, высокому спросу на потребительские товары в красочной полимерной упаковке. Важное условие грамотного внедрения подобных технологий — точное определение условий их применения в полиграфических процессах. В полиграфии обработка пластика перед печатью необходима для того, чтобы краска ложилась на материал. Причина заключается в поверхностном натяжении материала. Результат определяется тем, как жидкость смачивает поверхность изделия. Смачивание считается оптимальным, когда капля жидкости остается там же, где она была нанесена. В других случаях жидкость может скатываться в каплю, либо, наоборот, растекаться. Оба случая в равной степени приводят к отрицательным результатам во время переноса краски. В медицине измеряют динамическое и равновесное поверхностное натяжение сыворотки венозной крови, по которым можно диагностировать заболевание и вести контроль над проводимым лечением. Так, например, при заболевании желтухой поверхностное натяжение мочи резко уменьшается вследствие появления в моче желчных кислот. При диабете и некоторых других заболеваниях повышается содержание липазы в крови. Установлено, что вода с низким поверхностным натяжением биологически более доступна. Она легче вступает в молекулярные взаимодействия, тогда клеткам не надо будет тратить энергию на преодоление поверхностного натяжения. Существует несколько способов определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости: капиллярный (по высоте поднятия жидкости в капиллярной трубке), метод отрыва капель, а также методы, основанные на измерении максимального давления в газовых (воздушных) пузырьках, которые выдавливаются из кончика капилляра в жидкость. Прибор для измерения поверхностного натяжения методом отрыва кольца представляет собой штатив, на котором имеется винт для плавного опускания чашки с жидкостью, а также шкала для отсчета. Для определения поверхностного натяжения в медицинской практике пользуют методом отрыва капель. При медленном истечении жидкости из отверстия или из вертикальной трубки образуется капля. Отрыв происходит по шейке капли или перетяжке, радиус которой меньше радиуса отверстия. Предполагается, что в момент отрыва, сила поверхностного натяжения  равна силе тяжести  капли (R-радиус шейки капли, – плотность жидкости), т.е.  , откуда (7)Измерить радиус шейки капли практически нельзя (это можно только при фотографировании капли в момент отрыва), поэтому используя метод отрыва капли, прибегают к сравнительному способу. Если известно поверхностное натяжение остандартной жидкости, например воды, то можно записать, что  (8)Взяв одинаковые объемы воды и исследуемой жидкости V1 и подсчитав количество капель в этих объемах, можно вычислить объем одной капли: V0=V1 / n0 (вода ), V = V1 / n ( исследуемая жидкость). Подсчитав эти выражения соответственно в (7) и (8) и взяв их соотношение, получим  (9) или  (10)Сталагмометрический метод (метод счета капель) Сталагмометр- это толстостенная трубка с расширением, выше и ниже которого нанесены кольцевые метки. Нижний конец трубки отшлифован. Через резиновую трубку, надетую на верхний конец сталагмометра, заполняют его из подставленного снизу стаканчика с дистиллированной водой или растворами выше верхней метки, пока мениск не дойдет до нижней метки сталагмометра. Заполняют сталагмометр сначала дистиллированной водой, а затем растворами изоамилового спирта по возрастающей концентрации. Процесс отчета капель повторяют три раза для каждого раствора. Принцип метода: метод основан на том, что в момент отрыва масса капли практически равна силе поверхностного натяжения, приложенной к окружности наиболее узкой части капли. Как уже отмечалось, под действием поверхностного натяжения свободная поверхность капель жидкости стремится принять шарообразную форму, соответствующую наименьшей поверхностной энергии и наименьшей площади свободной поверхности. Их форма тем ближе к шаровой, чем меньше вес капель, поскольку для малых капель сила поверхностного натяжения превосходит силу тяжести. Форма и размер капель, отрывающихся от конца капиллярной трубки, зависят не только от силы поверхностного натяжения, но и от диаметра трубки и плотности вытекающей жидкости. При вытекании жидкости из капиллярной трубки размер капли постепенно растет. На рис. 3 показан процесс образования капли.  Перед отрывом капли образуется шейка, диаметр d которой несколько меньше диаметра d1 капиллярной трубки. По окружности шейки капли действуют силы поверхностного натяжения, удерживающие каплю. По мере увеличения размера капли растет сила тяжести mg, стремящаяся оторвать ее. В момент отрыва капли она равна результирующей силе поверхностного натяжения Fн = πdσ: πdσ=mg Отсюда следует, что, измеряя массу m одной капли и зная диаметр d шейки капли, можно вычислить коэффициент поверхностного натяжения: |