Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности «Биология»

Жидкости Особенности молекулярного строения жидкостей. Жидкости изотропны и структурно являются аморфными телами. Для их внутреннего строения характерен ближайший порядок (упорядоченное расположение ближайших частиц). Расстояния между молекулами невелики, силы взаимодействия значительны, что приводит к малой сжимаемости жидкостей. Свойства жидкостей определяются особенностями теплового движения их молекул. По теории Я. И. Френкеля, молекулы жидкости, подобно частицам твердого тела, колеблются около положений равновесия, однако эти положения равновесия не являются постоянными. По истечении некоторого времени, называемого временем «оседлой жизни», молекула скачком переходит в новое положение на расстояние, равное среднему расстоянию между соседними молекулами , которое можно вычислить. Так как , где — концентрация молекул жидкости (— постоянная Авогадро, — плотность жидкости, — молярная масса), то . Порядок составляет 10-10 м, например, для воды — . Среднее время «оседлой жизни» молекулы называют временем релаксации . С повышением температуры и понижением давления время релаксации уменьшается, что обуславливает большую подвижность молекул жидкости и малую ее вязкость. Для того чтобы молекула жидкости перескочила из одного положения равновесия в другое, должны нарушиться связи с окружавшими ее молекулами и образоваться связи с новыми соседями. Процесс разрыва связей требует затраты энергии (энергии активации), которую молекула получает за счет энергии теплового движения соседних молекул. Зависимость времени релаксации от температуры, жидкости и энергии активации выражается формулой: , где — средний период колебаний молекулы около положения равновесия. Зная среднее перемещение и среднее время , можно определить среднюю скорость движения молекул в газе. Так, например, для молекул воды она в 20 раз меньше, чем для молекул пара при той же температуре. Поверхностные явления. Для жидкостей характерны свойства, связанные с их молекулярным строением: относительная несжимаемость, текучесть, вязкость и так называемые поверхностные явления — поверхностное натяжение, смачиваемость и капиллярность. Рассмотрим причины возникновения поверхностного натяжения. На поверхности раздела жидкости и ее насыщенного пара, жидкости и твердого тела возникает сила, обусловленная различным межмолекулярным взаимодействием граничащих сред. Каждая молекула, расположенная внутри объема жидкости, равномерно окружена соседними молекулами и взаимодействует с ними, но равнодействующая этих сил равна нулю. На молекулу, находящуюся вблизи границы двух сред, вследствие неоднородности окружения действует сила, не скомпенсированная другими молекулами жидкости. Поэтому для перемещения молекул из объема в поверхностный слой необходимо совершить работу. Таблица 3 Коэффициенты поверхностного натяжения некоторых жидкостей Жидкость Вода ,5 Сыворотка крови ,0 Молоко ,0 Желчь ,0 Спирт ,0 Поверхностное натяжение определяется отношением работы, затраченной на создание некоторой поверхности жидкости при постоянной температуре к площади этой поверхности: . Условием устойчивого равновесия жидкости является минимум энергии поверхностного слоя, поэтому при отсутствии внешних сил или в состоянии невесомости жидкость стремится иметь минимальную площадь поверхности при данном объеме и принимает форму шара. Поверхностное натяжение может быть определено не только энергетически. Стремление поверхностного слоя жидкости сократиться означает наличие в этом слое касательных сил — сил поверхностного натяжения. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от температуры, убывая с ее ростом. Снижения поверхностного натяжения можно достичь введением в жидкость поверхностно-активных веществ, уменьшающих энергию поверхностного слоя. Смачивание и капиллярные явления. На границе соприкосновения жидкости с различными средами может наблюдаться смачивание или несмачивание. Рассмотрим поведение капли жидкости на поверхности твердого тела (рис. 6). На поверхностях раздела каждых двух сред (газообразной 1, жидкой 2, твердой 3) действуют силы поверхностного натяжения. Если эти силы разделить на длину окружности капли, то получим соответственно . Угол между смачиваемой поверхностью и касательной к поверхности жидкости, называют краевым. Рис. 6 Рис. 7 За меру смачивания принимают величину . Если , т.е. силы взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела больше, чем между молекулами твердого тела и газа, то и жидкость смачивает твердое тело (рис. 7). В случае — . Под действием сил поверхностного натяжения поверхностный слой жидкости искривлен и оказывает дополнительное по отношению к внешнему давление . Поверхностный слой подобен упругой оболочке, например, резиновой пленке. Результирующая сил поверхностного натяжения искривленной поверхности направлена в сторону вогнутости (к центру кривизны). В случае сферической поверхности, радиус кривизны которой , дополнительное давление (формула Лапласа). Рис. 8 Искривление поверхности возникает в узких (капиллярных) трубках в результате смачивания или несмачивания жидкостью их поверхности. При смачивании образуется вогнутый мениск. Силы давления направлены от жидкости наружу, т.е. вверх, и обуславливают подъем жидкости в капилляре до наступления равновесного состояния (рис. 8). Поскольку , где — радиус капилляра, получаем . Откуда высота поднятия жидкости в капилляре . Таким образом, высота поднятия жидкости в капилляре зависит от свойств жидкости и материала капилляра, а также от его радиуса. В случае несмачивания по этой же формуле можно рассчитать высоту опускания жидкости в капилляре. Капиллярные явления определяют условия конденсации паров, кипения жидкостей. Благодаря капиллярным явлениям в смачиваемых тонких трубках даже при малой влажности возникает капиллярная конденсация. Это ведет к тому, что пористые вещества могут задерживать значительное количество жидкости из паров, что приводит к увлажнению гигроскопических тел, способствует удержанию влаги в почве. Несмачивающие жидкости не проникают в пористые тела, как, например, вода не проникает в перья птиц, покрытых жиром. Рассмотрим поведение пузырька воздуха, находящегося в капилляре с жидкостью. Если давление жидкости на пузырек с разных сторон одинаково, то оба мениска пузырька будут иметь одинаковый радиус кривизны. При избыточном давлении с одной из сторон, например, при движении жидкости, мениски деформируются, изменяются их радиусы кривизны, и дополнительное давление с разных сторон станет неодинаковым. Это приведет к такому воздействию на жидкость со стороны пузырька газа, которое затруднит или прекратит движение жидкости. Такие явления могут происходить в кровеносной системе человека. Попавшие в кровь пузырьки воздуха могут закупорить мелкий сосуд и лишить кровоснабжения какой-либо орган. Это явление, называемое эмболией, может привести к серьезному функциональному расстройству и даже к смерти. Газовые пузырьки в крови могут появиться у водолазов при быстром подъеме с большой глубины на поверхность, у летчиков и космонавтов при разгерметизации скафандра на большой высоте. Ведущая роль в образовании газовых пузырьков при уменьшении давления принадлежит азоту, так как он составляет основную часть общего давления в крови и не участвует в газообмене организма и окружающего воздуха. Течение жидкостей. Жидкости составляют наибольшую часть биологического организма, их перемещение обеспечивает обмен веществ и снабжение клеток кислородом, поэтому механические свойства и течение жидкостей представляют особый интерес. Изложенный здесь материал имеет отношение к гидродинамике — разделу физики, в котором изучают движение несжимаемых жидкостей и взаимодействие их при этом с окружающими твердыми телами. При наблюдении течения реки и можно стать свидетелем такого факта: скорость течения воды у берега значительно меньше, чем на середине реки. Объяснить этот факт можно так. Между смежными слоями воды при ее движении возникают силы, направленные по касательной к поверхности соприкасающихся слоев. Эти силы носят название сил внутреннего трения или вязкости. Закономерности внутреннего трения впервые были установлены Ньютоном: сила трения между слоями жидкости, движущимися с разными скоростями, зависит от площади соприкосновения слоев и от градиента скорости. , где — коэффициент внутреннего трения (вязкости), единицей измерения которого является паскаль-секунда. Для биологических исследований интерес представляет течение жидкости по трубам, так как кровеносная система состоит в основном из цилиндрических сосудов разного диаметра. Вследствие симметрии частицы текущей жидкости в трубе, равноудаленные от оси, имеют одинаковую скорость. Наибольшей скоростью обладают частицы, движущиеся вдоль оси трубы: самый близкий к стенкам слой жидкости неподвижен. Скорость жидкости, текущей по оси трубы длиной , зависит от радиуса трубы R, разности давлений p1 – p2 на ее концах, вязкости и определяется по формуле . Объем жидкости, протекающей через горизонтальную трубу за единицу времени, находится по формуле Пуазейля: . Так как в трубах разного сечения объем протекшей жидкости одинаковый, то градиент давления будет больше в трубах меньшего радиуса. Вязкость проявляется при движении не только жидкости по сосудам, но и тел в жидкости. При небольших скоростях в соответствии с уравнением Ньютона сила сопротивления движущемуся телу пропорциональна вязкости жидкости, скорости движения и зависит от размеров тела. Для сферического тела зависимость силы сопротивления при его движении в сосуде с жидкостью от перечисленных выше факторов выражается законом Стокса: . Этот закон лежит в основе метода измерения вязкости жидкости — метод падающего шарика, используемого в вискозиметрах. В биологических исследованиях жидкостей с невысокой вязкостью применяется метод капиллярного вискозиметра, основанный на измерении скорости течения жидкости в капиллярной трубке. Коэффициент вязкости определяют по формуле: , где , — вязкость и плотность дистиллированной воды, — плотность исследуемой жидкости, — время истечения дистиллированной воды, — время истечения исследуемой жидкости через капилляр. Вязкость крови человека в норме , при патологии колеблется в границах , что сказывается на скорости оседания эритроцитов. Венозная кровь обладает несколько большей вязкостью, чем артериальная. При тяжелой физической работе вязкость крови увеличивается. Ламинарное и турбулентное течения. Число Рейнольдса. Различают два режима течения жидкостей: ламинарное и турбулентное. При ламинарном течении — отдельные струи потока движутся, не смешиваясь механически и не испытывая поперечных перемещений. При турбулентном течении струйчатый характер движения жидкости нарушается, происходит поперечное перемешивание частиц, вследствие чего даже в прямой трубе частицы движутся по сложным траекториям. Это происходит вследствие увеличения скорости течения вязкой жидкости и из-за неоднородности давления по поперечному сечению трубы. При турбулентном течении скорость частиц беспрерывно и хаотически изменяется, движение является нестационарным. Характер течения жидкости по трубе зависит от свойств жидкости, скорости ее течения, размеров трубы и определяется числом Рейнольдса: , где — плотность жидкости, — диаметр трубы. Если число Рейнольдса больше некоторого критического (), то движение жидкости турбулентное. Например, для гладких цилиндрических труб Характер течения жидкости или газа зависит от размеров трубы. В широких трубах даже при сравнительно небольших скоростях может возникнуть турбулентное движение. Течение крови в артериях в норме является ламинарным, небольшая турбулентность возникает вблизи клапанов сердца. При патологии, число Рейнольдса может превышать критическое значение и движение станет турбулентным, что влечет за собой дополнительную затрату энергии, а в случае с кровью приводит к добавочной работе сердца. Число Рейнольдса является критерием подобия. При моделировании гидро- и аэродинамических систем, в частности кровеносной системы, модель должна иметь такое же число Рейнольдса, как и оригинал, иначе не будет соответствия между ними. Задания для самостоятельной работы Ответьте на вопросы и решите задачи. Почему молекулы поверхностного слоя обладают большей потенциальной энергией, чем молекулы внутри жидкости? Как можно измерить поверхностное натяжение жидкости? Какую форму принимает жидкость в условиях невесомости? Почему? Чем объясняются явления смачивания и несмачивания? Весной землю пашут и боронуют. Объясните, почему это способствует сохранению влаги в почве? Оцените диаметр каналов волокон бумаги. Для этого опустите в воду конец полоски промокательной бумаги и измерьте высоту подъема воды. Чему равна вязкость раствора белка, если он через капилляр вискозиметра вытекает за , а вода — за . Коэффициент вязкости воды равен , плотность раствора белка . Ответ: . В лабораторной работе с капиллярными трубками оказалось, что в трубке с диаметромвода поднялась на , а в трубке диаметром желчь поднялась на . Во сколько раз коэффициент поверхностного натяжения воды больше, чем желчи. Ответ:.

Похожие:

	Учебное пособие по дисциплине «Биология и биоэкология» Пища как экологический фактор. Учебное пособие по дисциплине «Биология и биоэкология» для студентов, обучающихся по специальности...		Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности «Социально-культурный... Отчизноведение. Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности социально-культурный сервис и туризщм – Воронеж: вгпу,...
	Учебное пособие Москва 2014 министерство образования и науки российской федерации Учебное пособие предназначено для студентов и преподавателей исторических факультетов, обучающихся по специальности «История», а...		Учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся... Г46 Гигиена труда : учебное пособие / авт сост. Л. В. Козачук. — Балашов : Изд-во «Николаев», 2005. — 60 с
	Учебное пособие автор: панкин сергей фёдорович объем 38,54 А. Л.... Методическое сопровождение к презентации урока для учащихся 8 класса по теме “зож основа счастливого человека”		Учебное пособие А информатики и икт в школьном образовании, а также методические примеры, образцы выполнения лабораторных работ в курсе Теории и...
	Психология Учебное пособие Учебное пособие предназначено для студентов заочного отделения и обучающихся в сокращенные сроки		Учебное пособие для студентов специальности 271200 «Технология продуктов... Учебное пособие предназначено для студентов вузов, аспирантов и преподавателей, может быть полезно практическим работникам
	Особенности наблюдения за д Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Педиатрия». …		Учебно-методическое пособие самара 2005 удк 657 Рецензенты Учебное пособие предназначено для студентов заочного отделения Международного института рынка, обучающихся по специальности «Финансы...
	Учебное пособие по дисциплине «Теория государства и права» Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по очной, заочной формам, в том числе с использованием дистанционных технологий...		Гогунов Е. Н., Мартьянов Б. И. Г 58 Психология физического воспитания... Учебное пособие предназначено для студентов вузов, обучающихся по специальности «Физическая культура и спорт»
	Учебное пособие. / Сост Учебное пособие предназначено для студентов уровня Intermediate и Upper-Intermediate, обучающихся по специальности связи с общественностью,...		Учебно-методическое пособие Рекомендовано методической комиссией... Учебно-методическое пособие предназначено для студентов очной формы обучения для проведения теоретических и практических занятий...
	Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное... Учебно-методическое пособие предназначено для самостоятельной работы студентов заочного отделения биолого-почвенного факультета,...		Учебное пособие Допущено Научно-методическим советом по изучению... Учебное пособие предназначено для обучения по специальности «теология» ивключает план, информационный блок, вопросы для самопроверки,...