Из-за различия в межмолекулярном взаимодействии на поверхности и внутри жидкости образуется поверхностный слой

Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности слоя перпендикулярно отрезку контура, ограничивающего эту поверхность, и стремится к сокращению этой поверхности.

Коэффициент поверхностного натяжения жидкости s численно равен равнодействующей сил поверхностного натяжения, действующих на единицу длины контура, ограничивающего поверхность:

КПН можно определить как величину, численно равную отношению работы, затраченной на создание поверхностного слоя к площади этой поверхности:

С ростом температуры взаимодействие молекул жидкости несколько ослабляется, т.к. при увеличении кинетической энергии молекул среднее расстояние между ними возрастает. Поэтому с увеличением температуры величина s уменьшается.

Для большинства жидкостей поверхностное натяжение падает с температурой практически по линейному закону:

Кроме температуры на величину поверхностного натяжения жидкости существенно влияют растворенные в жидкости, даже в малых количествах, примеси.

Вещества, уменьшающие КПН, называются поверхностно-активными (спирты, мыла, сода, порошки). Поверхностно-активные вещества, растворенные в жидкости, могут концентрироваться на границе раздела и покрывать тончайшей мономолекулярной пленкой поверхность твердого тела. Это явление называют адсорбцией на поверхности твердого тела. В зависимости от свойств адсорбировавшихся на поверхности тела молекул его смачиваемость меняется (как в сторону уменьшения, так и увеличения).

Свойство адсорбции используется при приеме некоторых лекарственных препаратов (активированный уголь).

Особые свойства поверхностного слоя и наличие в нем сил поверхностного натяжения обусловливают целый ряд своеобразных явлений. Если жидкость находится в сосуде, то кроме свободной поверхности, существует еще граница раздела между жидкостью и твердым телом. Если молекулы жидкости сильнее взаимодействуют с молекулами твердого тела, чем с молекулами той же жидкости, то жидкость смачивает твердое тело. Наблюдается явление смачивания (вода-стекло). Если взаимодействие между молекулами самой жидкости больше сил взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела, то наблюдается явление несмачивания (ртуть-стекло).

Угол, образованный твердой поверхностью и касательной к поверхности жидкости, измеренный через нее, называется краевым углом.

Рис. 1.

Особыми оказываются условия равновесия на линии раздела «жидкость- газ - твердое тело» в тонких пленках и в узких сосудах капиллярах. Наблюдающиеся в этих случаях явления называют капиллярными.

За счет проявления сил поверхностного натяжения наблюдается стремление к увеличению толщины пленки, что выражается в появлении добавочного давления в ней. Это избыточное давление было обнаружено и изучено Б.В. Дерягиным и названо расклинивающим давлением. Оно становится особенно заметным при наличии в жидкости ионов. Наличие расклинивающего давления во многих случаях объясняет важный факт устойчивости коллоидных и дисперсных систем.

Очевидна роль капиллярного кровоснабжения для биологических тел. А. Крог считает, что общая поверхность капилляров мышечной системы взрослого человека равна 6 300 м² (т.е. ленте шириной в 1 м и длиной около 6 км). Это важный фактор для процессов обмена; он нарушается с изменениями диаметра капилляров (подагра, диабет, хронический ревматизм).

Гагек констатировал изменение диаметра капилляров в различные периоды дня, месяца, года при сужении капилляра общий обмен понижается, что является - основой многих болезненных процессов.

Капиллярные эффекты проявляются благодаря действию сил поверхностного натяжения, которые создают давление под искривленной поверхностью внутри жидкости, отличающееся на величину Dp:

от внешнего давления над поверхностью жидкости, где R - радиус сферической поверхности жидкости в капилляре. В случае вогнутой поверхности жидкости радиусом R,

т.е. давление внутри жидкости под вогнутой поверхностью меньше, чем в газе на величину Dp (давление Лапласа). Давление Лапласа является причиной закупорки сосудов, по которым движется кровь, eсли в сосуд попадает воздушный пузырек (газовая эмболия). Газ может попасть в кровеносную систему при травме сосудов, внутривенных вливаниях, при резком уменьшении давления.

В общем случае произвольной поверхности двоякой кривизны используется формула Лапласа:

где:

R₁ и R₂ - радиусы,

Dp - добавочное давление,

s - коэффициент поверхностного натяжения.

Если в жидкость, помещенную в широкий сосуд, опустить капиллярную трубку из материала, смачиваемого этой жидкостью, то последняя поднимается в капилляре выше уровня в широком сосуде.

Если теперь каким-либо способом увеличить внешнее давление воздуха над поверхностью жидкости в капилляре, то можно достигнуть компенсации давлений, т.е. такого положения, при котором уровни жидкости в капилляре и широком сосуде сравняются.

М

Рис. 2.

Пусть при этом внешнее давление пришлось увеличить на величину P.
В этом случае:

, (1)

где:

r - радиус капилляра;

P - внешнее давление;

DP- добавочное давление;

, при малых .

Прибор, используемый в данной работе, состоит из капилляра A, который сообщается с широкой стеклянной трубкой B и водяным манометром C (см. рис. 2). Трубка B опускается в стакан N с водой, помещенный на подъемном столике K. Столик K вместе со стаканом можно закрепить в любом положении винтом. Перемещая столик со стаканом по вертикали, изменяют давление в свободной части капилляра. Это изменение давления фиксируется манометром, причем при достижении компенсации снимают показания высоты разности уровней в манометре, а величина давления рассчитывается по формуле:

, (2)

где:

r - плотность воды,

g - ускорение свободного падения.

При достижении компенсации P= P и , следовательно, согласно уравнению (1), расчетная формула для определения коэффициента поверхностного натяжения имеет вид:

, (3)

Кроме описанного метода КПН измеряется и другими методами:

1. Один из них основан на измерении максимального давления P_max в воздушных пузырьках, которые выдавливаются из кончика капилляра радиусом r в жидкость.

2. В методе отрывающейся капли предполагается, что в момент отрыва капли от вертикальной круглой трубки радиусом R сила поверхностного натяжения F равна силе тяжести mg, т.е.

,

где:

r - плотность жидкости;

V - объем капли.

Этот метод обычно используют для сравнительных измерений с эталонной жидкостью (дистиллированная вода).

Методом отрыва капли определяют в диагностических целях поверхностное натяжение биологических жидкостей: спинномозговой, желчи и др. Прибор, используемый для таких измерений, называется сталагмометром.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Что называют силой поверхностного натяжения?

2. Какова природа сил поверхностного натяжения?

3. Каково условие устойчивого равновесия жидкостей?

4. Почему при отсутствии внешних сил капля жидкости принимает форму шара?

5. Что называется коэффициентом поверхностного натяжения?

6. В каких единицах измеряется?

7. От чего зависит коэффициент поверхностного натяжения?

8. Почему коэффициент поверхностного натяжения зависит от концентрации растворов?

9. Отличаются ли коэффициенты поверхностного натяжения цельной крови и плазмы крови? Почему?

10. Как изменится коэффициент поверхностного натяжения жидкости при повышении температуры?

11. Как объясняется появление явлений смачивания или несмачивания?

12. Что называется краевым углом? Какова его величина для полностью смачиваемых поверхностей, для несмачиваемых поверхностей?

13. Какой вид имеет мениск для жидкости, смачивающей (не смачивающей) капиллярную трубку?

14. Какие явления называются капиллярными?

15. Где используются в медицине капиллярные явления?

16. Назовите некоторые методы определения коэффициента поверхностного натяжения и дайте их краткую характеристику.

ПЛАН ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Последовательность действий	Способ выполнения задания
ЗАДАНИЕ № 1
1. Подготовка установки к работе.	1. Убедитесь в наличии жидкости в манометре. Наполните стакан водой.
2. Определение значения разности уровней воды в манометре.	1. Выньте капилляр A вместе с пробкой из трубки и промойте водой с помощью резиновой груши. 2. Налейте дистиллированную воду в стаканчик M, опустите туда капилляр и еще раз промойте его. 3. Снимите грушу и не вынимая капилляра из стаканчика при помощи пробки, надетой на капилляр, соедините его с манометром. Следите, чтобы столбик жидкости в капилляре НЕ СОДЕРЖАЛ ПУЗЫРЬКОВ ВОЗДУХА. 4. Медленно поднимая столик K, доведите уровень жидкости в капилляре до уровня жидкости в стаканчике M. Определите значение разности уровней h жидкости в манометре. Измерения h проделайте не менее 3-х раз. 5. Измерьте температуру, при которой проводился опыт. 6. Вычислите среднее значение h.
	Результаты измерений занесите в таблицу.
№ п/п	toC	h(м)	hср(м)	(Н/м)
3. Расчет значения коэффициента поверхностного натяжения воды и его погрешностей.	1. По формуле (2) рассчитайте значение коэффициента поверхностного натяжения воды. Значение плотности воды при температуре опыта определите по таблице значений физических величин, значение радиуса капилляра r дается на рабочем месте. 2. Сравните среднее значение s с табличным so. s0 =0,072 н/м Если ошибка не превышает 10%, метод можно считать освоенным.
ЗАДАНИЕ № 2
1. Исследование зависимости коэффициента поверхностного натяжения раствора от его концентрации.	1. Определите способом, описанным в задании 1, значения разности уровней h воды в манометре для растворов ЭТИЛОВОГО СПИРТА различной концентрации. 2. Результаты измерений занесите в таблицу.
Концентрация раствора, С%	№	h(м)	hср (м)	(Н/м)
30%
60%
90%
2. Обработка результатов измерений.	1. Рассчитайте значение sср для каждого из растворов способом, указанным в задании 1, пункте 3. 2. Результаты расчетов занесите в таблицу. 3. Полученную зависимость изобразите графически: . 4. Проанализируйте полученный результат и сформулируйте вывод. Рассчитайте погрешность измерения, считая r и g постоянными

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

Тема: «ИЗМЕРЕНИЕ АРТЕРИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ КРОВИ»

МОТИВАЦИЯ ЦЕЛИ. Измерение величины давления крови в системе артериального кровообращения имеет большое значение в диагностике, поэтому врачу необходимо знать непрямые методы измерения давления, которые применяются во врачебной практике.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ. Сфигмоманометр, фонендоскоп.

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ

1. Понятие давления, единицы его измерения.

2. Уравнение Бернулли, его использование применительно к движению крови.

3. Физические факторы, создающие давление крови.

4. Основные биофизические свойства кровеносных сосудов.

5. Изменение величины давления крови по ходу сосудистого русла.

6. Колебания давления крови в разных сосудах. Периферическое сопротивление сосудов.

7. Методика определения артериального давления по методу Короткова.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Давлением P называется величина, численно равная отношению силы F, действующей перпендикулярно на поверхность, к площади S этой поверхности:

Единица измерения давления в СИ - паскаль (Па), внесистемные единицы: миллиметр ртутного столба (1 мм рт.ст. = 133 Па), сантиметр водяного столба, атмосфера, бар и т.д.

Действие крови на стенки сосуда (отношение силы, действующей перпендикулярно на единицу площади сосуда) называют артериальным давлением. В работе сердца выделяют два основных цикла: систола (сокращение сердечной мышцы) и диастола (её расслабление), поэтому отмечается давление систолическое и диастолическое.

При сокращении сердечной мышцы в аорту, уже заполненную кровью под соответствующем давлением выталкивается объём крови равный 65-70 мл., называемый ударным объемом. Поступивший в аорту дополнительный объем крови действует на стенки сосуда, создавая давление систолическое.

Волна повышенного давления передается к переферии сосудистых стенок артерий и артериол в виде упругой волны. Эта волна давления называется пульсовой волной. Скорость ее распространения зависит от упругости сосудистых стенок и равна 6-8 м/с.

Количество крови, протекающее через поперечное сечение участка сосудистой системы в единицу времени, называется объемной скоростью кровотока (л/мин).

Эта величина зависит от разности давлений в начале и конце участка и его сопротивления току крови.

Гидравлическое сопротивление сосудов

,

где h – вязкость жидкости

- длина сосуда

r – радиус сосуда

Если в сосуде меняется площадь сечения, то общее гидравлическое сопротивление находится по аналогии с последовательным соединением резисторов.

R=R₁ +R₂ +…R_n , R_i – гидравлическое сопротивление участка сосуда радиуса r и длиной l.

Если сосуд разветвляется на n-сосудов с гидравлическим сопротивлением R_i, то общее сопротивление находится по аналогии с параллельным соединением резисторов

Сопротивление R системы разветвленных сосудов будет меньше самого минимального из сопротивлений сосудов.

На рис. 1 приведен график изменения давления крови в основных отделах сосудистой системы большого круга кровообращения.

P0

Рис. 1.

где Р₀ – атмосферное давление.

Давление, избыточное над атмосферным, считается положительным. Давление меньше атмосферного – отрицательным.

По графику рис. 1 можно сделать, что максимальное падение давления наблюдается в артериолах, а в вене – давление отрицательное.

Давление в жидкостях и газах измеряется с помощью манометров (барометров), которые бывают жидкостные и металлические.

Физический параметр - давление крови - играет большую роль в диагностике многих заболеваний.

Систолическое и диастолическое давление в какой-либо артерии могут быть измерены непосредственно с помощью иглы, соединённой с манометром (прямой или кровяной метод).

Однако в медицине широко используется косвенный (бескровный) метод, предложенный Н.С. Коротковым. Физические основы этого метода составляют:

1. Закон Паскаля: давление, производимое на газ или жидкость, передается по всем направлениям одинаково.

2. Условие неразрывности струи: за равные промежутки времени через сечение любого диаметра перетекает одинаковый объем жидкости (при уменьшении площади сечения сосуда скорость увеличивается).

3. Правило Бернулли: при стационарном (установившемся) движении идеальной жидкости по жестким трубам сумма статического давления, гидростатического (rhg) и динамического давлений в любом сечении остается постоянной, т.е.

При течении жидкости при h=const и , следовательно: статическое давление меньше там, где скорость движения больше.