Лабораторная работа
Исследование ЗАВИСИМОСТИ вязкости от концентрации.
Вязкость — одна из основных физических характеристик жидкости. Коэффициент вязкости жидкости, в том числе и биологических (крови), широко используется в медицине как один из важнейших показателей сердечно-сосудистой системы в норме, и патологии. Будущим врачам необходимо знать методы измерения коэффициента вязкости и иметь навыки его определения.
ЦЕЛЬ занятия:
1. Научиться определять вязкость жидкости.
2. Исследовать зависимость вязкости раствора от концентрации.
3. Ознакомиться с практической значимостью определения вязкости биологических жидкостей в медицине.
ИСХОДНЫе ЗНАНИя:
1. Знать особенности молекулярного строения жидкости.
2. Знать характер течения жидкости по трубам.
ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ:
1. Понятие внутреннего трения в реальной жидкости. Градиент скорости. Формула Ньютона.
2. Коэффициент внутреннего трения, его физический смысл, единицы измерения.
3. Ламинарное и турбулентное течение жидкости. Число Рейнольдса.
4. Течение вязкой жидкости по трубам. Закон Пуазейля.
5. Методы определения коэффициента вязкости. Капиллярный метод определения вязкости жидкостей.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Лекции.
2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 7, с. 113—123.
3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.2. с. 26-33.
3. М.Е. Блохина, И. А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 67—72.
Теоретические предпосылки работы
При движении реальной жидкости или при движении твердых тел внутри жидкости, в том числе при движении крови по сосудам, возникают силы трения. Они проявляются как силы сопротивления перемещению молекул жидкости (слоев) относительно друг друга, т. е. являются силами межмолекулярного взаимодействия. Вязкость (или внутреннее трение) – это свойство жидкостей, газов и твердых тел оказывать сопротивление течению (смещению) при передвижении одной частицы относительно другой.
Ньютон установил, что силы трения пропорциональны площади соприкасающихся слоев (S), градиенту скорости (dv/dx) и зависят от природы жидкости η:
Градиент скорости характеризует быстроту изменения скорости при переходе от слоя к слою жидкости в направлении, перпендикулярном параллельному движению слоев.
В общем случае градиент равен первой производной от функции по координате. Коэффициент пропорциональности η в формуле Ньютона называется коэффициентом вязкости, который численно равен силе трения, возникающей между параллельно движущимися слоями жидкости единичной площади при единичном градиенте скорости (dv/dx).
Единицей измерения вязкости в системе СИ является Паскаль-секунда (Па∙с).
Внесистемная единица 1 Пз (Пуаз) =0,1 Па∙с.
Если коэффициент вязкости жидкости зависит от природы, температуры и не зависит от градиента скорости, то такие жидкости называются ньютоновскими. Жидкости, вязкость которых зависит от градиента скорости, относят к неньютоновским.
Кровь представляет собой суспензию форменных элементов в белковом растворе - плазме. Поэтому, строго говоря, она должна быть отнесена к неньютоновским жидкостям. Кроме того, при течении крови по сосудам наблюдается повышение числа форменных элементов в центральной части потока, где вязкость соответственно увеличивается. Но поскольку вязкость крови не столь велика, этим явлением пренебрегают и считают ее коэффициент вязкости постоянной величиной.
Различают ламинарное и турбулентное течение реальной жидкости. При ламинарном течении жидкость разделена на слои, которые движутся с различными скоростями не перемешиваясь.
Это движение подчиняется закону Пуазейля и происходит с min затратой энергии. При турбулентном течении скорости частиц беспорядочно меняются, образуют местные завихрения, движение сопровождается шумами, происходит перемешивание жидкости, расходуется дополнительно энергия.
Критерием оценки характера течения жидкости является число Рейнольдса (безразмерная величина):
где ρ – плотность жидкости;
υ – скорость;
D – диаметр трубы, сосуда;
η – вязкость.
Для прямой гладкой трубы Reкр=2300. Если Re < Reкр., характер течения жидкости ламинарный, Re > Re кр - турбулентный.
В основу метода капиллярного вискозиметра положен закон Пуазейля-Гагена. По которому количество жидкости Q, вытекающей за 1с из трубы радиуса R, длины l и сечения S составит:
Общий объем V жидкости при равномерном ее течении связан с Q формулой: V = Q t, где t – время истечения жидкости.
Подставив значение Q в данную формулу, получим:
где р1 –р2 = Δр = ρgΔh – гидростатическое давление столба жидкости, плотностью ρ и высотой Δh. Тогда
Капиллярный метод является относительным, т.е. определение вязкости исследуемой жидкости осуществляется в сравнении с вязкостью стандартной жидкости, например, дистиллированной воды.
Для воды (ρ0, t0, η0) формула (1) примет вид:
Разделив (1) на (2), получим:
Таким образом, для определения вязкости жидкости необходимо измерить время истечения дистиллированной воды и исследуемой жидкости из одного итого же объема.