- теоретичне введення
- Проникність мембран тварин
- Сила в'язкого тертя
- в'язкість газів
- В'язкість деяких газів (при 0 ° C)
- Аналіз якості в'язкості рідини
- Ньютонівські і неньютонівські рідини
Мета роботи:
1. Вивчити закон руху тіла у в'язкому середовищі.
2. Визначити коефіцієнт в'язкості рідини методом Стокса.
теоретичне введення
В
або внутрішнє тертя, - це властивість всіх текучих тіл (рідин і газів) чинити опір переміщенню однієї їх частини щодо іншої. Молекулярно-кінетична теорія пояснює в'язкість тепловим рухом і взаємодією молекул.
Капіляр неактивний - це гліцерин, цукру і багато солі, розчинені у воді. Ряд речовин, які зберігаються або проникають в організм, є поверхневими, і їх метаболізм залежить від їх властивості. Речовини, які зменшують поверхневий натяг, завжди спрямовані на граничну поверхню. Навпаки, речовини, які збільшують поверхневий натяг, розподіляються всередині розчинів і не досягають поверхні.
Коли до розчину метиленового синього додавали вуглецевий порошок і розчин добре струшували, після фільтрації спостерігали повне знебарвлення. Цей досвід також розкриває сутність явища - велика молекула барвника утримується поверхнею вуглецевої частинки, яка надійно фіксує її і випускає двигун. Було накопичено молекул фарби на основі вуглецю, поверхня яких надзвичайно велика, а сила тяжіння залежить від міцності порошку і його активації. Один кубічний сантиметр вугільного пилу має площу в один гектар.
Два дотичних елемента рідини (газу), що рухаються в одному напрямку, але з різними швидкостями, впливають один на одного. Сила взаємодії прискорює повільно рухається шар і уповільнює швидший. Ця сила називається силою внутрішнього тертя.
Розглянемо рідину, що рухається в напрямку осі Ox (рисунок 1). Нехай шари рідини рухаються з різними швидкостями. На осі Oz візьмемо дві точки, що знаходяться на відстані dz. Швидкості потоку відрізняються в цих точках на величину dυ. ставлення 
називається градієнтом швидкості - векторна величина, що чисельно дорівнює зміні швидкості на одиницю довжини в напрямку, перпендикулярному швидкості, і спрямована в бік зростання швидкості.
Механізм цього утримання виражається в прояві сил фізичного або хімічного характеру. У першому випадку зв'язок між адсорбентом і адсорбованих речовиною слабка - він визначається появою міжмолекулярних сил, а в другому зв'язок між адсорбентом і адсорбованим речовиною визначається проявом хімічних сил - вони створюють міцний зв'язок між ними.
Адсорбція спостерігається не тільки на частинках вуглецю, але і на будь-який інший вільної поверхні. Кожен атом вільної поверхні розвиває вільні сили тяжіння або вільні валентності, які здатні утримувати будь-яку молекулу рідини або газу. У міру збільшення поверхневого натягу розчину відбувається менша адсорбція.
Сила внутрішнього тертя (в'язкості), що діє між двома шарами рідини, пропорційна площі дотичних шарів Δ S і модулю градієнта швидкості:
ΔS (1)
Ця формула визначає закон в'язкого тертя, встановлений Ньютоном. Коефіцієнт пропорційності η називається коефіцієнтом внутрішнього тертя або коефіцієнтом в'язкості.
Адсорбція є оборотним процесом: десорбція може легко виникати, якщо до розчину, адсорбована, ніж адсорбована, додається інша речовина. Поширення адсорбованого матеріалу також спостерігається, коли в розчині присутні два різних молекулярно-масових матеріалу або обробляється агентом, який може руйнувати сили тяжіння, які визначають поверхневі явища.
Електроліти НЕ адсорбуються однаково. Більш високі поодинокі іони краще адсорбуються. Гідроксильні аніони і водневі катіони води також сильно адсорбуються. Загалом, адсорбція електролітів складніша. Передбачається, що утворюється подвійний електричний ремінь - в тому сенсі, що один з іонів адсорбований, а інший направлений назовні.
Іноді коефіцієнт в'язкості η, який визначається формулою (1), називають коефіцієнтом динамічної в'язкості на відміну від коефіцієнта кінематичної в'язкості, рівного відношенню η / ρ, де ρ - щільність рідини. Фізичний сенс коефіцієнта в'язкості η полягає в тому, що він чисельно дорівнює силі внутрішнього тертя, що виникає на одиниці площі дотичних шарів рідини при градієнті швидкості між ними, що дорівнює по модулю одиниці. Як випливає з формули (1), в системі СІ коефіцієнт в'язкості η вимірюється в Н · с / м 2 = Па · с (паскаль-секунда).
Адсорбційні поверхні тіла тварини надзвичайно складні і різноманітні. Нерівномірний розподіл фосфатидів і холестерину в організмі викликає значну різноманітність адсорбції гідроксильних аніонів та катіонів водню. Адсорбція спостерігається в організмі, де адсорбент зберігає в різному ступені складові адсорбованих речовин, але також спостерігається перестановки адсорбція, наприклад, кальцій адсорбується і виділяється калій і натрій. Насичення кальцію - зворотний процес - вивільняється кальцій, адсорбуються калій і натрій.
Значення коефіцієнта в'язкості для різних рідин і газів наведені в таблиці 1.
Таблиця 1 - В'язкість деяких речовин
Рідини (при 18 о C)
Гази (при н.у.)
речовина
η × 10 2 Па ∙ с
адсорбція є важливим фактором для ферментативних і інших біохімічних реакцій, полегшуючи їх курс за рахунок збільшення концентрації реагентів. В організмі адсорбційні властивості мають клітини, еритроцити, слизові оболонки, серози, епітеліальну тканину, білки та інші. Тільки еритроцити коні мають поверхню, еквівалентну 25 декадах площі, яка швидко і наполегливо зберігає різні капілярні активні речовини, що утворилися в організмі або в кровотік. Транспортування амінокислот з травної системи в печінку і тканини відбувається шляхом їх фіксації до еритроцитів.
речовина
η × 10 5 Па ∙ с
Повітря (своб. Від СО 2)
гліцерин
Касторове масло
Величезна адсорбційна поверхня має колоїди в тілі тварини. Адсорбція і десорбція протеїнів безперервно протікає на поверхні білкових молекул в тканинах і рідинах організму, і це змінює хід реакцій шляхом прискорення або уповільнення процесу. Процеси адсорбції і десорбції шляхом зміни рН також використовуються для лабораторної ізоляції ферментів, вітамінів, гормонів, алкалоїдів та інших.
У травній системі ферментативні процеси, процеси абсорбції і інші широко пов'язані з адсорбцією. Тут процеси адсорбції і десорбції сміються через зміни реакції, температури і т.д. Адсорбція - це процес, обумовлений рядом факторів. Це залежить насамперед від природи адсорбенту. У міру збільшення його поверхні адсорбція є більш повною і залежить від її однорідності, розміру часток частинок і т.д. температура також є важливим фактором адсорбції - більш висока температура призводить до зниження адсорбції.
кисень
Вуглекислий газ
Коефіцієнт в'язкості залежить від температури, причому характер цієї залежності для рідин і газів різний. Для газів з ростом температури коефіцієнт в'язкості зростає, а для рідин, навпаки, зменшується, що вказує на відмінність в них механізмів внутрішнього тертя.
Адсорбція пов'язана з орієнтацією адсорбованих молекул на поверхню адсорбенту. У двох фазах водно-масляного розчину речовини, які мають дипольні молекулу, розташовані на кордоні розділу між двома розчинниками, так що гідрофільні групи направляються в водну фазу і гидрофобную в масляну фазу.
Проникність мембран тварин
Жива клітина існує через безперервної подачі поживних речовин в неї і випромінювань продуктів з обміну. Кількість і якість вступників речовин залежать від одного істотного властивості його мембрани - її проникності. Те, що характеризує клітинну мембрану в цьому напрямку, також є властивістю всіх лобових поверхонь тіла - шкіри, слизової оболонки, серози та інших. З цієї причини проникність є однією з найбільш важливих проблем в біології, пов'язаних з такими основними процесами в організмі, як поглинання їжі і води, екскреція, зростання, розмноження і т.д.
У газах відстані між молекулами значно більше радіусу дії молекулярних сил, тому в'язкість газів - наслідок хаотичного (теплового) руху молекул, в результаті якого відбувається постійний обмін молекулами між рухаються один щодо одного шарами газу. Це призводить до переносу від шару до шару певного імпульсу упорядкованого руху, в результаті чого повільні шари прискорюються, а більш швидкі - сповільнюються.
Проникність пов'язана з проходженням деяких речовин і з невідвідування інших. Такими граничними поверхнями в тілі є стінки капілярів і кровоносних судин, гломерули в нирках, гематоенцефалічний бар'єр і інші, де жива мембрана проявляє вибірковість речовин. Проникність в основному пов'язана з функцією осередки. Активність, пов'язана з високим споживанням кисню, характеризується підвищеною проникністю, тоді як придушення її метаболізму - зі зменшенням проникності.
Мембрана живої клітини характеризується селективністю по відношенню до числа іонів, які проходять через неї. Ця селективність втрачається тільки тоді, коли є явища, несумісні з поняттям живої мембрани. Зміни, що призводять до втрати мембранної селективності, також змінюють проникність.
У рідинах, де відстань між молекулами багато менше, ніж в газах, в'язкість обумовлена в першу чергу міжмолекулярним взаємодією, що обмежує рухливість молекул.
Крім того, в'язкість різних розчинів залежить від концентрації речовини в розчині. У таблиці 2 наведені значення в'язкості водних розчинів гліцерину при різних температурах.
Проникність залежить в основному від структури клітинної мембрани, яка, в свою чергу, відрізняється від цитоплазми через більш високий вміст ліпоїдів, ліпопротеїнів і інших, що є передумовою для перенесення речовин. Речовини, які мають більш високе співвідношення масло-вода, проникають швидше і краще через мембрани тварин. Краща розчинність в ліпідах має на увазі велику проникність мембрани.
Це дає межа проникності молекулярної маси, що дорівнює метилового спирту, що проходить через мембрану, і маніт не проходить. У мембранних процесах проникність також заважає ряду ферментів, виявлених в мембрані клітини: аденозінтріфосфатаза, фосфатази та інших. Тут також знаходиться рівновагу Донана, при якому вирівнювання різниці потенціалів по обидва боки мембрани відбувається через нерівномірний розподіл електролітів.
Таблиця 2 - В'язкість водних розчинів гліцерину
% води
η, Па ∙ с
ρ, кг / м 3
В'язкість (внутрішнє тертя) (англ. Viscosity) - одне з явищ переносу, властивість текучих тіл (рідин і газів) чинити опір переміщенню однієї їх частини щодо іншої. Механізм внутрішнього тертя в рідинах і газах полягає в тому, що хаотично рухаються молекули переносять імпульс з одного шару в інший, що призводить до вирівнювання швидкостей - це описується введенням сили тертя. В'язкість твердих тіл має низку специфічних особливостей і розглядається зазвичай окремо. Основний Закон в'язкої течії був встановлений І. Ньютоном (1687): У застосуванні до рідин розрізняють в'язкість:
Проникність граничних поверхонь в тілі підпорядкована ряду факторів, які в складному взаємозв'язку визначають перенесення речовин. Температура є важливим фактором проникності мембрани. Занадто тривалі дослідження показали, що підвищення температури призводить до підвищення проникності.
Регіональні дослідження по поглинанню свинячий глюкози у свиней по відношенню до температури показали наступні результати; при 11 градусах Цельсія - 168 міліграмів, при 22 градусах Цельсія - 203 міліграма, при 42 градусах Цельсія - 245 міліграмах.
- Динамічна (абсолютна) в'язкість μ - сила, що діє на одиничну площу плоскої поверхні, яка переміщається з одиничною швидкістю відносно іншої плоскої поверхні, що знаходиться від першої на одиничному відстані. В системі СІ динамічна в'язкість виражається в Па × с (паскаль-секунда), позасистемна одиниця П (пуаз).
- Кінематична в'язкість ν - відношення динамічної в'язкості μ до щільності рідини ρ.
ν = μ / ρ,
- ν, м 2 / с - кінематична в'язкість;
- μ, Па × с - динамічна в'язкість;
- ρ, кг / м 3 - щільність рідини.
Сила в'язкого тертя
Це явище виникнення дотичних сил, що перешкоджають переміщенню частин рідини або газу один по відношенню до одного. Мастило між двома твердими тілами замінює сухе тертя ковзання тертям ковзання шарів рідини або газу по відношенню один до одного. Швидкість частинок середовища плавно змінюється від швидкості одного тіла до швидкості іншого тіла.
Реакція середовища також є важливим фактором. Джейкобс вважає, що підкислення організму викликає затримку гемолізу еритроцитів гемолізує агентами, такими як гліцерин. Наші дослідження показали, що сильне скорочення лужних запасів також знижує проникність футерування травної системи птиці до білкового гідролізату.
Сильна подщелачивание призводить до тих же результатів - зниженою проникності. Важливим фактором проникності клітинної мембрани є стан нервової системи . Придушення нервової системи препаратами - ефіром, хлороформом, хлоральгідратом, похідними вареників - призводить до зниження клітинного метаболізму і, отже, до зменшення резорбції.
Сила в'язкого тертя пропорційна швидкості відносного руху V тел, пропорційна площі S і обернено пропорційна відстані між площинами h.
F = -VS / h,
Коефіцієнт пропорційності, що залежить від сорту рідини або газу, називають коефіцієнтом динамічної в'язкості. Найважливіше в характері сил в'язкого тертя то, що при наявності будь-яку як завгодно малої сили тіла прийдуть в рух, тобто не існує тертя спокою. якісно істотна відмінність сил в'язкого тертя від сухого тертя
Наші дослідження і дослідження Уілбранда і Лазста показали, що це не відноситься до уретаном, що не приводить до глибокого впливу на клітинний метаболізм і не знижує проникність. Наші дослідження блокування ганглія показали, що нормальна проникність слизової оболонки кишечника знижується в 3 з половиною рази за рахунок поглинання гліколізу.
Вік також відіграє важливу роль в проникності мембран тварин. Спочатку молодий вік пов'язаний з більшою проникністю. Ця велика проникність має велике значення для поглинання поживних речовин з організму. Це важливо у відношенні харчування організму кальцієм, концентрації якого повинні бути такими, щоб підтримувати селективність мембран. Двоокис вуглецю, яка безперервно утворюється в організмі в результаті метаболізму, є надзвичайно важливим фактором проникності.
Якщо рух тіло повністю занурене в в'язку середу і відстані від тіла до кордонів середовища багато більше розмірів самого тіла, то в цьому випадку говорять про терті або опір середовища. При цьому ділянки середовища (рідини або газу), що безпосередньо прилягають до рухомого тіла, рухаються з такою ж швидкістю, як і саме тіло, а в міру віддалення від тіла швидкість відповідних ділянок середовища зменшується, звертаючись в нуль на нескінченності.
Клітинні мембрани непроникні для макромолекул і, перш за все, до білків. Через них проходять тільки ферменти. Можуть протікати тільки молекули молекул невеликий молекули через клітинні мембрани. Таким чином, білки, які мають молекулу діаметром 4-5 мкм, можуть проходити через стінки капіляра в клубочок.
При дефіциті кисню проникність капілярів в клубочках збільшується, що також відбувається в отруті, які впливають на дихання тканини. В алергічних умовах також спостерігається тенденція до підвищення проникності слизової оболонки кишечника до білка альбуміну. Великі молекули, які утворюються, коли жирні кислоти зв'язуються з солями жовчних кислот, коли вони дисперговані у воді, проходять через стінки кишечника. Аналогічно, холестерин проходить.
Сила опору середовища залежить від:
- її в'язкості
- від форми тіла
- від швидкості руху тіла відносно середовища.
Наприклад, при повільному русі кульки у в'язкій рідині силу тертя можна знайти, використовуючи формулу Стокса:
F = -6 RV,
Якісно істотна відмінність сил в'язкого тертя від сухого тертя, крім іншого, то, що тіло при наявності тільки в'язкого тертя і як завгодно малої зовнішньої сили обов'язково прийде в рух, тобто для в'язкого тертя не існує тертя спокою, і навпаки - під дією тільки вузького тертя тіло, спочатку що рухалося, ніколи (в рамках макроскопічного наближення, який нехтує броунівським рухом) повністю не зупиниться, хоча рух і буде нескінченно сповільнюватися.
в'язкість газів
В'язкість газів (явище внутрішнього тертя) - це поява сил тертя між шарами газу, що рухаються один щодо одного паралельно і з різними за величиною швидкостями. В'язкість газів збільшується з ростом температури
Взаємодія двох шарів газу розглядається як процес, в ході якого від одного шару до іншого передається імпульс. Сила тертя на одиницю площі між двома шарами газу, що дорівнює імпульсу, що передається за секунду від шару до шару через одиницю площі, визначається законом Ньютона:
τ = -η dν / dz
де:
dν / dz - градієнт швидкості в напрямку перпендикулярному напрямку руху шарів газу.
Знак мінус вказує, що імпульс переноситься в напрямку зменшення швидкості.
η - динамічна в'язкість.
η = 1/3 ρ (ν) λ, де:
ρ - щільність газу,
(ν) - середня арифметична швидкість молекул
λ - середня довжина вільного пробігу молекул.
В'язкість деяких газів (при 0 ° C)
в'язкість рідини
В'язкість рідини - це властивість, що виявляється тільки під час руху рідини, і не впливає на покояться рідини. В'язке тертя в рідинах підкоряється закону тертя, принципово відмінній від закону тертя твердих тіл, тому що залежить від площі тертя і швидкості руху рідини.
В'язкість - властивість рідини чинити опір відносному зсуву її шарів. В'язкість проявляється в тому, що при відносному переміщенні шарів рідини на поверхнях їх зіткнення виникають сили опору зсуву, звані силами внутрішнього тертя, або силами в'язкості. Якщо розглянути те, як розподіляються швидкості різних шарів рідини по перетину потоку, то можна легко помітити, що чим далі від стінок потоку, тим швидкість руху частинок більше. Біля стін потоку швидкість руху рідини дорівнює нулю. Ілюстрацією цього є малюнок, так званої, струменевої моделі потока.где:
- μ - коефіцієнт в'язкого тертя;
- S - площа тертя;
- du / dy - градієнт швидкості
Величина μ в цьому виразі є динамічним коефіцієнтом в'язкості, що дорівнює:
μ = F / S 1 / du / dy, μ = τ 1 / du / dy,
- τ - дотичне напруження в рідині (залежить від роду рідини).
Фізичний сенс коефіцієнта в'язкого тертя - число, що дорівнює силі тертя, що розвивається на одиничному поверхні при одиничному градієнті швидкості.
На практиці частіше використовується кінематичний коефіцієнт в'язкості, названий так тому, що в його розмірності відсутнє позначення сили. Цей коефіцієнт є ставлення динамічного коефіцієнта в'язкості рідини до її щільності:
ν = μ / ρ,
Одиниці виміру коефіцієнта в'язкого тертя:
- Н · с / м 2;
- кГс · с / м 2
- Пз (Пуазейль) 1 (пз) = 0,1 (Н · с / м 2).
Аналіз якості в'язкості рідини
для крапельних рідин в'язкість залежить від температури t і тиску Р, проте остання залежність проявляється тільки при великих змінах тиску, порядку декількох десятків МПа.
Залежність коефіцієнта динамічної в'язкості від температури виражається формулою виду:
μ t = μ 0 e -kt (TT 0),- μ t - коефіцієнт динамічної в'язкості при заданій температурі;
- μ 0 - коефіцієнт динамічної в'язкості при відомій температурі;
- Т - задана температура;
- Т 0 - температура, при якій виміряна значення μ 0;
- e
Залежність відносного коефіцієнта динамічної в'язкості від тиску описується формулою:
μ р = μ 0 e -k р (Р-Р 0),
- μ Р - коефіцієнт динамічної в'язкості при заданому тиску,
- μ 0 - коефіцієнт динамічної в'язкості при відомому тиску (найчастіше при нормальних умовах),
- Р - заданий тиск ,;
- Р 0 - тиск, при якій виміряна значення μ 0;
- e - основа натурального логарифма дорівнює 2,718282.
Вплив тиску на в'язкість рідини проявляється тільки при високих тисках.
Ньютонівські і неньютонівські рідини
Ньютоновскими назівають Рідини, для якіх в'язкість НЕ Залежить від швідкості деформації. У рівнянні Нав'є - Стокса для ньютонівської рідини має місце аналогічний вищенаведеному закон в'язкості (по суті, узагальнення закону Ньютона, або закон Нав'є):
σ ij = η (dv i / dx i + dv j / dx i),
де σ ij - тензор в'язких напружень.
Серед неньютоновскіх рідин, по залежності в'язкості від швидкості деформації розрізняють псевдопластікі і ділатантні рідини. Моделлю з ненульовим напругою зсуву (дія в'язкості подібно сухого тертя) є модель Бінгама. Если в'язкість змінюється з Пліній годині, рідина назівається тіксотропної. Для неньютоновскіх рідін методика вимірювання в'язкості отрімує першорядне значення.
З підвіщенням температури в'язкість багатьох рідін падає. Це пояснюється тім, что кінетічна енергія кожної молекули растет швидше, чем потенційна енергія взаємодії между ними. Тому все мастила всегда намагають охолодіті, інакше це грозит простий виток через Вузли.
