2017-11-01
485ТЕМА № 4. ДОСЛІДЖЕННЯ РІДИН МАЛОЇ В'ЯЗКОСТІ
КАПІЛЯРНИМ ВІСКОЗИМЕТРОМ
Прилади та обладнання: секундомір, водні розчини неорганічних солей, водні розчини сахарози, пробірки, піпетки, мірні колби, фільтрувальний папір, скляний капілярний віскозиметр.
Мета роботи: навчитися визначати величини відносної, питомої і наведеної в'язкості досліджуваних розчинів.
Теоретичні відомості
Будь-яка рідина (або газ) мають властивість протидіяти відносному переміщенню її шарів. У газах ця властивість зумовлена переносом імпульсу хаотичним тепловим рухом молекул, а в рідинах – переважно зчепленням молекул, що називається внутрішнім тертям, або в'язкістю.
Реологія - це наука, що вивчає закономірності деформації та плинності різних матеріалів. Одним з її розділів є віскозиметрія, яка досліджує найважливішу гідродинамічну характеристику речовини - в'язкість.
В'язкість (внутрішнє тертя) рідини - властивість рідини чинити опір переміщенню окремих її шарів відносно один одного; вона обумовлена міжмолекулярними взаємодіями, що обмежують рухливість молекул.
|
|
|
Напруження зрушення (τ) – це сила (F), яка діє на одиницю площі шару (s) у напрямку його руху:
Відповідно до закону Ньютона, напруга зсуву прямо пропорційна градієнту швидкості руху рідини:
де η – динамічна в’язкість; du/dx – градієнт швидкості руху рідини (який також називають швидкістю деформації зсуву).
Рідини за властивостями густини поділяються на два види: ньютонівські і неньютонівські.
Ньютонівською називається рідина, коефіцієнт в'язкості якої залежить тільки від її природи і температури. Для них справедлива формула Ньютона, коефіцієнт в'язкості в якій є постійним параметром, не залежних від умов потоку рідини.
Неньютонівською називається рідина, коефіцієнт в'язкості якої залежить не тільки від природи речовини і температури, а також і від умов потоку рідини (від градієнта швидкості). Коефіцієнт в'язкості у даному випадку не є константою. При цьому в'язкість рідини характеризують умовним коефіцієнтом в'язкості, що належить до певних умов струму рідини (наприклад, тиск, швидкість). Залежність сили в'язкості від градієнта швидкості тут стає нелінійною.
У міжнародній системі СІ прийнята одиниця динамічної в’язкості 1 Па*с – це динамічна в'язкість середовища, в якій при ламінарному потоці на кожен м2 рухомого шару діє сила тертя 1 Н за умови, що різниця швидкостей шарів, які знаходяться на відстані 1 м один від одного, дорівнює 1 м/с.
Позасистемною одиницею в'язкості є пуаз (П). 1 Па / с = 10 П = 103 сП. В'язкість води при 20оС дорівнює 1,002 сП (мПа / с). В'язкість будь-якого розчину за величиною може істотно відрізнятися від в'язкості чистого розчинника, оскільки молекули розчиненої речовини будуть порушувати однорідність потоку.
|
|
|
Розрізняють декілька видів в'язкості:
Відносна в'язкість - це величина, що визначається відношенням в'язкості речовини (η) до в'язкості розчинника (ηо):
Зазвичай величина відносної в'язкості більшості речовин перевищує 1. Так, відносна в'язкість етилового спирту при 20оС дорівнює 1,192; оцтової кислоти - 1,219; касторової олії - 1,250; гліцерину - 1,490.
Питома в'язкість - це величина, яка визначається часткою зміни в'язкості, викликаної додаванням розчиненої речовини:
Питома в'язкість пропорційна частці об’єму, який займають молекули речовини. Показники відносної і питомої в'язкості залежать від концентрації речовини, тому для характеристики в'язкості речовини було введено поняття наведеної в'язкості, що не залежить від концентрації:
,
де С – концентрація речовини в грамах на 1 або 100 мл.
В'язкість крові. Гемодинаміка. Кров є неньютонівською рідиною, оскільки її в'язкість різко падає зі збільшенням швидкості зсуву. При високих величинах напруги зсуву (і при високих градієнтах швидкості) кров поводиться як ньютонівська рідина. Ці властивості крові обумовлені тим, що при низьких швидкостях зсуву в ній є агрегати еритроцитів. Ці агрегати розпадаються в міру збільшення швидкості зсуву, і тому в'язкість крові знижується і наближається поступово до певної межі. При великій швидкості зсуву кров можна розглядати просто як суспензію клітин. Це справедливо для крові, що тече у великих артеріях. Рух крові по таким судинам залежить від концентрації та фізичних властивостей еритроцитів.
У судинах еритроцити легко деформуються, стаючи схожими на купол, і проходять через капіляри не руйнуючись, (діаметр капіляру ≈ 3 мкм, еритроциту ≈ 8 мкм). Як результат - поверхня взаємодії еритроцитів зі стінкою капіляра збільшується в порівнянні з не деформованим еритроцитом, що безпосередньо сприяє обмінним процесам.
Завдяки дископодібній формі клітин і еластичності її оболонки, суспензія еритроцитів має відносно низькою в'язкістю, що важливо для зменшення навантаження на серце. Збільшення жорсткості стінок еритроцитів при патологічних процесах призводить до зростання в'язкості і погіршення кровообігу.
Як і у будь-якої рідини, в'язкість крові зростає при зниженні температури. Наприклад, при зменшенні температури з 37 ° С до 17 ° С в'язкість крові зростає на 10%. Таким чином, на в'язкість крові впливає ряд факторів: 1) швидкість кровотоку (тому в'язкість вище в капілярах і нижче в артеріях); 2) концентрація еритроцитів; 3) еластичність мембран клітин крові; 4) концентрація білків плазми; 5) температура.
Гемодинаміка - один з розділів біомеханіки, що вивчає закони руху крові по кровоносних судинах. Завданням гемодинаміки є встановлення взаємозв'язку між основними гемодинамічними показниками, а також їх залежність від фізичних параметрів крові і кровоносних судин.
До основних гемодинамічних показників відносяться тиск і швидкість кровотоку.
Тиск - це сила, що діє з боку крові на судини (F), яка припадає на одиницю площі (s):
Розрізняють об'ємну і лінійну швидкість кровотоку.
Об'ємною швидкістю (Q) називають величину, яка чисельно дорівнює об’єму рідини (v), що протікає за одиницю часу (t) через даний перетин труби (судини):
Одиниця виміру об’ємної швидкості – м3/с.
Лінійна швидкість (V) являє собою відстань (l), яку проходять часточки крові за одиницю часу та вимірюється в м/с:
Механічне напруження стінки кровоносної судини (σ):
де P - тиск крові, r - радіус просвіту судини, h - товщина стінки судини.
У реальних рідинах (в'язких) в міру їх руху по трубі, потенційна енергія витрачається на роботу з подолання внутрішнього тертя, тому тиск рідини уздовж труби падає. Для ламінарного потоку реальної рідини в циліндричній трубі постійного перерізу справедлива формула (закон) Гагенa-Пуазейля:
|
|
|
де ΔР = Р1 – Р2 – падіння тиску (різниця показників при вході і виході з судини)
Із закону Пуазейля слід, що падіння тиску крові в судинах залежить від об'ємної швидкості кровотоку і, в переважній більшості, від радіусу судини. Зменшення радіусу на 20% призводить до падіння тиску більш ніж в 2 рази. Навіть невеликі зміни просвітів кровоносних судин сильно позначаються на падінні тиску. Не випадково, основні фармакологічні засоби нормалізації тиску спрямовані насамперед на зміну просвіту судин.
Віскозиметри. Для протікання рідини через трубку (капіляр) потрібна деяка різниця тисків. Залежність між об’ємом рідини, що протікає за певний проміжок часу через трубку (об'ємна швидкість) і різницею тисків на кінцях трубки виражається формулою Пуазейля.
Вимірювання в'язкості рідин за допомогою скляних капілярних віскозиметрів засноване на законі Пуазейля. Виходячи з попередніх формул, в'язкість рідини дорівнює:
Для визначення в'язкості необхідно, щоб потік рідини був ламінарним, за якого шари рідини течуть паралельно, не перемішуючись. Для вихрової (турбулентної) течії формула Пуазейля непридатна.
Капілярний віскозиметр - це скляний калібрувальний капіляр, з'єднаний з вимірювальним резервуаром (рис. 3). Вище і нижче вимірювального резервуара розташовуються мітки, за якими відраховують час проходження меніска досліджуваного розчину. Віскозиметр закріплюється в штативі в строго вертикальному положенні. Досліджувану рідину наливають в стаканчик, занурюють в нього нижній кінець капіляра і закачують розчин у віскозиметр за допомогою гумового балона так, щоб рівень рідини був вище верхньої мітки вимірювального резервуара. Потім знімають гумовий балон і дають рідині можливість вільно витікати назад через капіляр. При цьому секундоміром вимірюють час витікання досліджуваного розчину від верхньої до нижньої вимірювальної мітки. За часом витікання рідини з віскозиметра визначають величину відносної в'язкості досліджуваного зразка. Відносну в'язкість розчину речовини, що випливає з віскозиметра, можна розрахувати за формулою:
|
|
|
де ρ1 - щільність досліджуваного розчину речовини; ρ0 - щільність розчинника, t1 - час закінчення каліброваного об'єму досліджуваного розчину, t0 - час закінчення каліброваного об'єму розчинника.
У разі, коли щільність досліджуваного розчину і розчинника близькі за величиною, значення відносної в'язкості можна визначати тільки за часом закінчення розчинника і досліджуваного розчину за формулою:
Медичний віскозиметр. Медичний віскозиметр використовується для визначення в'язкості крові (рис. 4). Принцип його дії заснований на тому, що швидкості просування різних рідин в капілярах з однаковими перерізами при рівних температурах і тисках залежать від в'язкості цих рідин. З формули Пуазейля виходить, що відстані, на які перемістилися певні об’єми рідин в однакових капілярах за однаковий час, обернено пропорційні в’язкості цих рідин:
Медичний віскозиметр складається з двох однакових градуювальних капілярів, сполучених між собою. В один з капілярів набирають певний об'єм дистильованої води, в іншій - досліджувану рідину (кров або плазму). При витіканні рідин, їх переміщення за один і той самий час буде обернено пропорційно їх в'язкості.
| 
|
| Рис. 3. Капілярний віскозиметр | Рис. 4. Медичний віскозиметр |
Якщо в'язкість води вважати рівною одиниці, а шлях, пройдений нею, становить одну поділку віскозиметра, то в'язкість рідини чисельно дорівнює шляху, пройденого при цьому даної рідиною.
Хід роботи:
Завдання 1. Визначення в’язкості розчинів неорганічних солей
1. Приготуйте розчини хлориду натрію, хлориду амонію, гідрофосфату натрію, сульфату міді в концентрації 1моль/л.
2. Визначте час припинення витікання дистильованої води (розчинник) і досліджуваного розчину. Кожне вимірювання необхідно провести не менше чотирьох разів.
3. Отримані величини часу витікання досліджуваних рідин занесіть до таблиці:
Час витікання розчинів неорганічних солей
| Досліджувана речовина | Час витікання, с | середнє значення | |||
4. Розрахуйте значення відносної, питомої та наведеної в’язкості. Отримані результати запишіть до таблиці:
Значення в’язкості розчинів неорганічних солей
| Досліджувана речовина | В’язкість | ||
| Відносна | Питома | Наведена | |
5. На основі отриманих даних зробіть висновки про залежність в’язкості від концентрації (%) та фізичних властивостей даної речовини.
Завдання 2.Визначення в’язкості розчинів сахарози
1. Підготуйте розчини сахарози в концентрації 1, 5, 10, 15, 20 %;
2. Визначте час витікання дистильованої води (розчинник) та розчинів сахарози. Кожне вимірювання провести не менше чотирьох разів;
3. Отримані показники часу витікання досліджуваних розчинів занесіть до таблиці:
Час витікання розчинів сахарози
| Концентрація розчину сахарози | Час витікання, с | Середнє значення | |||
4. Розрахуйте значення відносної, питомої та наведеної в’язкості. Отримані результати також занесіть до таблиці:
Значення в’язкості для розчинів сахарози
| Концентрація розчину сахарози | В’язкість | ||
| Відносна | Відносна | Відносна | |
Завдання 3.Визначення в’язкості плазми і сироватки
1. За часом витікання з віскозиметра сироватки і плазми крові донорів визначте їх відносну в'язкість. Час витікання закінчення досліджуваних зразків вимірювати не менше п'яти разів. Зробіть висновок про величину в'язкості досліджуваних біологічних рідин.
Контрольні запитання:
1. Що таке в’язкість, в яких одиницях вона вимірюється?
2. Охарактеризуйте різні види в’язкості;
3. Сутність закону Ньютона. Поясніть відмінності між ньютонівськими та не ньютонівськими рідинами;
4. Перелічите методи вимірювання в’язкості;
5. Які фактори впливають на в’язкість крові?
