Метод измерения вязкости медицинским вискозиметром

1. Промойте капилляры спиртом, втягивая ртом воздух через наконечник, предварительно продезинфицировав его спиртом.

2. Откройте кран левого капилляра и, заполнив пипетку дистиллированной водой до отметки "0", закройте его.

3. До отметки "0" заполните второй капилляр исследуемой жидкостью.

4. Положите горизонтально вискозиметр, откройте кран и установите при необходимости обе жидкости на отметке «0». Всасывайте ртом воздух из обоих капилляров так, чтобы исследуемая жидкость дошла до цифры "1" (l₁=1). При этом вода, как менее вязкая жидкость дойдет до более высокой цифры l₂=k, т.е. l₂/ l₁=k. Повторите измерения 5 раз.

5. По окончании опыта промойте вискозиметр спиртом.

Упражнение 3. Определение коэффициента вязкости методом Стокса

Экспериментальная установка выполнена в виде штатива с бюреткой, заполненной касторовым маслом, в которую помещен стальной шарик радиусом " r ".

1. Магнитом осторожно поднимите шарик до верхней части бюретки. Отпустив его, измерьте время движения шарика на расстоянии l между метками (рис.4). Опыт повторите 5 раз и занесите данные в таблицу 4.

2. Измерьте расстояние между метками и рассчитайте коэффициент вязкости по формуле:

,

где: r = 7,8 ×10³ кг/м³ - плотность шарика,

r = 0,95× 10 ³ кг/м³ - плотность исследуемой жидкости,

g= 9,8 м/с² ,

r = (2,30± 0,03)×10^{-3 м} - для установки № 1 и

r = (2,70± 0,03)×10^{-3 м} - для установки №2.

 

Таблица 4

Результаты измерений и вычислений

№ п/п	t с	l м	r м	Пас	Δtм с	Δlм м	Δηм Па×с	Δr м	δηм
1 2 3 4 5
Ср

 

3. Оценить максимальные относительную и абсолютную погрешности косвенного измерения по формулам: и так как , то ,

где Dr_м, Dl_м, Dt_м - максимальные абсолютные погрешности измерений соответственно r, l и t.

3. Записать результат в виде: (Па·с)

Контрольные вопросы

1. Особенности молекулярного строения жидкостей.

2. Понятие идеальной и реальной жидкости, коэффициент вязкости и единицы его измерения.

3. Понятия ньютоновской и неньютоновской жидкостей.

4. Вывод формулы Пуазейля.

5. Гидравлическое сопротивление.

6. Распределение давления при течении жидкости по сосудам постоянного и переменного сечения.

7. Виды течения жидкости (ламинарное и турбулентное), число Рейнольдса, кинематическая вязкость.

8. Методы определения коэффициента вязкости (капиллярным медицинским вискозиметром, методом Стокса - с выводом формул).

9. Реологические свойства крови и особенности движения ее по сосудам.

Лабораторная работа №4

Определение коэффициента поверхностного

Натяжения жидкости

Основные понятия и определения: коэффициента поверхностного натяжения (КПН); единицы измерения КПН; капиллярные явления; газовая эмболия, поверхностно-активные вещества.

Цель работы: определять практически КПН методом отрыва капель и методом поднятия жидкости в капилляре, вычислять погрешности измерений.

Краткая теория

К жидкостям относят вещества, которые по своим свойствам занимают промежуточное положение между газами и твердыми телами. Подобно твердым телам жидкости мало сжимаемы, обладают большой плотностью; подобно газам принимают форму сосуда, в котором находятся. Такой характер свойств жидкостей связан с особенностями теплового движения их молекул. Молекулы в жидкости находятся на близком расстоянии друг от друга, поэтому между ними действуют значительные силы молекулярного притяжения и отталкивания. Зависимость сил взаимодействия двух молекул от расстояния между их центрами приведена на рисунке 1.

 

 

 

Рисунок 1. График зависимости сил взаимодействия между молекулами в зависимости от расстояния

 

По теории Я.И.Френкеля каждая молекула жидкости некоторое время совершает колебание вокруг определенного положения равновесия. Ее движение подобно колебаниям атомов в узлах кристаллической решетки в твердом теле. Однако время, в течение которого молекула жидкости совершает колебание относительно положения равновесия, в отличие от твердых тел, невелико. По истечении некоторого времени, называемого временем «оседлой жизни», молекула скачком переходит в новое положение равновесия на расстояние, равное среднему расстоянию между соседними молекулами. Для воды это расстояние приближенно равно 3×10^{-10 м. Поверхность жидкости, соприкасающаяся с другой средой, например, с ее собственным паром, с какой-либо другой жидкостью или с твердым телом (в частности, со стенками сосуда, в котором она содержится), находится в особых условиях.}

Возникают эти особые условия потому, что молекулы пограничного слоя жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены молекулами той же жидкости не со всех сторон. Часть «соседей» поверхностных молекул – это частицы второй среды, с которой жидкость граничит. Она, эта среда, может отличаться от жидкости, как природой, так и плотностью частиц. Имея же разных «соседей», молекулы поверхностного слоя и взаимодействуют с ними различным образом. Поэтому силы, действующие на каждую молекулу в этом слое, оказываются неуравновешенными: существует некоторая равнодействующая сила R, направленная либо в сторону объема жидкости, либо в сторону объема граничащей с ней среды.

Вследствие этого, перемещение молекулы из поверхностного слоя вглубь жидкости или вглубь среды, с которой она граничит, сопровождается совершением работы (внутри жидкости молекулы, со всех сторон окруженные точно такими же частицами, находятся в равновесии, и их перемещение не требует затраты работы).

 

Рисунок 2. Взаимодействие между молекулами жидкости внутри

И на ее поверхности

 

Величина и знак этой работы зависят от соотношения между силами взаимодействия молекул поверхностного слоя со «своими» же молекулами и молекулами другой среды. В случае, если жидкость граничит со своим собственным паром (насыщенным), т.е. в случае, когда мы имеем дело с одним веществом, сила, испытываемая молекулами поверхностного слоя, направлена внутрь жидкости (см. рис. 2). Это объясняется тем, что плотность молекул в жидкости много больше, чем в насыщенном паре, и поэтому сила притяжения со стороны молекул жидкости больше, чем со стороны молекул пара. Отсюда следует, что, перемещаясь из поверхностного слоя внутрь жидкости, молекула совершает положительную работу, т.е. обладает избыточной по сравнению с молекулой, находящейся в объеме вещества, потенциальной энергией W, называемой поверхностной энергией.

Эта энергия измеряется работой, которую могут совершить молекулы поверхности, перемещаясь внутрь жидкости под действием сил притяжения со стороны молекул в объеме жидкости. Переход молекул поверхностного слоя внутрь жидкости означает также сокращение поверхностного слоя, следовательно:

, (1)

где А – работа по перемещению молекул из поверхностного слоя внутрь жидкости или, напротив, из объема в поверхностный слой,

ΔS – вызванное этим перемещением изменение площади.

знак (-) – означает уменьшение площади поверхностного слоя,

знак (+) – увеличение площади.

Коэффициент σ является основной величиной, характеризующей свойства поверхности жидкости, и называется коэффициентом поверхностного натяжения.

(2)

Коэффициент поверхностного натяжения измеряется работой, необходимой для изменения единицы площади поверхности жидкости при постоянной температуре. В системе СИ единицей измерения коэффициента поверхностного натяжения , а в СГС: .

Учитывая связь между работой А и изменением поверхностной энергии Δ W (А=ΔW), можно записать ΔW= , откуда

, (3)

т.е. коэффициент поверхностного натяжения численно равен изменению поверхностной энергии, приходящейся на единицу площади свободной поверхности жидкости.

Рассмотрим, к чему приводит наличие у поверхностного слоя избыточной потенциальной энергии по сравнению с остальной массой жидкости.

Известно, что всякая система при равновесии находится в том из возможных для нее состояний, при котором ее энергия имеет минимальное значение.

Применительно к рассматриваемому случаю это означает, что жидкость в равновесии должна иметь минимально возможную поверхность – сферическую (форма шара, как известно, наименьшая поверхность при данном объеме).

Это означает, что должны существовать силы, препятствующие увеличению поверхности жидкости, т.е. силы, стремящиеся сократить эту поверхность.

Очевидно, что эти силы должны быть направлены вдоль самой поверхности, по касательной к ней. Они называются силами поверхностного натяжения. Для разрыва поверхности жидкости, на каком либо участке нужно преодолеть силу поверхностного натяжения, для каждой данной жидкости определенную величину. Эта сила в каждой точке перпендикулярна к границе разрыва поверхностного слоя. Величина силы поверхностного натяжения F, отнесенной к единице длины контура l, по которому происходит разрыв поверхностного слоя, называется коэффициентом поверхностного натяжения σ данной жидкости:

(4)

Определенный таким образом коэффициент поверхностного натяжения, измеряется в системе СИ в единицах н/м, а в системе СГС в дин/см. нетрудно показать, что оба определения (3) и (4) тождественны.

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от сил молекулярного взаимодействия и принимает различных значения для разных жидкостей. У легковоспламеняющихся жидкостей (эфир, спирт, бензин) молекулярные силы, а, следовательно, и величина поверхностного натяжения меньше чем у нелетучих жидкостей (например, у ртути и других жидких металлов). Значение коэффициентов поверхностного натяжения некоторых жидкостей при температуре 20⁰ С приведены в таблице 1

 

Таблица 1

Значение коэффициентов поверхностного натяжения некоторых жидкостей при температуре 20⁰ С

наименование	н/м	наименование	н/м
Вода Желчь Молоко Моча	0,0725 0,048 0,05 0,066	Ртуть Спирт Сыворотка крови Эфир	0,47 0,022 0,06 0,017

 

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от рода жидкости, от наличия примесей, от температуры. С повышением температуры он убывает. Снижения поверхностного натяжения можно достичь введением в жидкость поверхностно-активных веществ, уменьшающих энергию поверхностного слоя. Поверхностное натяжение объясняет многочисленные явления, характерные для жидкого состояния вещества, такие как образование пены, формирование капель и т.д.

 

Некоторые методы определения