curs3

Biofizica

Curs 3

Fluide reale. Vâscozitatea

lichidelor

• Într-un fluid real care curge, se produce deplasarea unor straturi subţiri de particule în raport cu altele (moleculele din acelaşi strat au aceeaşi viteză, în timp ce moleculele din straturile vecine au viteze diferite).

• Deplasarea relativă a straturilor de fluid este însoţită de apariţia unor forţe de frecare.

• Vâscozitatea se datoreaza prezentei forţelor de frecare internă între straturile vecine ale fluidului real care curge.


lichidelor

• Forţele de frecare internă (numite forţe de vâscozitate) sunt orientate tangenţial la suprafaţa straturilor vecine şi în sens opus vitezei stratului respectiv.

• Dacă în timpul curgerii straturile de lichid rămân paralele, curgerea este laminară.


lichidelor

• Pentru curgerea laminară expresia forţei de vâscozitate F este dată de legea lui Newton:

• - coeficient de viscozitate dinamică, S – suprafaţa comună de contact a două stări vecine,

• - gradientul vitezei (variaţia vitezei pe unitatea de lungime).

• = 1 Poiseuille (1P)

dy

dvSF

dy

dv

2m

sNSI


lichidelor

Clasificarea lichidelor reale

• Lichide newtoniene - perfect vâscoase sau

lichide cu vîscozitate normală (respecta legea lui

Newton)

– depinde de natura lichidului şi de temperatură

(scade odată cu creşterea temperaturii).

– Dacă T este constant nu depinde de gradientul

vitezei şi este considerat constant pentru un lichid.

Ex: soluţiile coloidale de concentraţii mici, apa, uleiurile

minerale pure şi alte lichide larg utilizate în tehnică.


lichidelor

Clasificarea lichidelor reale

• Lichide ne-newtoniene - Lichidele pentru care forţa de vâscozitate creşte mult mai repede decât gradientul vitezei

– nu mai este constant, depinde de gradientul vitezei la o anumită temperatură T.

– Numeroase lichide funcţionale, îndeosebi cele sintetice conţin aditivi cu greutăţi moleculare mari, care conferă un caracter nenewtonian comportării vâscoase.


lichidelor

• Lichide ne-newtoniene:– lichide Bingham (plastice)pentru care curgerea incepe

doar daca asupra lichidului se actioneaza cu o forta ce depaseste o anumita limita (ex. pasta de dinti, diferite creme).

– lichide pseudoplastice pentru care coeficientul de vâscozitate scade cu cresterea vitezei de deplasare : ex. sangele. (Aceasta comportare a sangelui se datoreaza compozitiei sale).

– lichide dilatante care sunt amestecuri omogene de fluide si care la viteze mari de curgere isi pierd omogenitatea si se separa in faze. Se caracterizează prin creşterea vâscozităţii odată cu creşterea vitezei.


lichidelor

• Coeficient de vâscozitate relativă

– 0 – coeficientul de viscozitate dinamică al unui lichid de referinţă (apa sau solventul pur)

• Coeficient de vâscozitate cinematică

• Coeficient de fluiditate

– Valorile vâscozităţii lichidelor biologice se modifică în cazuri patologice şi depind de asemenea de vârstă, specie, rasă, etc.

0

r

s

mIS

2

..,

1

Fenomene moleculare

• Aceste fenomene sunt datorate structurii

moleculare a substanţelor, a forţelor

intermoleculare şi a mişcării moleculelor.

• Aceste fenomene se împart în două

categorii:

– fenomene de suprafaţă (superficiale) şi

– fenomene moleculare de transport.

Fenomene de tensiune superficială

• Asupra fiecărei molecule (A)

din interiorul lichidului

acţionează forţe de atracţie din

partea moleculelor din jur

numite forţe de coeziune.

• Asupra fiecărei molecule (B)

vor acţiona forţe de adeziune

care sunt forţe de atracţie din

partea moleculei gazului de

deasupra lichidului.

A

aR

cR

R

B

Pentru molecula (B)

rezultanta tuturor

forţelor este diferită de

zero.

ac RRR

ac RRR

• Totalitatea moleculelor aflate în stratul aflat la suprafaţa

lichidului formează stratul superficial (B)

• Datorită rezultantei care acţionează asupra tuturor

moleculelor din stratul superficial, acesta exercită o

presiune numită presiune moleculară de valori foarte

mari (pentru apă 11 000 atm).

• Datorită presiunii moleculare lichidele sunt practic

incompresibile şi în plus ea imprimă moleculelor stratului

superficial tendinţa de a intra în interiorul lichidului,

micşorându-i suprafaţa liberă.

atm410

• În vecinătatea pereţilor vasului, forţele de coeziune care acţionează asupra moleculelor din stratul superficial vor fi tangente la suprafaţa liberă a lichidului determinând ca acesta să se comporte ca o membrană elastică care tinde să-şi micşoreze aria cât de mult posibil.

• Rezultanta forţelor de coeziune din stratul superficial se numeşte forţă de tensiune superficială. Această forţă este independentă de mărimea suprafeţei libere şi depinde de natura lichidului şi lungimea periferică a stratului superficial.

tF

- se numeşte

coeficient de

tensiune

superficială

Coeficientul de tensiune superficială a lichidelor şi

soluţiilor

• Coeficientul de tensiune superficială depinde de natura lichidului. Dintre toate lichidele, cu excepţia mercurului, apa are tensiunea superficială cea mai mare. Acest fapt se datorează legăturilor de hidrogen dintre moleculele apei. În general lichidele polare au tensiuni superficiale mari.

• Solviţii modifică coeficientul de tensiune superficială a solventului:– solvenţii minerali (acizi, baze şi săruri minerale cum sunt

glicerolul, NaCl, sucroza şi dextroza) în general măresc uşor coeficientul de tensiune superficială

– Substanţele care determină scăderi mari ale coeficientul de tensiune superficială se numesc substanţe tensioactive şi sunt compuşi organici amfifilici conţin atât grupări hidrofole cât şi hidrofobe): alcoolii, acizi graşi, acizii biliari sau sărurile biliare.

• Lichidele organice din sistemele vii (în general soluţii saline apoase) au în majoritatea cazurilor coeficienţii de tensiune superficială mai mici decât a apei şi se modifică în cazuri patologice.

• Anestezicele, care sunt substanţe tensioactive, determină o mişcare a tensiunii superficiale a sângelui. Pentru asimilarea rapidă a medicamentelor, acestea conţin sau se administrează cu substanţe tensioactive.

• Substanţele tensioactive au rol important în procesul de dializă şi în procesul de digestie, deoarece măresc permeabilitatea membranelor(prin micsorarea tensiunii superficiale a lichidelor care trec prin ele).

Fenomenul de contact între

lichide şi solide• Fenomenele superficiale care au loc la contactul dintre

lichide şi solide se numesc fenomene de udare. Acestea apar datorită forţelor de coeziune dintre moleculele lichidelor şi a forţelor de adeziune dintre moleculele lichidului şi ale solidului.

• Fenomenul de udare determină forma suprafeţelor libere a lichidelor în zona de contact cu solidul. Această suprafaţă poate fi plană sau în formă de menisc şi este dispusă perpendicular pe rezultanta forţelor de adeziune şi coeziune la care sunt supuse moleculele strat –superficial.

• Anumite substanţe, numite „agenţi udanţi” pot scădea

coeficientul de tensiune superficială dintre solide şi

lichide ( – tensiune interfacială) favorizând udarea

unor solide de către lichidul respectiv. Pentru a favoriza

pătrunderea unor medicamente în piele sau mucoase

se folosesc împreună cu anumiţi agenţi udanţi.

• În natură, multe plante şi animale secretă substanţe

hidrofobe care le protejează pentru a nu fi udate de apa

de ploaie (râuri, lacuri) şi favorizează deplasarea pe

suprafaţa apei.

SL

Adsorbţia substanţelor

• Substanţele dizolvate într-un solvent şi care nu au afinitate pentru un solvent se aglomerează la suprafaţa lichidului. În acest fel, deoarece creşte concentraţia lor la suprafaţă, tensiunea superficială va scădea. Substanţele vor fi repartizate în mod inegal între fazele sistemului, efectul fiind mai accentuat cu cât substanţa este mai liofobă.

• Fenomenul de acumulare a moleculelor unei substanţe pe suprafaţa unui suport (solid sau lichid) se numeşte adsorbţie. Aceasta este un fenomen de suprafaţă, spre deosebire de absorbţie care este un fenomen de volum.

• Fenomenul de adsorbţie stă la baza mai multor acţiuni biologice. De exemplu procesul de fagocitoză este intensificat de prezenţa globulinelor sanguine care acţionează în mod specific să micşoreze energia superficială dintre aceasta şi leucocite.

Forţa Laplace. Presiunea

suplimentară capilară

• În cazul suprafeţelor curbe (meniscuri) ale lichidelor se constată modificarea presiunii exercitate asupra lichidului de către stratul superficial. În cazul tuburilor capilare, pentru care suprafaţa liberă are forma unui menisc, forţa de tensiune superficială acţionând tangent la suprafaţa meniscului. În fiecare punct al ei are şi o componentă orientată de-a lungul tubului.

• se numeşte forţa Laplace, dirijată spre direcţia razei de curbură a suprafeţei libere a lichidului şi tinde să transforme suprafaţa curbă a meniscului în suprafaţa plană (de arie mai mică, deci stabilitatea mai mare a lichidului).

• Ca urmare a acţiunii forţei Laplace, la suprafaţa curbă a unui lichid apare o presiune suplimentară (Ps) capilară:

unde S este aria meniscului.

• Presiunea suplimentară şi presiunea moleculară determină presiunea internă (Pi) de la suprafaţa liberă a unui lichid într-un capilar,

S

FPs

curs3

Documents