DENSITATEA, VISCOZITATEA ŞI TENSIUNEA SUPERFICIALĂ A LICHIDELOR BIOLOGICE

A. MĂSURAREA DENSITĂŢII PRIN METODA DENSIMETRULUI

Definirea și explicarea noțiunii de densitate1. Densitatea absolută- raportul dintre masa corpului (M) şi volumul sau (V);

- mai este numită masă volumică;- variază cu temperatura

Dt = densitatea absolută a lichidului la temperatura tD0 = densitatea absolută a lichidului la temperatura 0°Cα - coeficientul de dilataţie volumică a lichiduluit - (t°C - 0°C) = variaţia de temperatură în grade Celsius

- unitatea de masură

2. Densitatea relativă (d )- raportul dintre densitatea absolută a corpului (D) şi densitatea absolută a aceluiaşi

volum (V) dintr-o substanţă considerată de referinţă (D’), la aceeaşi temperatură.

- mărime adimensională;- lichidul de referință = apa distilată

4 grade C; 760 mm col Hg.

Metodele de determinare a densităţii- metode indirecte

măsurarea masei prin cântărire.- metode directe

legea lui Arhimede

Legea lui Arhimede:Un corp scufundat într-un lichid este împins de jos în sus de o forţă egală și de sens

contrar cu greutatea volumului de lichid dislocuit de acel corp.

Aplicaţii medicale- determinarea densității urinei.

Variații ale densității urinei1. Fiziologic- volumul de apă ingerată şi de concentraţia solviţilor

creşte în transpiraţii profuze, diaree, mari eforturi musculare.- vârstă

mai mică la nou-născut şi sugar faţă de adult.2. Patologic- creşte

diabetul zaharat, stări febrile, sindrom nefrotic şi în oligurii (volum urinar scăzut).

- scade poliurii nediabetice = diabet insipid.

PARTEA PRACTICĂ

Descrierea densimetrului (= areometru)- plutitor (P)

corp cilindric, plin cu aer.- rezervor (R)

la partea inferioară a P; umplut cu un material greu (alice de plumb sau mercur); deplasează CG al dispozitivului la partea inferioară echilibru stabil în poziţie verticală.

- Scală gradată în denstiăți relative la partea superioară a P;

- termometru

1) Gradația în unitați de densitate- unitate de densitate = densitatea apei distilate

760 mm col. Hg; 4°C (gradare 20/4°C).

- densimetre speciale urodensimetru, (1-1,060 g/cm3); lactodensimetru).

2) Gradația în unităţi de concentraţie- alcoolmetru.

Măsurarea densităţii urinei cu urodensimetrul- se folosește urina colectată din 24 ore.

Metodă de lucru- se introduce lichidul în cilindrul gradat până la 2/3 din volumul cilindrului, fără să se

formeze spumă la suprafaţă;- se introduce urodensimetrul în lichid, fără să atingă pereţii cilindrului;- se citeşte cifra corespunzătoare diviziunii tangente la partea inferioară a meniscului

format de interfaţa lichid/aer = densitatea relativă a urinei exprimată în g/cm3;

- se scoate densimetrul, se recuperează lichidul şi se clătesc cu apă cilindrul şi densimetrul.

Corectarea în funcție de temperatură

Surse de erori- densimetrul nu este perfect vertical;- lichidul din cilindru este insuficient şi densimetrul atinge fundul vasului;- densimetrul atinge pereţii cilindrului

forţă de frecare.- strat de spumă la suprafaţa lichidului;- eroarea de paralaxă (cea mai importantă)

citirea gradaţiei sub un anumit unghi.

B. MĂSURAREA COEFICIENTULUI DE VISCOZITATE CU VISCOZIMETRUL OSTWALD

Explicarea fenomenului de viscozitateFluid

- orice corp în stare gazoasă (gaze, vapori) sau lichidă;- coeziune intermoleculară mai mică decât în cazul solidelor;- nu are formă proprie, ci ia forma vasului în care se află

apa, aerul, sângele, saliva.

Fluide newtoniene- viscozitate constantă la toate vitezele de curgere.

soluţii reale; sisteme coloidale de concentraţie mică.

Fluidele nenewtoniene- viscozitate de structură.

soluţii coloidale de concentraţie mare; soluţii macro-moleculare; geluri; sângele.

Curgerea laminară- deplasarea sub forma de lame paralele a unui lichid cu viteză redusă.

Ecuația fundamentală a lui Newton- două straturi monomoleculare, de suprafaţă S egală, paralele între ele şi cu direcţia de

curgere a fluidului;- între ele apar forţe egale şi opuse ca sens = forţe de antrenare;- F se poate calcula din ecuaţia fundamentală a lui Newton

Ecuația de definiție a coeficientului de viscozitate dinamică

Coeficientul de viscozitate dinamică- forţa de antrenare pe care o exercită un strat monomolecular asupra altui strat

monomolecular vecin, ambele egale ca suprafaţa cu unitatea şi paralele cu direcţia de curgere, gradientul vitezei relative fiind unitar;

- depinde de material;- nu depinde de condiţiile de curgere a fluidului;- variază cu

temperatura; concentraţia substanţei dizolvate.

Coeficientul de viscozitate cinematică- raportul dintre coeficientul de viscozitate dinamică şi densitate.

Coeficientul de viscozitate relativă- raportul dintre coeficientul de viscozitate al fluidului considerat şi coeficientul de

viscozitate al lichidului de referinţă

Aplicaţii medicaleViscozitatea sângelui

- sângele = fluid nenewtonian plasmă = lichid newtonian (manșon lateral); elemente figurate (axial).

- depinde de numărul elementelor figurate; deformabilitatea lor; calibrul vasului; forţa de pompare a inimii.

Variații fiziologice- femeie < bărbat;- copil < adult;- artere < vene.

Variații patoloice1. Creşterea viscozităţii sângelui- hiperproteinemie;- poliglobulie;- creşterea viscozităţii interne a hematiei/membranei sale

anemia falciformă; hemoglobinopatii.

- afecţiuni cardiovasculare infarctul miocardic acut; stările de şoc; hipoxia; acidoza.

2. Scăderi ale viscozităţii sângelui- hipoproteinemie (transfuzii cu ser fiziologic sau plasmă).

Viscozitatea altor lichide biologice- viscozitatea lichidului sinovial

lubrefierea articulaţiilor.- viscozitatea soluţiilor coloidale (albumine, proteine)

stabilirea naturii sistemului coloidal, gradului de dispersie (polimerizare).

Metode de determinare a coeficientului de viscozitate1. Măsurarea timpului de curgere a lichidului de cercetat printr-un tub capilar

comparativ cu timpul de curgere a unui lichid de referinţă:- principiul metodei: legea Poiseuille;- viscozimetre: Ostwald, Baume, Hess.- avantaje: necesită un volum mic de lichid.

2. Măsurarea timpului de cădere a unei bile în lichidul a cărui viscozitate o avem de determinat

- principiul metodei: legea Stokes;- viscozimetre: Hoppler;- dezavantaj: necesită volum mare de lichid.

3. Măsurarea rezistenţei la mişcarea care se imprimă parcelar, într-o zonă a fluidului (antrenare)

- principiul metodei: ecuaţia lui Newton;- viscozimetre: Lecomte de Nouy, Rheotest-2.

PARTEA PRACTICĂPrincipiul metodeiLegea lui Poiseuille

Q = debitul de curgere prin tubul capilarV = volumul consideratt = intervalul de timp în care se scurge volumul V prin tubul capilarP = presiunea hidrostatică sub care se produce curgerea lichiduluip = densitatea absolută a lichidului g = acceleraţia gravitaţionalăh = înălţimea coloanei de lichid ce asigură curgerea, determinând presiunea hidrostatică(P).r, 1 = parametrii dimensionali ai tubului, respectiv raza şi lungimean = coeficientul de viscozitate dinamică a lichidului de studiat.

Viscozimetrul Ostwald- tub de sticlă în formă de “U”, deschis la ambele capete;- două rezervoare

superior – A; inferior – B.

- porţiune capilară de lungime 1 şi de rază r, situata în continuarea rezervorului de la nivelul superior, a cărui volum V este delimitat de două repere (îngustări de calibru) a şi b. Capătul superior al rezervorului A se continuă, prin intermediul unui tub de plastic cu o seringă de aspiraţie S. Aparatul este fixat perfect vertical într-un stativ.

Mod de lucru- se umple dispozitivul cu lichid de cercetat cu ajutorul pipetei, prin capătul braţului O,

până la marginea superioară a rezervorului B;- se aspiră cu ajutorul seringii S lichidul, până deasupra reperului a;- se decuplează seringa și lichidul va începe să curgă din rezervorul A;- se notează timpul t măsurat cu ajutorul cronometrului, din momentul în care lichidul

ajunge la nivelul reperului a până la nivelul reperului b.- se efectuează 10 determinări;- se goleşte viscozimetrul, se spală cu apă;

Se repetă aceleași operaţiuni pentru apa.

Rezultate experimentalePrelucrări statistice

- media aritmetică- eroarea medie pătratică a valorii individuale (deviaţia standard);- eroarea probabilă a mediei aritmetice a măsurătorilor

C. MĂSURAREA COEFICIENTULUI DE TENSIUNE SUPERFICIALĂ CU STALAGMOMETRUL TRAUBE

Definirea și explicarea fenomenului de tensiune superficialăForţe intermoleculare

1. Moleculă A- în interiorul lichidului;- este atrasă în mod egal (forţe Van der Waals) de moleculele înconjurătoare, până la o

distanţă r = echilibru;- sfera imaginară de rază r = sferă de acţiune moleculară.2. Moleculă B- distanţă mai mică decât r faţă de suprafaţa libera a lichidului;- este atrasă cu forţe mai mici spre suprafaţă;

rezultantă R.3. Moleculă C- la suprafaţa lichidului;- molecula interacţionează şi cu moleculele gazului;- este atrasă puternic spre lichid şi foarte slab spre mediul gazos exterior;

rezultantă R2.

- moleculele superficiale exercită o presiune asupra celorlalte molecule din lichid = forţa normală la suprafaţa hchidului;

- fiecare forţă de atracţie F componentă normală la suprafaţă, Fn; componenta tangenţială, Ft.

Forţele normale (Fn)- rezultantă perpendiculară pe suprafaţa, îndreptată spre lichid, R.

Forţele tangenţiale- menţin molecula în echilibru, la suprafaţă;- formează tensiunea superficială.

Laplace

- pentru suprafeţe sferice

- pentru suprafeţe plane

Coeficientul de tensiune superficială: definiţie, relaţii matematice

F = componenta tangenţială a forţei de tensiune superficială, exercitată pentru a mări suprafaţa lichidiană1 = lungimea conturuluiσ = coeficientul de tensiune superficială;

Unități de măsură

σ dinamic = caracterizează suprafaţa de separare proaspătă (compoziție identică cu restul lichidului)σ static = caracterizează suprafaţa lichidului după un anumit timp.

Influenţa temperaturii asupra tensiunii superficiale

σ = coeficientul de tensiune superficială la temperatura t (°C)σ0 = coeficientul de tensiune superficială la temperatura 0°Cα = coeficient ce depinde de natura lichidului.

Aplicaţii medicale ale fenomenului de tensiune superficială

Curgerea unui lichid printr-un tub capilar. Legea lui JurinCând un lichid curge lent printr-un tub capilar al cărui orificiu inferior are secţiune

orizontala, curgerea nu este continuă, se formează o serie de picături de greutate sensibil constantă şi egală. De fapt lichidul aderă la marginile orificiului şi formează o picătură care funcţionează ca o membrană elastică, care îşi modifică forma şi dimensiunile în funcţie de greutatea sa. Se observă că anterior desprinderii, se formează un colet cu raza r mai mică decât raza exterioară R a tubului capilar. Când greutatea va depăşi forţa de tensiune superficială ce se opune extensiei suprafeţei, picătura se va desprinde de pe circumferinţă şi va cădea.

Embolia gazoasă1. Capilar sanguin cu o bulă de aer;- la interfaţa aer/sânge apare o diferenţă de presiune;- presiunea în interiorul bulei > presiunea atmosferică:

P = presiunea atmosfericăPb = presiunea în interiorul buleiΔP = presiune datorată componentei normale a forţelor de tensiune superficială

- dacă raza de curbură (egală cu raza capilarului) este aceeaşi la ambele extremităţi ale bulei, diferenţa de presiune se echilibrează, bula progresează normal, fiind împinsă de presiunea sanguină, nu împiedică fluxul sanguin.

2. Arteriolă capilară de calibru foarte mic

- bula de aer nu mai avansează, blocând fluxul sanguin. Teritoriul arterial în aval nu mai este irigat. Se poate explica astfel fenomenul de embolie gazoasă.

PARTEA PRACTICĂLegea lui Tate

- o picătură de lichid se desprinde de la extremitatea inferioară a unui capilar orientat vertical atunci când greutatea ei (G) egalează forţele de tensiune superficială ce se exercită tangenţial pe conturul de implantare al picăturii la extremitatea capilarului (F)

m - masa unei picături, g - acceleraţia gravitaţională, v - volumul unei picături, p - densitatea lichidului, r - raza conturului de implantare al picăturii (se consideră raza capilarului).

Stalagmometrul Traube- tub capilar orientat vertical;- rezervor de volum V

delimitat de două repere; 40 diviziuni egale inferioare/superioare.

- seringă + tub de cauciuc se aspiră lichidul în rezervorul de volum V.

Considerând că în volumul V al rezervorului stalagmometrului se găsesc n picături

Mod de lucru- determinarea numărului de picături din volumul V

lichidul de referinţă; lichidul de cercetat.

Etape- stalagmometrul se spală cu apă distilată şi se fixează în stativ;- se aspiră apă distilată din paharul Berzelius cu seringa până ce nivelul lichidului

depăşeşte diviziunea 0 a scalei gradate superioare;- se scoate partea inferioară a stalagmometrului din lichid;- se apasă uşor pistonul seringei până ce se desprinde o nouă picătură;

se notează valoarea diviziunii la care se află nivelul lichidului (pp. 5)- se apasă pistonul până ce se desprinde o nouă picătură

se notează valoarea diviziunii la care a ajuns nivelul lichidului (pp. 30);- se detaşează vârful seringei de la capătul tubului de cauciuc pentru a se asigura o

curgere liberă a lichidului se numără toate picăturile care se formează din lichidul cuprins în rezervor.

- când nivelul lichidului se apropie de diviziunea 0 inferior, se reintroduce vârful seringei în tubul de cauciuc pentru a opri curgerea

se notează valoarea diviziunii în momentul desprinderii ultimei picături de lichid numărate (pp 10);

- se efectuează câte 10 măsurători pentru apa distilată şi respectiv pentru lichidul de cercetat;

- valorile obţinute se trec în tabel;- se citeşte valoarea temperaturii.

Relaţia de calcul:

Numărul de picături na şi nx

- 1 picătură de apă distilată: 30 - 5 = 25 diviziuni;- pp numărul de picături dintre d30 superior si d10 inferior = 45;- numărul de picături din rezervor = 45 - numărul de picături din 10d superior și 10d

inferior.

1 picătura ... 25 diviziunix picături ... 20 diviziuni

- valorile pentru px si pa se iau din tabelele;- px se determină cu ajutorul urodensimetrului în lucrarea precedentă.

D. INFLUENŢA UNOR AGENŢI TENSLOACTIVI ASUPRA COEFICIENTULUI DE TENSIUNE SUPERFICIALĂ

Agenți tensioactivi1. Interacţiile solvent - solvit > interacţiile solvent – solvent

σ soluţie > σ solventExemplu apă + săruri minerale

2. Interacțiile solvent-solvit = interacțiile solvent-solventσ soluţie = σ solvent

Exemplu: apă + zaharoză

3. Interacțiile solvent-solvit < interacțiile solvent-solvent (moleculele tensioactive)σ soluţie < σ solvent

Exemplu apă + molecule organice

Moleculele care scad mult coeficientul de tensiune superficială al solventului pur, chiar dacă sunt adăugate în doză infimă, poartă numele de molecule tensioactive. Ele sunt formate dintr-un radical hidrofil, situat la o extremitate a unui lanţ hidrocarbonat, hidrofob (având n+1 atomi de carbon)Cu cât n este mai mare (lanţul hidrocarbonat mai lung), cu atât acidul gras este mai puţin solubil şi mai tensioactiv, având tendinţa să realizeze pelicule superficiale.

Aplicaţii medicale: soluţii tensiotampon- serul şi plasma sanguină pot sa isi refaca tensiunea superficiala

calciu + substanţa tensioactivă = complecşi insolubili, netensioactivi; proteine care adsorb substanţa tensioactivă.