Цель работы :
1. Изучить закон движения тела в вязкой среде.
2. Определить коэффициент вязкости жидкости методом Стокса.
Теоретическое введение
В
Капилляр неактивный - это глицерин, сахара и многие соли, растворенные в воде. Ряд веществ, которые сохраняются или проникают в организм, являются поверхностными, и их метаболизм зависит от их свойства. Вещества, которые уменьшают поверхностное натяжение, всегда направлены на граничную поверхность. Напротив, вещества, которые увеличивают поверхностное натяжение, распределяются внутри растворов и не достигают поверхности.
Когда к раствору метиленового синего добавляли углеродный порошок и раствор хорошо встряхивали, после фильтрации наблюдали полное обесцвечивание. Этот опыт также раскрывает сущность явления - большая молекула красителя удерживается поверхностью углеродной частицы, которая надежно фиксирует ее и выпускает двигатель. Было накоплено молекул краски на основе углерода, поверхность которых чрезвычайно велика, а сила притяжения зависит от прочности порошка и его активации. Один кубический сантиметр угольной пыли имеет площадь в один гектар.
Два соприкасающихся элемента жидкости (газа), двигающиеся в одном направлении, но с разными скоростями, воздействуют друг на друга. Сила взаимодействия ускоряет медленно движущийся слой и замедляет более быстрый. Эта сила называется силой внутреннего трения.
Рассмотрим жидкость,
движущуюся в направлении оси Ox
(рисунок 1). Пусть слои жидкости движутся
с разными скоростями. На оси Oz
возьмем две
точки, находящиеся на расстоянии dz
.
Скорости потока отличаются в этих точках
на величину dυ
.
Отношение
называется градиентом скорости –
векторная величина, численно равная
изменению скорости на единицу длины в
направлении, перпендикулярном скорости,
и направленная в сторону возрастания
скорости.
Механизм этого удержания выражается в проявлении сил физического или химического характера. В первом случае связь между адсорбентом и адсорбируемым веществом слабая - он определяется появлением межмолекулярных сил, а во втором связь между адсорбентом и адсорбированным веществом определяется проявлением химических сил - они создают прочную связь между ними.
Адсорбция наблюдается не только на частицах углерода, но и на любой другой свободной поверхности. Каждый атом свободной поверхности развивает свободные силы притяжения или свободные валентности, которые способны удерживать любую молекулу жидкости или газа. По мере увеличения поверхностного натяжения раствора происходит меньшая адсорбция.
Сила внутреннего трения (вязкости), действующая между двумя слоями жидкости, пропорциональна площади соприкасающихся слоев ΔS и модулю градиента скорости:
ΔS
(1)
Эта формула определяет закон вязкого трения, установленный Ньютоном. Коэффициент пропорциональности η называется коэффициентом внутреннего трения или коэффициентом вязкости.
Адсорбция является обратимым процессом: десорбция может легко возникать, если к раствору, адсорбированному, чем адсорбированное, добавляется другое вещество. Распространение адсорбированного материала также наблюдается, когда в растворе присутствуют два разных молекулярно-массовых материала или обрабатывается агентом, который может разрушать силы притяжения, которые определяют поверхностные явления.
Электролиты не адсорбируются одинаково. Более высокие одиночные ионы лучше адсорбируются. Гидроксильные анионы и водородные катионы воды также сильно адсорбируются. В общем, адсорбция электролитов более сложна. Предполагается, что образуется двойной электрический ремень - в том смысле, что один из ионов адсорбирован, а другой направлен наружу.
Иногда коэффициент вязкости η , определяемый формулой (1), называют коэффициентом динамической вязкости в отличие от коэффициента кинематической вязкости, равного отношению η /ρ , где ρ - плотность жидкости. Физический смысл коэффициента вязкости η заключается в том, что он численно равен силе внутреннего трения, возникающей на единице площади соприкасающихся слоев жидкости при градиенте скорости между ними, равном по модулю единице. Как следует из формулы (1), в системе СИ коэффициент вязкости η измеряется в Н·с/м 2 =Па·с (паскаль-секунда).
Адсорбционные поверхности тела животного чрезвычайно сложны и разнообразны. Неравномерное распределение фосфатидов и холестерина в организме вызывает значительное разнообразие адсорбции гидроксильных анионов и катионов водорода. Адсорбция наблюдается в организме, где адсорбент сохраняет в разной степени составляющие адсорбируемых веществ, но также наблюдается перестановочная адсорбция, например, кальций адсорбируется и выделяется калий и натрий. Насыщение кальция - обратный процесс - высвобождается кальций, адсорбируются калий и натрий.
Значения коэффициента вязкости для различных жидкостей и газов приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Вязкость некоторых веществ
|
Жидкости (при 18 о C) |
Газы (при н.у. ) |
||
|
Вещество |
η·10 2 Па∙с Адсорбция является важным фактором для ферментативных и других биохимических реакций, облегчая их курс за счет увеличения концентрации реагентов. В организме адсорбционные свойства имеют клетки, эритроциты, слизистые оболочки, сероз, эпителиальную ткань, белки и другие. Только эритроциты лошади имеют поверхность, эквивалентную 25 декадам площади, которая быстро и настойчиво сохраняет различные капиллярные активные вещества, образовавшиеся в организме или в кровоток. Транспортировка аминокислот из пищеварительной системы в печень и ткани происходит путем их фиксации до эритроцитов. |
Вещество |
η·10 5 Па∙с |
|
Воздух (своб. от СО 2) | |||
|
Глицерин | |||
|
Касторовое масло Огромная адсорбционная поверхность имеет коллоиды в теле животного. Адсорбция и десорбция протеинов непрерывно протекает на поверхности белковых молекул в тканях и жидкостях организма, и это изменяет ход реакций путем ускорения или замедления процесса. Процессы адсорбции и десорбции путем изменения рН также используются для лабораторной изоляции ферментов, витаминов, гормонов, алкалоидов и других. В пищеварительной системе ферментативные процессы, процессы абсорбции и другие широко связаны с адсорбцией. Здесь процессы адсорбции и десорбции смеются из-за изменения реакции, температуры и т.д. Адсорбция - это процесс, обусловленный рядом факторов. Это зависит прежде всего от природы адсорбента. По мере увеличения его поверхности адсорбция является более полной и зависит от ее однородности, размера частиц частиц и т.д. температура также является важным фактором адсорбции - более высокая температура приводит к снижению адсорбции. |
Кислород | ||
|
Углекислый газ | |||
Коэффициент вязкости зависит от температуры, причем характер этой зависимости для жидкостей и газов различен. Для газов с ростом температуры коэффициент вязкости возрастает, а для жидкостей, наоборот, уменьшается, что указывает на различие в них механизмов внутреннего трения.
Адсорбция связана с ориентацией адсорбируемых молекул на поверхность адсорбента. В двух фазах водно-масляного раствора вещества, которые имеют дипольную молекулу, расположены на границе раздела между двумя растворителями, так что гидрофильные группы направляются в водную фазу и гидрофобную в масляную фазу.
Проницаемость мембран животных
Живая клетка существует из-за непрерывной подачи питательных веществ в нее и излучений продуктов из обмена. Количество и качество поступающих веществ зависят от одного существенного свойства его мембраны - ее проницаемости. То, что характеризует клеточную мембрану в этом направлении, также является свойством всех лобных поверхностей тела - кожи, слизистой оболочки, серозы и других. По этой причине проницаемость является одной из наиболее важных проблем в биологии, связанных с такими основными процессами в организме, как поглощение пищи и воды, экскреция, рост, размножение и т.д.
В газах расстояния между молекулами существенно больше радиуса действия молекулярных сил, поэтому вязкость газов – следствие хаотического (теплового) движения молекул, в результате которого происходит постоянный обмен молекулами между движущимися друг относительно друга слоями газа. Это приводит к переносу от слоя к слою определенного импульса упорядоченного движения, в результате чего медленные слои ускоряются, а более быстрые – замедляются.
Проницаемость связана с прохождением некоторых веществ и с непосещением других. Такими граничными поверхностями в теле являются стенки капилляров и кровеносных сосудов, гломерулы в почках, гематоэнцефалический барьер и другие, где живая мембрана проявляет избирательность веществ. Проницаемость в основном связана с функцией ячейки. Активность, связанная с высоким потреблением кислорода, характеризуется повышенной проницаемостью, тогда как подавление ее метаболизма - с уменьшением проницаемости.
Мембрана живой клетки характеризуется селективностью по отношению к числу ионов, которые проходят через нее. Эта селективность теряется только тогда, когда есть явления, несовместимые с понятием живой мембраны. Изменения, приводящие к потере мембранной селективности, также изменяют проницаемость.
В жидкостях, где расстояние между молекулами много меньше, чем в газах, вязкость обусловлена в первую очередь межмолекулярным взаимодействием, ограничивающим подвижность молекул.
Кроме того, вязкость различных растворов зависит от концентрации вещества в растворе. В таблице 2 приведены значения вязкости водных растворов глицерина при различных температурах.
Проницаемость зависит в основном от структуры клеточной мембраны, которая, в свою очередь, отличается от цитоплазмы из-за более высокого содержания липоидов, липопротеинов и других, что является предварительным условием для переноса веществ. Вещества, которые имеют более высокое соотношение масло-вода, проникают быстрее и лучше через мембраны животных. Лучшая растворимость в липидах подразумевает большую проницаемость мембраны.
Это дает предел проницаемости молекулярной массы, равной Метиловому спирту, проходящему через мембрану, и маннит не проходит. В мембранных процессах проницаемость также мешает ряду ферментов, обнаруженных в мембране клетки: аденозинтрифосфатазе, фосфатазе и других. Здесь также находится равновесие Донана, при котором выравнивание разности потенциалов по обеим сторонам мембраны происходит неравномерным распределением электролитов.
Таблица 2 – Вязкость водных растворов глицерина
|
% воды |
η, Па∙с |
ρ, кг / м 3 |
||
Вязкость (внутреннее трение) (англ . viscosity) - одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Механизм внутреннего трения в жидкостях и газах заключается в том, что хаотически движущиеся молекулы переносят импульс из одного слоя в другой, что приводит к выравниванию скоростей - это описывается введением силы трения. Вязкость твёрдых тел обладает рядом специфических особенностей и рассматривается обычно отдельно. Основной закон вязкого течения был установлен И. Ньютоном (1687): В применении к жидкостям различают вязкость:
Проницаемость граничных поверхностей в теле подчинена ряду факторов, которые в сложной взаимосвязи определяют перенос веществ. Температура является важным фактором проницаемости мембраны. Слишком длительные исследования показали, что повышение температуры приводит к повышению проницаемости.
Региональные исследования по поглощению свиной глюкозы у свиней по отношению к температуре показали следующие результаты; при 11 градусах Цельсия - 168 миллиграммов, при 22 градусах Цельсия - 203 миллиграмма, при 42 градусах Цельсия - 245 миллиграммах.
- Динамическая (абсолютная) вязкость µ – сила, действующая на единичную площадь плоской поверхности, которая перемещается с единичной скоростью относительно другой плоской поверхности, находящейся от первой на единичном расстоянии. В системе СИ динамическая вязкость выражается в Па×с (паскаль-секунда), внесистемная единица П (пуаз).
- Кинематическая вязкость ν – отношение динамической вязкости µ к плотности жидкости ρ .
- ν , м 2 /с – кинематическая вязкость;
- μ , Па×с – динамическая вязкость;
- ρ , кг/м 3 – плотность жидкости.
Сила вязкого трения
Это явление возникновения касательных сил, препятствующих перемещению частей жидкости или газа друг по отношению к другу. Смазка между двумя твердыми телами заменяет сухое трение скольжения трением скольжения слоев жидкости или газа по отношению друг к другу. Скорость частиц среды плавно меняется от скорости одного тела до скорости другого тела.
Реакция среды также является важным фактором. Джейкобс считает, что подкисление организма вызывает задержку гемолиза эритроцитов гемолизирующими агентами, такими как глицерин. Наши исследования показали, что сильное сокращение щелочных запасов также снижает проницаемость футеровки пищеварительной системы птицы до белкового гидролизата.
Сильная подщелачивание приводит к тем же результатам - пониженной проницаемости. Важным фактором проницаемости клеточной мембраны является состояние нервной системы. Подавление нервной системы препаратами - эфиром, хлороформом, хлоральгидратом, производными вареников - приводит к снижению клеточного метаболизма и, следовательно, к уменьшению резорбции.
Сила вязкого трения пропорциональна скорости относительного движения V тел, пропорциональна площади S и обратно пропорциональна расстоянию между плоскостями h .
F=-V S / h ,Коэффициент пропорциональности, зависящий от сорта жидкости или газа, называют коэффициентом динамической вязкости . Самое важное в характере сил вязкого трения то, что при наличии любой сколь угодно малой силы тела придут в движение, то есть не существует трения покоя . Качественно существенное отличие сил вязкого трения от сухого трения
Наши исследования и исследования Уилбранда и Лазста показали, что это не относится к уретану, что не приводит к глубокому влиянию на клеточный метаболизм и не снижает проницаемость. Наши исследования блокировки ганглия показали, что нормальная проницаемость слизистой оболочки кишечника снижается в 3 с половиной раза за счет поглощения гликолиза.
Возраст также играет важную роль в проницаемости мембран животных. Первоначально молодой возраст связан с большей проницаемостью. Эта большая проницаемость имеет большое значение для поглощения питательных веществ из организма. Это важно в отношении питания организма кальцием, концентрации которого должны быть такими, чтобы поддерживать селективность мембран. Двуокись углерода, которая непрерывно образуется в организме в результате метаболизма, является чрезвычайно важным фактором проницаемости.
Если движущееся тело полностью погружено в вязкую среду и расстояния от тела до границ среды много больше размеров самого тела, то в этом случае говорят о трении или сопротивлении среды . При этом участки среды (жидкости или газа), непосредственно прилегающие к движущемуся телу, движутся с такой же скоростью, как и само тело, а по мере удаления от тела скорость соответствующих участков среды уменьшается, обращаясь в нуль на бесконечности.
Клеточные мембраны непроницаемы для макромолекул и, прежде всего, к белкам. Через них проходят только ферменты. Могут протекать только молекулы молекул небольшой молекулы через клеточные мембраны. Таким образом, белки, которые имеют молекулу диаметром 4-5 мк, могут проходить через стенки капилляра в клубочек.
При дефиците кислорода проницаемость капилляров в клубочках увеличивается, что также происходит в ядах, которые влияют на дыхание ткани. В аллергических условиях также наблюдается тенденция к повышению проницаемости слизистой оболочки кишечника к белку альбумина. Большие молекулы, которые образуются, когда жирные кислоты связываются с солями желчных кислот, когда они диспергированы в воде, проходят через стенки кишечника. Аналогично, холестерин проходит.
Сила сопротивления среды зависит от:
- ее вязкости
- от формы тела
- от скорости движения тела относительно среды.
Например, при медленном движении шарика в вязкой жидкости силу трения можно найти, используя формулу Стокса:
F=-6 R V,Качественно существенное отличие сил вязкого трения от сухого трения , кроме прочего, то, что тело при наличии только вязкого трения и сколь угодно малой внешней силы обязательно придет в движение, то есть для вязкого трения не существует трения покоя, и наоборот - под действием только вязкого трения тело, вначале двигавшееся, никогда (в рамках макроскопического приближения, пренебрегающего броуновским движением) полностью не остановится, хотя движение и будет бесконечно замедляться.
Вязкость газов
Вязкость газов (явление внутреннего трения) - это появление сил трения между слоями газа , движущимися друг относительно друга параллельно и с разными по величине скоростями. Вязкость газов увеличивается с ростом температуры
Взаимодействие двух слоев газа рассматривается как процесс, в ходе которого от одного слоя к другому передается импульс. Сила трения на единицу площади между двумя слоями газа, равная импульсу, передаваемому за секунду от слоя к слою через единицу площади, определяется законом Ньютона:
τ=-η dν / dz
где:
dν / dz
- градиент скорости в направлении перпендикулярном направлению движения слоев газа.
Знак минус указывает, что импульс переносится в направлении убывания скорости.
η
- динамическая вязкость.
η= 1 / 3 ρ(ν) λ, где:
ρ
- плотность газа,
(ν)
- средняя арифметическая скорость молекул
λ
- средняя длина свободного пробега молекул.
Вязкость некоторых газов (при 0°C)
Вязкость жидкости
Вязкость жидкости
- это свойство, проявляющееся только при движении жидкости, и не влияющее на покоящиеся жидкости. Вязкое трение в жидкостях подчиняется закону трения, принципиально отличному от закона трения твёрдых тел, т.к. зависит от площади трения и скорости движения жидкости.
Вязкость
– свойство жидкости оказывать сопротивление относительному сдвигу ее слоев. Вязкость проявляется в том, что при относительном перемещении слоев жидкости на поверхностях их соприкосновения возникают силы сопротивления сдвигу, называемые силами внутреннего трения, или силами вязкости. Если рассмотреть то, как распределяются скорости различных слоёв жидкости по сечению потока, то можно легко заметить, что чем дальше от стенок потока, тем скорость движения частиц больше. У стенок потока скорость движения жидкости равна нулю. Иллюстрацией этого является рисунок, так называемой, струйной модели потока.где:
- μ - коэффициент вязкого трения;
- S – площадь трения;
- du/dy - градиент скорости
Величина μ в этом выражении является динамическим коэффициентом вязкости , равным:
μ= F / S 1 / du / dy , μ=τ 1 / du / dy ,- τ – касательное напряжение в жидкости (зависит от рода жидкости).
Физический смысл коэффициента вязкого трения - число, равное силе трения, развивающейся на единичной поверхности при единичном градиенте скорости.
На практике чаще используется кинематический коэффициент вязкости , названный так потому, что в его размерности отсутствует обозначение силы. Этот коэффициент представляет собой отношение динамического коэффициента вязкости жидкости к её плотности:
ν= μ / ρ ,Единицы измерения коэффициента вязкого трения:
- Н·с/м 2 ;
- кГс·с/м 2
- Пз (Пуазейль) 1(Пз)=0,1(Н·с/м 2).
Анализ свойства вязкости жидкости
Для капельных жидкостей вязкость зависит от температуры t и давления Р , однако последняя зависимость проявляется только при больших изменениях давления, порядка нескольких десятков МПа.
Зависимость коэффициента динамической вязкости от температуры выражается формулой вида:
μ t =μ 0 e -k t (T-T 0) ,- μ t - коэффициент динамической вязкости при заданной температуре;
- μ 0 - коэффициент динамической вязкости при известной температуре;
- Т - заданная температура;
- Т 0 - температура, при которой измерено значение μ 0 ;
- e
Зависимость относительного коэффициента динамической вязкости от давления описывается формулой:
μ р =μ 0 e -k р (Р-Р 0) ,- μ Р - коэффициент динамической вязкости при заданном давлении,
- μ 0 - коэффициент динамической вязкости при известном давлении (чаще всего при нормальных условиях),
- Р - заданное давление,;
- Р 0 - давление, при которой измерено значение μ 0 ;
- e – основание натурального логарифма равное 2,718282.
Влияние давления на вязкость жидкости проявляется только при высоких давлениях.
Ньютоновские и неньютоновские жидкости
Ньютоновскими называют жидкости, для которых вязкость не зависит от скорости деформации. В уравнении Навье - Стокса для ньютоновской жидкости имеет место аналогичный вышеприведённому закон вязкости (по сути, обобщение закона Ньютона, или закон Навье):
σ ij =η (dv i / dx i + dv j / dx i) ,где σ ij - тензор вязких напряжений.
Среди неньютоновских жидкостей , по зависимости вязкости от скорости деформации различают псевдопластики и дилатантные жидкости. Моделью с ненулевым напряжением сдвига (действие вязкости подобно сухому трению) является модель Бингама. Если вязкость меняется с течением времени, жидкость называется тиксотропной. Для неньютоновских жидкостей методика измерения вязкости получает первостепенное значение.
С повышением температуры вязкость многих жидкостей падает. Это объясняется тем, что кинетическая энергия каждой молекулы возрастает быстрее, чем потенциальная энергия взаимодействия между ними. Поэтому все смазки всегда стараются охладить, иначе это грозит простой утечкой через узлы.
Загрузка...
