Три состояния вещества: молекулярное строение твердых тел, жидкостей и газов

Жидкость занимает по свойствам и строению промежуточное положение между газами и твердыми кристаллическими веществами. Поэтому обладает свойствами как газообразных, так и твердых веществ. В молекулярно-кинетической теории различные агрегатные состояния вещества связывают с различной степенью упорядоченности молекул. Для твердых тел наблюдается так называемый дальний порядок в расположении частиц, т.е. их упорядоченное расположение, повторяющееся на больших расстояниях. В жидкостях имеет место так называемый ближний порядок в расположении частиц, т.е. их упорядоченное расположение, повторяющееся на расстояниях, сравнимы с межатомными. При температурах, близких к температуре кристаллизации, структура жидкости близка к твердому телу. При высоких температурах, близких к температуре кипения, структура жидкости соответствует газообразному состоянию – практически все молекулы участвуют в хаотическом тепловом движении.

Жидкости, подобно твердым телам, обладают определенным объемом, а подобно газам, принимают форму сосуда, в котором они находятся. Молекулы газа практически не связаны между собой силами межмолекулярного взаимодействия, и в данном случае средняя энергия теплового движения молекул газа гораздо больше средней потенциальной энергии, обусловленной силами притяжения между ними, поэтому молекулы газа разлетаются в разные стороны и газ занимает предоставленный ему объем. В твердых и жидких телах силы притяжения между молекулами уже существенны и удерживают молекулы на определенном расстоянии друг от друга. В этом случае средняя энергия теплового движения молекул меньше средней потенциальной энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия, и ее недостаточно для преодоления сил притяжения между молекулами, поэтому твердые тела и жидкости имеют определенный объем.

Давление в жидкостях с увеличением температуры и уменьшением объема возрастает весьма резко. Объемное расширение жидкостей гораздо меньше, чем паров и газов, так как более значительны силы, связывающие молекулы в жидкости; то же замечание касается теплового расширения.

Теплоемкости жидкостей обычно растут с температурой (хотя и незначительно). Отношение С р /С V практически равно единице.

Теория жидкости до настоящего времени полностью не развита. Разработка ряда проблем в исследовании сложных свойств жидкости принадлежит Я.И. Френкелю (1894–1952). Тепловое движение в жидкости он объяснял тем, что каждая молекула в течение некоторого времени колеблется около определенного положения равновесия, после чего скачком переходит в новое положение, отстоящее от исходного на расстоянии порядка межатомного. Таким образом, молекулы жидкости довольно медленно перемещаются по всей массе жидкости. С повышением температуры жидкости частота колебательного движения резко увеличивается, возрастает подвижность молекул.

На основе модели Френкеля можно объяснить некоторые отличительные особенности свойств жидкости. Так, жидкости даже вблизи критической температуры обладают гораздо большей вязкостью , чем газы, и вязкость с ростом температуры уменьшается (а не растет, как у газов). Объясняется это иным характером процесса передачи импульса: он передается молекулами, совершающими перескок из одного равновесного состояния в другое, а эти перескоки с ростом температуры существенно учащаются. Диффузия в жидкостях происходит только за счет перескоков молекул, и она происходит гораздо медленнее, чем в газах. Теплопроводность жидкостей обусловлена обменом кинетической энергии между частицами, колеблющимися около своих положений равновесия с различными амплитудами; резкие перескоки молекул заметной роли не играют. Механизм теплопроводности похож на механизм ее в газах. Характерной особенностью жидкости является ее способность иметь свободную поверхность (не ограниченную твердыми стенками).

Было предложено несколько теорий молекулярного строения жидкостей.

1. Зонная модель. В данный момент времени жидкость можно рассматривать как состоящую из областей, где молекулы расположены в правильном порядке, образуя своего рода микрокристалл (зона). Эти области как бы разделены веществом, находящимся в газообразном состоянии. С течением времени эти области образуются в других местах и т.д.

2. Теория квазикристаллического строения. Рассмотрим кристалл, находящийся при абсолютном нуле температуры (см. рис.9.9.)

Выделим в нем произвольное направление и построим график зависимости вероятности Р нахождения молекулы газа на некотором расстоянии от другой молекулы, помещенной в начале координат (рис. 9.9. а ), при этом молекулы находятся в узлах кристаллической решетки. При более высокой температуре (рис.9.9, б ) молекулы колеблются вокруг неподвижных положений равновесия, вблизи которых и проводят большую часть времени. Строгая периодичность повторения максимумов вероятности в идеальном кристалле распространяется сколь угодно далеко от выбранной частицы; поэтому принято говорить, что в твердом теле существует «дальний порядок».

В случае жидкости (рис.9.9, в ) вблизи каждой молекулы ее соседки расположены более или менее закономерно, но вдали этот порядок нарушается (ближний порядок). На графике расстояния измерены в долях радиуса молекулы (r/r 0).

3. Термодинамическая модель. В этой теории вводят величину - радиальная функция распределения - представляющая собой вероятность обнаружить некоторую пару атомов на расстоянии от R до R+dR

где можно рассматривать как некоторую «локальную концентрацию молекул на расстоянии r от «избранной»: следовательно, радиальная функция распределения f(R) равна отношению концентраций: «локальной» жидкости.

Каковы особенности молекулярного строения газов, жидкостей и твёрдых тел? СРОЧНО!!!

Ответы:

Притяжение между молекулами одного и того же вещества разное, например вода имеет три агрегатных состояния жидкое, твёрдое и газообразное. Молекулы жидкости не расходятся на большие расстояния, и жидкость в обычных условиях сохраняет свой объем, но не сохраняет форму. Молекулы жидкости расположены близко друг к другу. Расстояния между каждыми двумя молекулами меньше размеров молекул, поэтому притяжение между ними становится значительным. В твердых телах притяжение между молекулами (атомами) еще больше, чем у жидкостей. Поэтому в обычных условиях твердые тела сохраняют свою форму и объем. В твердых телах молекулы (атомы) расположены в определенном порядке. Это лед, соль, металлы и др. Такие тела называются кристаллами. Молекулы или атомы твердых тел колеблются около определенной точки и не могут далеко переместиться от нее. Твердое тело, поэтому сохраняет не только объем, но и форму. В газах расстояние между молекулами намного больше размеров самих молекул. Поскольку в среднем расстояния между молекулами в десятки раз больше размера молекул, то они слабо притягиваются друг к другу. Газы не имеют собственной формы и постоянного объема.

Обычные жидкости изотропны, структурно они являются аморфными телами. Для внутреннего строения жидкостей характерен ближний порядок в расположении молекул (упорядоченное расположение ближайших частиц). Расстояния между молекулами невелики, силы взаимодействия значительны, что приводит к 1 малой сжимаемости жидкостей: небольшое уменьшение расстоя­ния между молекулами вызывает появление больших сил межмолекулярного отталкивания.

Подобно твердым телам, жидкости мало сжимаемы и обладают большой плотностью, подобно газам, принимают форму сосуда, в котором находятся. Такой характер свойств жидкостей связан с особенностями теплового движения их молекул. В газах молекулы движутся беспорядочно, на малых отрезках пути - поступательно, в расположении частиц отсутствует какой-либо порядок. В кристаллических телах частицы колеблются около определенных положений равновесия - узлов кристаллической решетки. По теории Я. И. Френкеля молекулы жидкости, подобно частицам твердого тела, колеблются …
около положений равновесия, однако эти положения равновесия не являются постоянными. По истечении некоторого времени, называемого временем «оседлой жизни», молекула скачком переходит в новое положение равновесия на расстояние, равное среднему расстоянию между соседними молекулами.

Вычислим среднее расстояние между молекулами жидкости. Можно мысленно представить весь объем жидкости разделенным на небольшие одинаковые кубики с ребром 8. Пусть в среднем в каждом кубике находится одна молекула. В этом случае 5 можно рассматривать как среднее расстояние между молекулами жидкости. Объем жидкости равен V = δ 3 N, где N - общее количество молекул жидкости. Если n - концентрация молекул (количество молекул в 1 м 3), то N = nV. Из этих уравнений получаем

Для того чтобы молекула жидкости перескочила из одного по­ложения равновесия в другое, должны нарушиться связи с окру­жавшими ее молекулами и образоваться связи с новыми соседя­ми. Процесс разрыва связей требует затраты энергии Е а (энергии активации), выделяемой при образовании новых связей. Такой переход молекулы из одного положения равновесия в другое яв­ляется переходом через потенциальный барьер высотой Е а. Энергию для преодоления потенциального барьера молекула по­лучает за счет энергии теплового движения соседних молекул. За­висимость времени релаксации от температуры жидкости и энер­гии активации выражается формулой, вытекающей из распреде­ления Больцмана (см. § 2.4).

Где τ 0 - средний период колебаний молекулы около положения равновесия.

Зная среднее перемещение молекулы, равное расстоянию меж­ду молекулами δ, и среднее время τ, можно определить среднюю скорость движения молекул в жидкости:

Эта скорость мала по сравнению со средней скоростью движе­ния молекул в газе. Так, например, для молекул воды она в 20 раз меньше, чем для молекул пара при той же температуре.

Вся неживая материя состоит из частиц, поведение которых может отличаться. Строение газообразных, жидких и твердых тел имеет свои особенности. Частицы в твердых телах удерживаются вместе, так как расположены очень тесно друг к другу, это делает их очень прочными. Кроме того, они могут держать определенную форму, так как их мельчайшие частицы практически не двигаются, а только вибрируют. Молекулы в жидкостях находятся довольно близко друг к другу, однако они могут свободно передвигаться, поэтому собственной формы они не имеют. Частицы в газах движутся очень быстро, вокруг них, как правило, много пространства, что предполагает их легкое сжатие.

Свойства и строение твердых тел

Какова структура и особенности строения твердых тел? Они состоят из частиц, которые расположены очень близко друг к другу. Они не могут перемещаться, и поэтому их форма остается фиксированной. Каковы свойства твердого тела? Оно не сжимается, но если его нагреть, то его объем будет увеличиваться с ростом температуры. Это происходит потому, что частицы начинают вибрировать и двигаться, что приводит к уменьшению плотности.

Одной из особенностей твердых тел является то, что они имеют неизменную форму. Когда твердое тело нагревается, движения частиц увеличивается. Быстрее движущиеся частицы сталкиваются более яростно, заставляя каждую частицу толкать своих соседей. Следовательно, повышение температуры обычно приводит к повышению прочности тела.

Кристаллическое строение твердых тел

Межмолекулярные силы взаимодействия между соседними молекулами твердого тела достаточно сильны, чтобы держать их в фиксированном положении. Если эти мельчайшие частицы находятся в высокоупорядоченной комплектации, то такие структуры принято называть кристаллическими. Вопросами внутренней упорядоченности частиц (атомов, ионов, молекул) элемента или соединения занимается специальная наука - кристаллография.

Твердого тела также вызывает особый интерес. Изучая поведение частиц, того, как они устроены, химики могут объяснить и предсказать, как определенные виды материалов будут себя вести при определенных условиях. Мельчайшие частицы твердого тела расположены в виде решетки. Это так называемое регулярное расположение частиц, где немаловажное значение играют различные химические связи между ними.

Зонная теория строения твердого тела рассматривает как совокупность атомов, каждый их которых, в свою очередь, состоит из ядра и электронов. В кристаллическом строении ядра атомов находятся в узелках кристаллической решетки, для которой характерна определенная пространственная периодичность.

Что такое структура жидкости?

Строение твердых тел и жидкостей схоже тем, что частицы, из которых они состоят, находятся на близком расстоянии. Различие состоит в том, что молекулы свободно перемещаются, так как сила притяжения между ними гораздо слабее, нежели в твердом теле.

Какими же свойствами обладает жидкость? Во-первых, это текучесть, во-вторых, жидкость будет принимать форму контейнера, в который ее помещают. Если ее нагреть, объем будет увеличиваться. Из-за близкого расположения частиц друг к другу жидкость не может быть сжата.

Какова структура и строение газообразных тел?

Частицы газа располагаются случайным образом, они находятся так далеко друг от друга, что между ними не может возникнуть сила притяжения. Какими свойствами обладает газ и каково строение газообразных тел? Как правило, газ равномерно заполняет все пространство, в которое он был помещен. Он легко сжимается. Скорость частиц газообразного тела увеличивается вместе с ростом температуры. При этом происходит также повышение давления.

Строение газообразных, жидких и твердых тел характеризуется разными расстояниями между мельчайшими частицами этих веществ. Частицы газа находятся гораздо дальше друг от друга, чем в твердом или жидком состоянии. В воздухе, например, среднее расстояние между частицами примерно в десять раз превышает диаметр каждой частицы. Таким образом, объем молекул занимает всего около 0,1 % от общего объема. Остальные 99,9 % составляет пустое пространство. В противоположность этому частицы жидкости заполняют около 70 % общего объема жидкости.

Каждая частица газа движется свободно по прямолинейному пути, пока она не столкнется с другой частицей (газа, жидкости или твердого тела). Частицы обычно движутся достаточно быстро, а после того как две из них сталкиваются, они отскакивают друг от друга и продолжают свой путь в одиночку. Эти столкновения меняют направление и скорость. Эти свойства газовых частиц позволяют газам расширяться, чтобы заполнить любую форму или объем.

Изменение состояния

Строение газообразных, жидких и твердых тел может меняться, если на них оказывается определенное внешнее воздействие. Они могут даже переходить в состояния друг друга при определенных условиях, например в процессе нагревания или охлаждения.

• Испарение. Строение и свойства жидких тел позволяют им при определенных условиях переходить в совершенно другое физическое состояние. Например, случайно пролив бензин при заправке автомобиля, можно довольно быстро почувствовать его резкий запах. Как это происходит? Частицы двигаются по всей жидкости, в итоге определенная их часть достигает поверхности. Их направленное движение может вынести эти молекулы за пределы поверхности в пространство над жидкостью, но притяжение будет затягивать их обратно. С другой стороны, если частица движется очень быстро, она может оторваться от других на приличное расстояние. Таким образом, при увеличении скорости частиц, которое случается обычно при нагревании, происходит процесс испарения, то есть преобразования жидкости в газ.

Поведение тел в разных физических состояниях

Строение газов, жидкостей, твердых тел главным образом обусловлено тем, что все эти вещества состоят из атомов, молекул или ионов, однако поведение этих частиц может быть совершенно разным. Частицы газа хаотичным образом удалены друг от друга, молекулы жидкости находятся близко друг к другу, но они не так жестко структурированы, как в твердом теле. Частицы газа вибрируют и передвигаются на высоких скоростях. Атомы и молекулы жидкости вибрируют, перемещаются и скользят мимо друг друга. Частицы твердого тела также могут вибрировать, но движение как таковое для них не свойственно.

Особенности внутренней структуры

Для того чтобы понять поведение материи, нужно сначала изучить особенности ее внутренней структуры. Каковы внутренние различия между гранитом, оливковым маслом и гелием в воздушном шарике? Простая модель структуры материи поможет найти ответ на этот вопрос.

Модель является упрощенным вариантом реального предмета или вещества. Например, до того как начинается непосредственное строительство, архитекторы сначала конструируют модель строительного проекта. Такая упрощенная модель не обязательно предполагает точное описание, но в то же время она может дать приблизительное представление того, что будет собой представлять та или иная структура.

Упрощенные модели

В науке, однако, моделями не всегда выступают физические тела. За последнее столетие наблюдался значительный рост человеческого понимания о физическом мире. Однако большая часть накопленных знаний и опыта основана на чрезвычайно сложных представлениях, например в виде математических, химических и физических формул.

Для того чтобы разобраться во всем этом, нужно быть достаточно хорошо подкованным в этих точных и сложнейших науках. Ученые разработали упрощенные модели для визуализации, объяснения и предсказания физических явлений. Все это значительным образом упрощает понимание того, почему некоторые тела имеют постоянную форму и объем при определенной температуре, а другие могут их менять и так далее.

Вся материя состоит из мельчайших частиц. Эти частицы находятся в постоянном движении. Объем движения связан с температурой. Повышенная температура свидетельствует об увеличении скорости движения. Строение газообразных, жидких и твердых тел отличается свободой передвижения их частиц, а также тем, насколько сильно частицы притягиваются друг к другу. Физические зависят от его физического состояния. Водяной пар, жидкая вода и лед имеют одинаковые химические свойства, но их физические свойства значительно отличаются.

К жидкостям относят вещества, которые по своим свойствам занимают промежуточное положение между газами и твердыми телами. Жидкие среды составляют наибольшую часть организма, их перемещение обеспечивает обмен веществ и снабжение клеток кислородом, поэтому механические свойства и течение жидкостей представляют особый интерес для медиков и биологов.

Материал, изложенный в главе, имеет отношение к гидродинамике - разделу физики, в котором изучают вопросы движения несжимаемых жидкостей и взаимодействие их при этом с окружающими твердыми телами, и к реологии - учению о деформациях и текучести вещества.

НЬЮТОНОВСКИЕ И НЕНЬЮТОНОВСКИЕ ЖИДКОСТИ

При течении реальной жидкости отдельные слои ее воздействуют друг на друга с силами, касательными к слоям. Это явление называют внутренним трением или вязкостью.

Рассмотрим течение вязкой жидкости между двумя твердыми пластинками (рис. 9.1), из которых нижняя неподвижна, а верхняя движется со скоростью υ Β . Условно представим жидкость в виде нескольких слоев 1, 2, 3 и т.д. Слой, «прилипший» ко дну, неподвижен. По мере удаления от дна (нижняя пластинка) слои жидкости имеют все большие скорости (υ 1 < υ 2 < υ 3 <... и т.д), максимальная скорость υ Β будет у слоя, который «прилип» к верхней пластинке.

9.1. ВЯЗКОСТЬ ЖИДКОСТИ.

УРАВНЕНИЕ НЬЮТОНА.

Слои воздействуют друг на друга. Так, например, третий слой стремится ускорить движение второго, но сам испытывает торможение с его стороны, а ускоряется четвертым слоем и т.д. Сила внутреннего трения пропорциональна площади S взаимодействующих слоев и тем больше, чем больше их относительная скорость.

Это уравнение Ньютона. Здесь η - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом внутреннего трения или динамической с вязкостью (или просто вязкостью). Вязкость зависит от состояния и молекулярных свойств жидкости (или газа).

Единицей вязкости является паскаль-секунда (Пах). В системе СГС вязкость выражают в пуазах (П): 1 Пах = 10 П.

Для многих жидкостей вязкость не зависит от градиента скорости, такие жидкости подчиняются уравнению Ньютона (9.1) и их называют ньютоновскими. Жидкости, не подчиняющиеся уравнению (9.1), относят к неньютоновским. Иногда вязкость ньютоновских жидкостей называют нормальной, а неньютоновской - аномальной.

Жидкости, состоящие из сложных и крупных молекул, например растворы полимеров, и образующие благодаря сцеплению молекул или частиц пространственные структуры, являются неньютоновскими. Их вязкость при прочих равных условиях много больше, чем у простых жидкостей.

Увеличение вязкости происходит потому, что при течении этих жидкостей работа внешней силы затрачивается не только на преодоление истинной, ньютоновской, вязкости, но и на разрушение структуры. Кровь является неньютоновской жидкостью.

9.2. ТЕЧЕНИЕ ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ ПО ТРУБАМ. ФОРМУЛА ПУАЗЕЙЛЯ

Течение вязкой жидкости по трубам представляет для медицины особый интерес, так как кровеносная система состоит в основном из цилиндрических сосудов разного диаметра.

Вследствие симметрии ясно, что в трубе частицы текущей жидкости, равноудаленные от оси, имеют одинаковую скорость. Наибольшей скоростью обладают частицы, движущиеся вдоль оси трубы; самый близкий к трубе слой жидкости неподвижен.

9.3. ДВИЖЕНИЕ ТЕЛ В ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ. ЗАКОН СТОКСА

Вязкость проявляется при движении не только жидкости по сосудам, но и тел в жидкости. При небольших скоростях в соответствии с уравнением Ньютона сила сопротивления движущемуся телу пропорциональна вязкости жидкости, скорости движения тела и зависит от размеров тела. Так как невозможно указать общую формулу для силы сопротивления, ограничимся рассмотрением частного случая.

Наиболее простой формой тела является сфера. Для сферического тела (шарик) зависимость силы сопротивления при его движении в сосуде с жидкостью от перечисленных выше факторов выражается законом Стокса:

Формула (9.15) справедлива для движения шарика не только в жидкости, но и в газе. Она может быть использована, в частности, для вычисления времени выпадения пыли в воздухе. Поясним это следующим примером. Для воздуха - среды, в которой взвешены различные частицы пыли, - вязкость η = 0,000175 П ? с. Около 80% пыли, обнаруженной в легких умерших людей, составляют частицы размером от 5 до 0,2 мкм. Если считать пылинки шарообразными, а плотность пыли равной плотности земли (р = 2,5 г/см 3), то, вычисляя скорость падения этих пылинок по формуле (9.15), найдем, что ее значения находятся в пределах 0,2-0,0003 см/с. Для полного выпадения такой пыли в комнате высотой 3 м потребуется около 12 суток при условии полной неподвижности воздуха и отсутствия броуновского движения.

9.4. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ.

КЛИНИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ВЯЗКОСТИ КРОВИ

Совокупность методов измерения вязкости называют вискозиметрией, а приборы, используемые для таких целей, - вискозиметрами. Рассмотрим наиболее распространенные методы вискозиметрии.

Капиллярный метод основан на формуле Пуазейля и заключается в измерении времени протекания через капилляр жидкости известной

массы под действием силы тяжести при определенном перепаде давлений. Капиллярные вискозиметры различной формы показаны на рис. 9.7, а, б (1 - измерительные резервуары; М 1 и М 2 - метки, обозначающие границы этих резервуаров; 2 - капилляры; 3 - приемные сосуды).

Капиллярный вискозиметр применяется для определения вязкости крови.

Капиллярными вискозиметрами измеряют вязкость от значений 10 -5 Па? с, свойственных газам, до значений 10 4 Па? с, характерных для консистентных смазок.

Метод падающего шарика используется в вискозиметрах, основанных на законе Стокса. Из формулы (9.15) находим

Таким образом, зная величины, входящие в правую часть этой формулы, и измеряя скорость равномерного падения шарика, можно найти вязкость данной жидкости.

Предел измерений вискозиметров с движущимся шариком составляет 6 ? 10 4 - 250 Па? с.

Применяются также ротационные вискозиметры, в которых жидкость находится в зазоре между двумя соосными телами, например цилиндрами. Один из цилиндров (ротор) вращается, а другой неподвижен. Вязкость измеряется по угловой скорости ротора, создающего определенный момент силы на неподвижном цилиндре, или по моменту силы,

действующему на неподвижный цилиндр, при заданной угловой скорости вращения ротора.

С помощью ротационных вискозиметров определяют вязкость жидкостей в интервале 1-10 5 Пах, т.е. смазочных масел, расплавленных силикатов и металлов, высоковязких лаков и клеев, глинистых растворов и т.п.

В ротационных вискозиметрах можно менять градиент скорости, задавая разные угловые скорости вращения ротора. Это позволяет измерять вязкость при разных градиентах и установить зависимость η = /(άυ/άχ), которая характерна для неньютоновских жидкостей.

В настоящее время в клинике для определения вязкости крови используют вискозиметр Тесса с двумя капиллярами. Схема его устройства дана на рис. 9.7, в. Два одинаковых капилляра а 1 Ь 1 и а 2 Ь 2 соединены с двумя трубочками 1 и 2. Посредством резиновой груши или втягивая воздух ртом через наконечник 3, поочередно благодаря тройнику с краном 4 заполняют капилляр а 1 Ь 1 и трубочку 1 до отметки 0 дистиллированной водой, а капилляр а 2 Ь 2 и трубочку 2 до отметки 0 - исследуемой кровью. После этого теми же способами одновременно перемещают обе жидкости до тех пор, пока кровь не достигнет цифры 1, а вода - другой отметки в своей трубке. Так как условия протекания воды и крови одинаковы, то объемы наполнения трубок 1 и 2 будут различными вследствие того, что вязкости этих жидкостей неодинаковы. Хотя кровь и является неньютоновской жидкостью, используем с некоторым приближением формулу Пуазейля (9.8) и запишем очевидную пропорцию:

где V K - объем крови в трубке 2 от отметки 0 до отметки 1; У в - объем воды в трубке 1 от отметки 0 до отметки, полученной при измерении; η, и соответственно вязкость крови и воды. Отношение вязкости крови и вязкости воды при той же температуре называют относительной вязкостью крови.

В вискозиметре Гесса объем крови всегда одинаков, а объем воды отсчитывают по делениям на трубке 1, поэтому непосредственно получают значение относительной вязкости крови. Для удобства отсчета сече-

ния трубок 1 и 2 делают различными, так, что, несмотря на разные объемы крови и воды, их уровни в трубках будут примерно одинаковы.

Вязкость крови человека в норме 4-5 мПа? с, при патологии колеблется от 1,7-22,9 мПа? с, что сказывается на скорости оседания эритроцитов (СОЭ). Венозная кровь обладает несколько большей вязкостью, чем артериальная. При тяжелой физической работе вязкость крови увеличивается. Некоторые инфекционные заболевания увеличивают вязкость, другие же, например брюшной тиф и туберкулез, - уменьшают.

9.5. ЛАМИНАРНОЕ И ТУРБУЛЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЯ. ЧИСЛО РЕЙНОЛЬДСА

Рассмотренное ранее течение жидкости является слоистым, или ламинарным. Увеличение скорости течения вязкой жидкости вследствие неоднородности давления по поперечному сечению трубы создает завихрение и движение становится вихревым, или турбулентным. При турбулентном течении скорость частиц в каждом месте непрерывно и хаотически изменяется, движение является нестационарным.

Характер течения жидкости по трубе зависит от свойств жидкости, скорости ее течения, размеров трубы и определяется числом Рейнольдса:

Кинематическая вязкость полнее, чем динамическая, учитывает влияние внутреннего трения на характер течения жидкости или газа. Так, вязкость воды приблизительно в 100 раз больше, чем воздуха (при 0°С), но кинематическая вязкость воды в 10 раз меньше, чем воздуха, и поэтому вязкость сильнее влияет на характер течения воздуха, чем воды.

Как видно из (9.17), характер течения жидкости или газа существенно зависит от размеров трубы. В широких трубах даже при сравнительно небольших скоростях может возникнуть турбулентное движение. Так, например, в трубке диаметром 2 мм течение воды становится турбулентным при скорости более 127 см/с, а в трубе диаметром 2 см - уже при скорости примерно 12 см/с (температура 16 °С). Течение крови по такой трубе стало бы турбулентным при скорости 50 см/с, но практически в кровеносных сосудах диаметром 2 см турбулентное течение возникает даже при меньшей скорости.

Течение крови в артериях в норме является ламинарным, небольшая турбулентность возникает вблизи клапанов.

При патологии, когда вязкость бывает меньше нормы, число Рей-нольдса может превышать критическое значение и движение станет турбулентным.

Турбулентное течение связано с дополнительной затратой энергии при движении жидкости, что в случае крови приводит к добавочной работе сердца. Шум, возникающий при турбулентном течении крови, может быть использован для диагностирования заболеваний. Этот шум прослушивают на плечевой артерии при измерении давления крови.

Течение воздуха в носовой полости в норме ламинарное. Однако при воспалении или каких-либо других отклонениях от нормы оно может стать турбулентным, что повлечет дополнительную работу дыхательных мышц.

Число Рейнольдса является критерием подобия. При моделировании гидро- и аэродинамических систем, в частности кровеносной системы, модель должна иметь такое же число Рейнольдса, как и натура, в противном случае не будет соответствия между ними. Это относится и к моделированию обтекания тел при движении их в жидкости или газе.

Из (9.17) видно, что уменьшение размеров модели по сравнению с натурой должно быть скомпенсировано увеличением скорости течения или уменьшением кинематической вязкости модельной жидкости или газа.

9.6. ОСОБЕННОСТИ МОЛЕКУЛЯРНОГО СТРОЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ

Обычные жидкости изотропны, структурно они являются аморфными телами. Для внутреннего строения жидкостей характерен ближайший порядок (упорядоченное относительное расположение ближайших частиц). Расстояния между молекулами невелики, силы взаимодействия значительны, что приводит к малой сжимаемости жидкостей: небольшое уменьшение расстояния между молекулами вызывает появление больших сил межмолекулярного отталкивания. Подобно твердым телам, жидкости мало сжимаемы и обладают большой плотностью; подобно газам, принимают форму сосуда, в котором находятся. Такой характер свойств жидкостей связан с особенностями теплового движения их молекул. В газах молекулы движутся беспорядочно, на малых отрезках пути - поступательно, в расположении частиц отсутствует какой-либо порядок. В кристаллических телах частицы колеблются около определенных положений равновесия - узлов кристаллической решетки. По теории Я.И.Френкеля, молекулы жидкости, подобно частицам твердого тела, колеблются около положений равновесия, однако эти положения равновесия не являются постоянными. По истечении некоторого времени, называемого временем оседлой жизни, молекула скачком переходит в новое положение равновесия на расстояние, равное среднему расстоянию между соседними молекулами.

Среднее время оседлой жизни молекулы называют временем релаксации r. С повышением температуры и понижением давления время релаксации сильно уменьшается, что обусловливает большую подвижность молекул жидкости и малую ее вязкость.

Для того чтобы молекула жидкости перескочила из одного положения равновесия в другое, должны нарушиться связи с окружавшими ее молекулами и образоваться связи с новыми соседями. Процесс разрыва связей требует затраты энергии Е а (энергия активации), выделяемой при образовании новых связей. Такой переход молекулы из одного положения равновесия в другое является переходом через потенциальный барьер

9.7. ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ

На поверхностях раздела жидкости и ее насыщенного пара, двух не-смешиваемых жидкостей, жидкости и твердого тела возникает сила, обусловленная различным межмолекулярным взаимодействием граничащих сред.

Каждая молекула, расположенная внутри объема жидкости, равномерно окружена соседними молекулами и взаимодействует с ними, но равнодействующая этих сил равна нулю. На молекулу, находящуюся вблизи границы двух сред, вследствие неоднородности окружения действует сила, не скомпенсированная другими молекулами жидкости. Поэтому для перемещения молекул из объема в поверхностный слой необходимо совершить работу.

Поверхностное натяжение определяется отношением работы, затраченной на создание некоторой поверхности жидкости при постоянной температуре к площади этой поверхности:

Условием устойчивого равновесия жидкостей является минимум энергии поверхностного слоя, поэтому при отсутствии внешних сил или

в состоянии невесомости жидкость стремится иметь минимальную площадь поверхности при данном объеме и принимает форму шара.

Поверхностное натяжение может быть определено не только энергетически. Стремление поверхностного слоя жидкости сократиться означает наличие в этом слое касательных сил - сил поверхностного натяжения. Если выбрать на поверхности жидкости некоторый отрезок длиной l (рис. 9.8), то можно условно изобразить эти силы стрелками, перпендикулярными отрезку.

Поверхностное натяжение равно отношению силы поверхностного натяжения к длине отрезка, на котором действует эта сила:

Из школьного курса физики известно, что оба определения, (9.21) и (9.22), тождественны. Приведем значения поверхностного натяжения для некоторых жидкостей при температуре 20 °С (табл. 1).

Таблица 1

Поверхностное натяжение зависит от температуры. Вдали от критической температуры значение его убывает линейно при увеличении температуры. Снижения поверхностного натяжения можно достигнуть введением в жидкость поверхностно-активных веществ, уменьшающих энергию поверхностного слоя.

9.8. СМАЧИВАНИЕ И НЕСМАЧИВАНИЕ. КАПИЛЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

На границе соприкосновения различных сред может наблюдаться смачивание или несмачивание.

Рассмотрим поведение капли жидкости на поверхности другой, не смешивающейся с ней, жидкости (рис. 9.9) и капли жидкости на поверхности твердого тела (рис. 9.10 и 9.11). На поверхностях раздела каждых двух сред (1 и 3, 2 и 1, 3 и 2) действуют силы поверхностного натяжения.

Под действием сил поверхностного натяжения поверхностный слой жидкости искривлен и оказывает дополнительное по отношению к внешнему давление Др. Поверхностный слой подобен упругой оболочке, например резиновой пленке. Результирующая сил поверхностного натяжения искривленной поверхности направлена в сторону вогнуто-

ное количество жидкости из паров, что приводит к увлажнению белья, ваты в сырых помещениях, затрудняет сушку гигроскопических тел, способствует удержанию влаги в почве и т.п. Наоборот, несмачивающие жидкости не проникают в пористые тела. С этим связана, например, непроницаемость для воды перьев птиц, смазанных жиром.

Рассмотрим поведение пузырька воздуха, находящегося в капилляре с жидкостью. Если давление жидкости на пузырек с разных сторон одинаково, то оба мениска пузырька будут иметь одинаковый радиус кривизны (рис. 9.14, а). При избыточном давлении с одной из сторон, например при движении жидкости, мениски деформируются, изменятся их радиусы кривизны (рис. 9.14, б), дополнительное давление Ар с разных сторон станет неодинаковым. Это приведет к такому воздействию на жидкость со стороны пузырька воздуха (газа), которое затруднит или прекратит движение жидкости. Такие явления могут происходить в кровеносной системе человека.

Попавшие в кровь пузырьки воздуха могут закупорить мелкий сосуд и лишить кровоснабжения какой-либо орган. Это явление, называемое эмболией, может привести к серьезному функциональному расстройству или даже летальному исходу. Так, воздушная эмболия может возникнуть при ранении крупных вен: проникший в ток крови воздух образует воздушный пузырь, препятствующий прохождению крови. Пузырьки воздуха не должны попадать в вены при внутривенных вливаниях.

Газовые пузырьки в крови могут появиться у водолазов при быстром подъеме с большой глубины на поверхность, у летчиков и космонавтов при разгерметизации кабины или скафандра на большой высоте (газовая эмболия). Это обусловлено переходом газов крови из растворенного состояния в свободное - газообразное в результате понижения окружающего атмосферного давления. Ведущая роль в образовании газовых пузырьков при уменьшении давления принадлежит азоту, так как он обусловливает основную часть общего давления газов в крови и не участвует в газообмене организма и окружающего воздуха.