Determinarea coeficientului de vascozitate a lichidelor biologice

Determinarea coeficientului de vascozitate a lichidelor biologice

I. Notiuni teoretice

Vascozitatea este fenomenul de frecare interna ce apare in sistemele lichide. Fenomenul de vascozitate se manifesta in doua ipostaze: cand o particula se misca in raport cu un lichid stationar - vascozitate statica si cand straturile adiacente de lichid se misca unele in raport cu altele - vascozitate dinamica.

Vascozitatea statica - face obiectul unei alte lucrari practice de tehnici de separare (sedimentarea).

Vascozitatea dinamica - In cazul lichidelor reale care curg se constata ca acest proces are loc in straturi subtiri vecine, moleculele din acelasi strat avand aceeasi viteza, in timp ce moleculele din straturile vecine au viteze diferite.

Intre moleculele straturilor vecine (ca si intre moleculele aceluiasi strat) se exercita forte de atractie, forte ce se opun deplasarii relative a acestor straturi, determinand aparitia unei frecari interne in lichide numita vascozitate.

Daca in timpul curgerii straturile de lichid raman paralele, curgerea este cunoscuta sub numele de curgere laminara. Pentru curgerea laminara, forta de vascozitate este data de legea lui Newton:

unde: h = coeficientul de vascozitate dinamica a lichidului

= gradientul de viteza

S = aria comuna a celor doua straturi

Coeficientul de vascozitate depinde de natura lichidului si de temperatura (scazand cu cresterea temperaturii). Lichidele pentru care este valabila relatia de mai sus se numesc lichide Newtoniene. Marea majoritate a lichidelor de interes medical (lichidul cefalorahidian, plasma sangvina, serul sangvin, urina) sunt lichide Newtoniene.

Vascozitatea dinamica este un fenomen foarte important in circulatia sangelui.

Sa consideram un vas de sange de lungime L si raza R la capetele caruia actioneaza o diferenta, de presiune Dp=p₁-p₂>0 (unde p₁ este proiectia presiunii sistolice pana in acel teritoriu iar p₂ rezistenta periferica). La peretele vasului adera o pelicula fina de lichid ce ramane in repaus. Daca diferenta de presiune nu este foarte mare, atunci curgerea are loc in paturi cilindrice paralele, cu viteze din ce in ce mai mari de la periferie spre axa (figura 9.1).

Figura 9.1. Curgerea unui fluid printr-un tub cilindric de lungime L si raza R; p₁, p₂ sunt presiunile ce actioneaza la capetele tubului (Dp = p₁ - p₂>0)

Se poate determina in acest context fluxul F de sange (volumul ce trece in unitatea de timp) prin sectiunea transversala a vasului:

(1)

Pentru lichidele care curg in conducte se introduce asa numitul numar Reynolds:

Referat: Vitaminele - surse alimentare de vitamine Referat: 41 de sfaturi pentru viata lunga recomandate de doctor

unde: r = raza conductei

r = densitatea fluidului

v = viteza de curgere

h = coeficientul de vascozitate dinamica a lichidului

Pentru sangele din arterele mari exista o valoare critica a numarului Reynolds (R_e^CR) egala cu 1000. In functie de aceasta valoare exista mai multe regimuri de curgere a sangelui :

a)     pentru R_e< 1000, curgerea este laminara

b)     pentru 1000< R_e<2000, curgerea este nestabila

c)      pentru R_e > 2000, curgerea devine turbulenta (cu vartejuri)

In sistemul cardiovascular uman, curgerea turbulenta poate sa apara in aorta, imediat deasupra valvulelor sigmoide, in perioada de expulzie a sangelui (cand viteza sangelui atinge cea mai mare valoare). Aceasta curgere turbulenta este caracterizata prin zgomote caracteristice. Turbulenta (consumatoare de energie) poate sa apara si in alte vase, in stari patologice, cand vascozitatea sangelui este mult mai scazuta (anemie, sau in cazul scaderii CO₂ din sange).

Vascozitatea sangelui

Vascozitatea sangelui, la temperatura de 37^oC, este de aproximativ 4 ori mai mare decat cea a apei, sangele fiind un lichid nenewtonian. Mai mult, sangele nu constituie o faza omogena, ci un sistem dispers heterogen, mai precis, o suspensie de elemente figurate in plasma.

Tot lichidele nenewtoniene sunt si solutiile coloidale si macromoleculare, pentru care coeficientul de vascozitate depinde de concentratia particulelor dispersate, conform legii lui Einstein:

η=η_d(1+KV)

unde:  η_d = coeficientul de vascozitate dinamica al mediului respectiv,

V = volumul fazei dispersate din unitatea de volum a suspensiei,

K = constanta ce depinde marimea si natura particulelor

dispersate (pentru proteine globulare K=4-10)

II. Parte experimentala

Determinarea coeficientului de vascozitate a unor lichide

Principiul metodei: Determinarea vascozitatii cu vascozimetrul Ostwald se bazeaza pe masurarea timpului de scurgere a unui volum determinat de lichid printr-un tub capilar etalonat sub actiunea unei diferente de presiune cunoscuta.

Pornind de la relatia (1) si tinand cont ca diferenta de presiune este de tip hidrostatic p₁-p₂=rgh se poate arata ca expresia coeficientului de vascozitate se poate scrie sub forma:

h = K·r·t

unde: K = o constanta ce depinde numai de vascozimetrul utilizat.

Daca un volum V de lichid al carui coeficient de vascozitate h este necunoscut curge in timpul t printr-un tub capilar intre doua repere si daca acelasi volum de apa V avand coeficientul de vascozitate cunoscut h₀ parcurge aceeasi distanta in timpul t_o putem determina vascozitatea relativa a lichidului h_rel

(2)

unde: reprezinta densitatea relativa.

Daca cunoastem insa si h₀ se poate calcula vascozitatea absoluta a lichidului h

Dispozitivul experimental

Pentru determinarea vascozitatii unor lichide se foloseste dispozitivul Ostwald. Acesta este confectionat dintr-un tub de sticla in forma literei 'U' avand o ramura (A) cu un diametru de aproximativ 2cm prevazuta cu un rezervor de 3ml capacitate si respectiv o ramura (B) avand un diametru de aproximativ 0.8cm cu un rezervor de 2ml capacitate situat in partea superioara. Acest rezervor este delimitat de doua tuburi capilare si este prevazut cu doua repere R₁ si R_2.

Ramura (B) continua cu sistemul de aspiratie alcatuit dintr-un tub de cauciuc, un tub de sticla prevazut cu un orificiu lateral si o pompa de cauciuc.

Figura 9.2. Vascozimetrul Ostwald.

Mod de lucru:

Se introduce apa distilata in ramura A. Cu ajutorul sistemului de aspiratie se ridica apa in ramura B undeva deasupra reperului R₁. Se elibereaza pompa iar in momentul cand suprafata lichidului se afla in dreptul reperului R₁ se porneste cronometrul si se masoara intervalul de timp necesar apei sa curga intre R₁ si R₂.

Se inlocuieste lichidul de referinta (apa distilata) cu lichidul de studiu si se repeta procedeul prezentat mai sus. Pentru calcul coeficientului de vascozitate se va folosi relatia (2).

Se vor efectua 15 determinari pentru fiecare lichid in parte iar datele experimentale se vor introduce in tabelul de mai jos.