Материал: Компендиум

жидкость» наблюдаются явления смачивания или несмачивания. Если на границе раздела сред молекулы жидкости лучше притягиваются друг к другу, чем к молекулам соседней среды, то наблюдается несмачивание. Если же на границе раздела сред молекулы притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам соседней среды, то наблюдается смачивание. Количественно смачивание описывается т.н. краевым углом – углом между поверхностью и внутренней частью смачивающей или несмачивающей жидкости (рисунок 17).

θ

θ

Рисунок 17. Краевой угол при смачивании (справа) и несмачивании (слева)

При 90 говорят о смачивании, 90 – о несмачивании, и при 0 – об идеальном смачивании (жидкость растекается по поверхности мономолекулярным слоем).

Под действием сил поверхностного натяжения поверхность жидкости искривляется, возникает дополнительное давление со стороны поверхности на жидкость, – это давление называется давлением Лапласа. Направлено оно к центру кривизны r поверхности и определяется по формуле:

p 2r .

В тонких трубках, погруженных в сосуды, наблюдается подъём (если жидкость смачивает трубку) или опускание уровня жидкости (если жидкость не смачивает трубку) – это происходит оттого, что давление Лапласа уменьшает (при смачивании) или увеличивает (при несмачивании) давление над жидкостью в трубке. Эти явления называются капиллярными. Высота подъёма или опускания уровня жидкости в капилляре определяется по

41

плотность жидкости, R – радиус трубки.

Как видно из данной формулы, капиллярные явления будут проявляться в трубках с достаточно малым внутренним радиусом.

Рассмотрим пузырёк газа в кровеносном сосуде. Если радиусы кривизны передней и задней поверхности пузырька одинаковы, то дополнительные лапласовы давления на эти поверхности также одинаковы, и дополнительное давление, обусловленное поверхностными натяжениями, будет равно нулю, т.е. p2 p1 0. Такой пузырёк будет двигаться далее по

кровеносной системе вместе с кровотоком под действием давления, создаваемого сердцем. Если же радиусы кривизны поверхностей различны, то лапласовы давления не будут скомпенсированы p2 p1 0 , и из-за этого дополнительное

давление, обусловленное поверхностными натяжениями поверхностей пузырька, может быть направлено против движения кровотока (рисунок 18). Если это дополнительное давление будет равно давлению, создаваемому сердцем в данном кровеносном сосуде, то пузырёк прекратит движение и создаст препятствие движению крови – сосуд будет закупорен, – это явление называется газовой эмболией.

Рисунок 18. Механизм развития эмболии

4. Поверхностные явления в альвеолах. Сурфактант

Альвеолы (которые являются основной структурной единицей лёгких) смочены изнутри жидкостью. Если бы это была

42

обычная жидкость (например вода), то при выдохе, сопровождающемся уменьшением радиуса альвеолы, обратно пропорционально бы увеличивалось лапласово давление, направленное к центру альвеолы. Из-за этого и малого радиуса альвеол при выдохе лапласово давление было бы настолько велико, что могло бы превосходить давление, создаваемое дыхательными мышцами для растяжения альвеол для вдоха – дыхание человека было бы сильно затруднено. Поэтому поверхность альвеол смочена поверхностно-активной жидкостью

– лёгочным сурфактантом. Он синтезируется из плазмы крови пневмоцитами второго типа и состоит в основном из фосфолипидов (90%), а также белков и полисахаридов. Коэффициент поверхностного натяжения сурфактанта изменяется в зависимости от радиуса альвеолы (т.е. (r) ),

так, что при уменьшении её радиуса уменьшается и сурфактанта (до 1/12 от воды), а при увеличении радиуса – наоборот (до 1/2 воды). С одной стороны, это препятствует чрезмерному растяжению альвеолы при вдохе, с другой – спаданию альвеолы при выдохе. Синтез сурфактанта может быть нарушен при некоторых заболеваниях, недоношенности плода, ожогах лёгких – в этом случае требуется введение его заменителей.

5. Методы измерения коэффициента поверхностного натяжения

Все методы определения коэффициента поверхностного натяжения делятся на два вида: статические и динамические. При статических методах определяют уже сформированной поверхности, находящейся в равновесном состоянии; при динамических – поверхности, находящейся в неравновесном состоянии (например, при её разрушении или формировании).

Рассмотрим некоторые методы определения .

1. Капиллярный метод. Основан на том, что при смачивании (несмачивании) капилляра исследуемой жидкостью происходит подъём (опускание) жидкости на определённую

43

высоту. определяется из формулы Жюрена:

ghR ,

2 cos

где – краевой угол, – плотность жидкости, R – радиус

трубки, h – высота подъёма (опускания) жидкости.

2. Метод Ребиндера (метод определения максимального давления в пузырьке). В данном методе в исследуемую жидкость вводится капилляр, сообщающийся с атмосферой. Над жидкостью понижают давление, и через капилляр в неё начинает проникать атмосферный воздух, который создаёт пузырёк в исследуемой жидкости. Росту пузырька препятствует поверхностное натяжение жидкости, и в момент отрыва пузырька от капилляра оно будет максимальным и равным разности давлений, стремящейся вытолкнуть пузырёк из капилляра. Эта разность давлений фиксируется, например, с помощью u- образного манометра. Так как в данном методе проблематично определить радиус выдуваемого пузырька, используют эталонную жидкость, которой известен (например дистиллированную воду). Искомый определяется по формуле:

h0 h ,

где 0 – эталонной жидкости, h0 – максимальная разность

уровней в манометре для эталонной жидкости, h – максимальная разность уровней в манометре для исследуемой жидкости.

3. Сталагмометрический метод (метод счёта капель). В

основе данного метода лежит то, что в момент отрыва капли жидкости от вертикальной тонкой трубки сила тяжести капли равна силам поверхностного натяжения, удерживающим каплю на краю капилляра. Коэффициент поверхностного натяжения определяется по формуле:

2mgr ,

где m – масса капли жидкости, r – радиус капилляра.

4. Метод отрыва кольца. В основе данного метода лежит следующая идея: для того, чтобы оторвать от поверхности жидкости кольцо (которое смачивается жидкостью) нужно приложить силу, направленную против силы тяжести кольца и

44

сил поверхностного натяжения. в данном методе определяется по формуле:

– масса кольца, r – внутренний радиус кольца, R – внешний радиус кольца.

45