Determinarea vascozitatii lichidelor si lichidelor biologice

Determinarea vascozitatii lichidelor si lichidelor biologice

1 Notiuni teoretice

Lichidele si gazele reale sunt fluide la care se manifesta fenomenul de vascozitate.      El consta in transportul unui impuls in cuprinsul lichidului de la straturile cu viteza mai mare la cele cu viteza mai mica si invers. Atunci cand moleculele din stratul cu viteza mai mare patrund in stratul cu viteza mai mica transmit acestuia un anumit impuls, determinand o accelerare a stratului mai lent. Dimpotriva, cand moleculele din stratul cu viteza mai mica ajung in stratul cu viteza mai mare, atunci ele primesc un anumit impuls determinand o franare a stratului mai rapid.

Astfel, in interiorul lichidului se manifesta forte de frecare interna in timpul curgerii. Aceste forte, numite si forte de vascozitate, se manifesta tangential la suprafata de contact a straturile de lichid ce se deplaseaza cu viteze diferite unele fata de altele.

Fortele de vascozitate, datorate schimbului de molecule dintre straturi, apar ca forte de frecare interna orientate pe directia de curgere, dar care se opun curgerii.

Daca directiile de curgere ale diferitelor straturi de lichid sunt paralele curgerea se numeste laminara, iar forta de vascozitate ce ia nastere in acest caz intre doua straturi este data de legea lui Newton:

(7.17)

in care η este coeficientul de vascozitate dinamica (absoluta) sau coeficientul de frecare interna a lichidului, S este suprafata de contact a straturilor in curgere, iar Δv / Δx este gradientul de viteza, adica variatia vitezei (Δv, considerata perpendicular pe directia ei) pe unitatea de distanta (Δx - distanta dintre straturi).

Aprecierea vascozitatii lichidelor se poate face prin intermediul unor parametri, cum sunt coeficientii de vascozitate.

Daca in relatia (7.17) se considera S = 1 m si Δv / Δx = [1 m / s] / m se obtine: F = η. Rezulta ca, coeficientul de vascozitate dinamica (η) este numeric egal cu forta de frecare interna exercitata pe unitatea de suprafata, intre doua straturi paralele si vecine ale unui lichid omogen, situate la o distanta egala cu unitatea si prezentand o diferenta de viteza egala cu unitatea.

Unitatea de masura in SI pentru vascozitatea dinamica este: < η >_SI = Ns / m , iar in CGS este poise-ul (P), 1 P = 0,1 Ns / m (1 Ns / m dyns / 10 cm = 10 dyns / cm = 10 P).

In practica, adesea, se folosesc submultipli poise-ului: centipoise-ul (cP) si milipoise-ul (mP), 1 cP = 10 P, 1 mP = 10 P.

Coeficientul de vascozitate cinematica (ν) se defineste prin raportul dintre vascozitatea dinamica a unui lichid omogen (η) si densitatea (ρ) lichidului respectiv, la aceeasi temperatura, adica:

(7.18)

Vascozitatea cinematica se masoara in SI in m / s, iar in CGS in cm / s, unitate care se mai numeste si stokes (St), 1 m / s = 10 St. Stokes-ul este vascozitatea cinematica a unui lichid a carui densitate este de 1 g / cm

Analog, in practica se foloseste centistokes-ul (cSt) sau milistokes-ul (mSt), 1 cSt = 10 St, 1 mSt = 10 St.

De obicei, nu se determina experimental coeficientul de vascozitate dinamica sau cinematica, ci vascozitatea relativa.

Coeficientul de vascozitate relativa _r) se defineste prin raportul dintre vascozitatea dinamica a lichidului de cercetat (η) si vascozitatea dinamica a apei distilate (η'), conform relatiei:

(7.19)

Vascozitatea relativa arata de cate ori un lichid este mai vascos sau mai putin vascos decat apa distilata. Vascozitatea apei distilate (η') se considera la 20 C si are valoarea de 1 cP = 10 Ns / m

Vascozitatea relativa se exprima prin numere abstracte, fiind un parametru adimensional.

Coeficientul de fluiditate (φ) se defineste ca inversul vascozitatii dinamice, adica:

(7.20)

Coeficientul de fluiditate se masoara in Si in m / Ns, iar in sistemul CGS in 1 / P sau cm / dyns.

Pentru un acelasi lichid, coeficientii de vascozitate dinamica, cinematica si coeficientul de fluiditate variaza in functie de temperatura, aceasta fiind marimea cea mai importanta care le determina variatia. Cresterea temperaturii determina o scadere a vascozitatii. De aceea, orice masurare a acestor coeficienti indica valorile lor corespunzatoare temperaturii la care se face determinarea.

In schimb, vascozitatea creste cu marirea presiunii, deoarece determina micsorarea volumului liber. Apa face exceptie de la aceasta lege, vascozitatea ei descrescand o data cu cresterea presiunii.

Dupa modul in care se desfasoara curgerea, lichidele se pot clasifica in mai multe categorii: newtoniene (vascozitatea ramane constanta indiferent de ratele de forfecare dintre straturi) si nenewtoniene, din care fac parte lichidele pseudoplastice (vascozitatea scade odata cu cresterea ratei de forfecare, dar, initial vascozitatea poate fi suficient de mare pentru a impiedica curgerea), dilatante (vascozitatea creste odata cu cresterea ratei de forfecare) si tixotropice (asemenea lichidelor pseudoplastice, vascozitatea scade cu cresterea ratei de forfecare sau de agitare, insa, cand agitatia este oprita sau redusa, are loc un fenomen de histerezis si vascozitatea creste; adesea vascozitatea nu revine la valoarea sa initiala; de exemplu sapunurile, lipiciul, uleiurile vegetale s.a.).

x x x

In clinica si in cercetarile de laborator (dar si intr-o serie de aplicatii industriale) se apeleaza destul de des la determinari de vascozitate ale lichidelor si lichidelor biologice (plasma sanguina, urina etc.).

Cunoasterea vascozitatii solutiilor coloidale este importanta, in special, in cazul substantelor macromoleculare, cum sunt proteinele, deoarece permite, uneori, stabilirea naturii sistemului coloidal precum si a gradului sau de dispersie.

Valorile vascozitatii sangelui variaza in functie de sex, varsta, afectiuni patologice etc., asa cum se poate vedea din tabelul urmator, in care sunt valorile de vascozitate si pentru alte lichide biologice.

Vascozitatea sangelui uman variaza in functie de varsta dupa cum se poate vedea din urmatorul tabel:

Vascozitatea sangelui este mai scazuta la femeie decat la barbat si la copil fata de adult. Sangele arterial prezinta o vascozitate mai mica decat sangele venos.

La animale si om, vascozitatea sangelui influenteaza lucrul mecanic prestat de inima si particularitatile circulatiei sanguine, valorile sale marite sau micsorate manifestandu-se intr-o serie de afectiuni patologice.

Scaderea vascozitatii sangelui apare, in general, in anemii, hidremii, hipoproteinemii, dupa transfuzii cu ser fiziologic sau plasma. Cresterea vascozitatii sangelui se manifesta in poliglobulii, anhidremii, leucemii, insuficiente cardiace etc.

Determinarea vascozitatii lichidelor se poate face cu diferite metode (scurgerea fluidului printr-un tub capilar, caderea unei bile in lichidul de studiat, amortizarea oscilatiilor unui pendul de torsiune in fluidul respectiv) si cu o gama variata de aparate (vascozimetre capilare, vascozimetre rotationale), printre care se mentioneaza: vascozimetrele Ostwald, Ubbelhde, Engler (tub calibrat) - folosit pentru lichide cu vascozitate mai mare, Hppler (cu bila in cadere), Vogel - Ossag, Hess (folosit in clinica pentru determinarea vascozitatii sangelui), Rheotest (pentru lichide nenewtoniene) si altele.

2 Determinarea vascozitatii relative a unui lichid cu vascozimetrul Ostwald.

2.1 Descrierea vascozimetrului Ostwald

Acest dispozitiv (fig.7.7) face parte din categoria celor mai folosite vascozimetre capilare (destinat determinarilor de vascozitate pentru lichidele newtoniene, a masei moleculare).

Ele este alcatuit dintr-un tub de sticla in forma literei U. Pe una dintre ramuri (B) se gaseste un capilar (E), o bula-rezervor (D) marginita de doua repere circulare situate deasupra (a), respectiv dedesubtul acestuia (b) si o para de cauciuc (P) asezata la partea superioara folosita la aspirarea lichidului. Reperele a si b delimiteaza un volum constant de lichid. Cealalta ramura (A) contine un alt rezervor (C) in care se introduce lichidul de masurat.

Deasupra bulei rezervor D se gaseste o gatuitura cu diametrul de 1,5 mm.

Lungimea capilarului este de circa 10 cm, iar capilarele pot avea diametre diferite: 0,4 ; 0,5; 0,7; 1,2; 1,5 mm.

2.2 Principiul metodei

Determinarea vascozitatii cu vascozimetrului Ostwald se bazeaza pe masurarea timpului de scurgere a lichidului de cercetat si a lichidului etalon cuprins intre cele doua repere ale aparatului, la o anumita temperatura mentinuta constanta.

Legea lui Poiseuille, referitoare la curgerea lichidelor prin tuburi capilare, are forma:

(7.21)

in care: V este volumul de lichid care se scurge prin capilar in timpul t, datorita diferentei de presiune p; l si r sunt lungimea si, respectiv, raza capilarului, iar η este coeficientul de viscozitate dinamica a lichidului.

Diferenta de presiune p care provoaca scurgerea lichidului prin capilar este determinata de greutatea lichidului (G). Rezulta:

(7.22)

in care ρ este densitate lichidului, iar g este acceleratia gravitationala.

Formula (7.21) devine:

(7.23)

de unde:

(7.24)

In practica, nu se aplica direct aceasta formula, deoarece este dificila masurarea razei tubului capilar si de aceea se foloseste o metoda comparativa, care este mult mai simpla.

Metoda consta in determinarea vascozitatii relative a lichidului fata de cea a lichidului etalon (apa distilata la temperatura de 20 C). In acest scop, se lasa sa se scurga prin acelasi capilar si la aceeasi temperatura, un acelasi volum atat din lichidul de cercetat, cat si din lichidul etalon. Se obtine pentru vascozitatea relativa formula:

(7.25)

in care ρ si ρ' sunt densitatile celor doua lichide, iar t si t' sunt timpii de scurgere ale aceluiasi volum V din cele doua lichide.

Daca din relatia (7.25) se scoate valoarea timpului de scurgere t, atunci se obtine:

(7.26)

care arata ca durata de scurgere a aceluiasi volum de lichid este cu atat mai mare cu cat lichidul este mai vascos si densitatea lichidului mai mica.

Daca se cunosc valorile η_r si η' (tabelul3.3scanat), se poate determina coeficientul de vascozitate dinamica cu formula:

η = η_r (7.27)

2.3 Modul de lucru cu vascozimetrul Ostwald

Pentru desfasurarea modului de lucru se procedeaza conform celor mentionate in continuare.

- Vascozimetrul se spala, se usuca si se fixeaza in pozitie verticala pe un suport;

- Cu ajutorul unei pipete, se toarna lichidul de cercetat in ramura B, pana cand se umple rezervorul R

- Se aspira lichidul din rezervor cu ajutorul perei de cauciuc, pana cand nivelul lichidului urca in ramura A si depaseste reperul superior a;

- Se lasa lichidul sa se scurga gravitational si se cronometreaza timpul t in care meniscul lichidul parcurge distanta dintre cele doua repere (a si b), la temperatura θ;

- Se spala vascozimetrul cu alcool si multa apa distilata (sau cu amestec oxidant sulfocromic), se usuca si se reumple vascozimetrul cu lichidul etalon, cu ajutorul unei pipete (la umplere se ia, totdeauna, acelasi volum de lichid, si, de aceea, se foloseste o pipeta precis etalonata);

- Se repeta aceleasi operatiuni folosind apa distilata, pentru care se determina timpul de scurgere t' al aceluiasi volum de lichid, intre cele doua repere, la temperatura de lucru;

- Cunoscand valorile densitatilor ρ si ρ' (tabelele3.3 scanat ) si aplicand formula (7.25), se calculeaza vascozitatea relativa a lichidului de cercetat;

- Ce calculeaza coeficientii de vascozitate dinamica, cinematica si de fluiditate cu ajutorul relatiilor (7.27), (7.18) si (7.20).

Se vor face mai multe determinari, iar rezultatele se vor trece in tabelul 7.4. se recomanda ca vascozimetrul sa fie introdus intr-un termostat, iar aspirarea lichidelor sa se faca dupa 10 - 15 min.

Tabelul 7.4 - Determinarea vascozitatii unor lichide cu vascozimetrul Ostwald.

3 Determinarea vascozitatii relative a lichidelor biologice cu vascozimetrul Hess

3.1 Descrierea vascozimetrului Hess

Dispozitivul (fig.7.8) este alcatuit din doua tuburi capilare (C, C'), asezate orizontal, ce pot comunica prin intermediul unui tub (A) de forma literei U, cu diametru mai mare. Prin extremitatile (B, B') ale celor doua capilare se face alimentarea cu apa distilata (la capatul B) si lichidul de masurat - sangele (la capatul B').

Tubul A poate sa prezinte, fie la ambele ramuri, scale gradate cu diviziuni de la 0 la 6, fie, la ramura B (pentru apa distilata) sa prezinte o scala gradata, iar la ramura B' (pentru sange) numai doua repere (notate cu 0 si X). Un robinet (R) permite separarea celor doua ramuri ale vascozimetrului. Tubul A prezinta la nivelul curburii o ramificatie, la care este atasat un furtun de cauciuc (F), terminat cu o para de cauciuc (P), pentru aspiratie.

3.2 Principiul metodei

Vascozimetrul Hess este un dispozitiv cu ajutorul caruia se determina vascozitatea relativa a sangelui. Utilizarea vascozimetrului Ostwald in acelasi scop nu este posibila datorita faptului ca necesita o cantitate mare de sange si un timp indelungat pentru masurare, existand astfel pericolul coagularii sanghelui.

Determinarea vascozitatii sangelui cu vascozimetrul Hess se bazeaza pe masurarea lungimii coloanei de lichid aspirata intr-un tub capilar.

Sangele si, in general, orice lichid, la deplasarea sa printr-un capilar, intampina o anumita rezistenta, ca urmare a fenomenului de capilaritate si a vascozitatii. In asemenea cazuri, de cele mai multe ori, pentru a asigura deplasarea lichidelor prin capilare, trebuie exercitate din exterior forte de presiune.

In conformitate cu legea lui Poiseuille, debitul de curgere printr-un tub capilar este direct proportional cu puterea a patra a razei tubului, cu diferenta de presiune exercitata la capetele tubului si invers proportional cu lungimea tubului si cu vascozitatea acestuia. Rezulta ca, prin doua tuburi capilare cu lungimi identice, la extremitatile carora se exercita aceeasi diferenta de presiune, volumele a doua lichide care trec in acelasi timp prin capilare vor fi invers proportionale cu vascozitatile lor.

Daca se noteaza cu V_a - volumul apei, V_s - volumul sangelui, iar cu η_{a s} vascozitatile respective ale celor doua lichide, atunci se poate scrie:

(7.28)

Tuburile capilare, avand aceeasi sectiune, rezulta:

(7.29)

unde l_a si l_s sunt lungimile coloanelor de apa, respectiv, de sange din cele doua tuburi capilare considerate identice.

Etalonand in mod corespunzator tuburile capilare prin care se aspira apa si sange, se poate determina vascozitatea sangelui cu ajutorul unei relatii de forma:

(7.30)

unde η_r este vascozitatea relativa a sangelui.

3.3 Modul de lucru cu vascozimetrului Hess

Se procedeaza dupa cum este mentionat mai departe.

- Se deschide robinetul R si se aspira apa distilata, cu ajutorul perei de cauciuc, prin extremitatea B a ramurii I pana in dreptul diviziunii 0, iar apoi, se inchide robinetul R;

- Se recolteaza sange cu o pipeta speciala, iar apoi se aspira sangele prin extremitatea B' a ramurii II, pana in dreptul diviziunii;

- Se deschide robinetul R si prin aspiratie lenta se aduce sangele in dreptul diviziunii 1 a scalei (sau al reperului X), iar in acest moment se citeste diviziunea in dreptul careia a ajuns meniscul apei distilate din ramura I (aspirata simultan cu sangele), valoarea respectiva reprezentand vascozitatea relativa a sangelui;

- Se spala imediat vascozimetrul cu o solutie de amoniac, iar apoi cu apa distilata pentru a impiedica coagularea sangelui si pentru a-l indeparta.

In laborator se vor face mai multe determinari ale unor probe de sange, iar rezultatele se vor trece in tabelul 7.5.

Tabelul 7.5 - Determinarea vascozitatii sangelui cu vascozimetrul Hess.