Bài giảng Thuyết động học phân tử và các hiện tượng vận chuyển trao đổi chất

THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ VÀ CÁC HIỆN TƯỢNG VẬN CHUYỂN TRAO ĐỔI CHẤT

MỤC TIÊU

• Hiểu được Thuyết động học phân tử về khí lý tưởng .Từ phương trình cơ bản suy ra được các hệ quả của nó . • Nắm vững ý nghĩa biểu thức nội năng của khí lý tưởng . • Nêu được bản chất, nguyên nhân của các hiện tượng khuếch tán, ma sát nhớt .Vận dụng để giải thích các quá trình vận chuyển trao đổi ch́ ất trong cơ thể. • Nêu được bản chất, nguyên nhân của các trạng thái căng mặt ngoài chất lỏng, hiện tượng mao dẫn . Vận dụng và giải thích được một số hiện tượng liên quan trong thực tế, đời sống và trong y học

NOÄI DUNG

 THUYEÁT ÑOÄNG HOÏC PHAÂN TÖÛ VEÀ CHAÁT KHÍ  KHÍ THÖÏC  CAÙC HIEÄN TÖÔÏNG VAÄN CHUYEÅN TRONG

 TRAÏNG THAÙI CAÊNG MAËT NGOAØI CUÛA CHAÁT

CHẤT KHÍ

LOÛNG

 HIEÄN TÖÔÏNG MAO DAÃN  CAÙC HIEÄN TÖÔÏNG VAÄN CHUYEÅN TRONG

CHAÁT LOÛNG

I -THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ VỀ CHẤT KHÍ

1. CÁC ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM VỀ CHẤT KHÍ

a. Các khái niệm - Nhiệt độ: Là đại lượng vật lý đặc trưng cho mức độ chuyển động hỗn loạn phân tử của các vật .

thấp,cho đến khi hai vật có nhiệt độ bằng nhau và không trao đổi năng lượng nữa. Lúc đó, hai vật ở trạng thái cân bằng về nhiệt ”.

- Nguyên lý thứ không (zero) nhiệt động lực học Từ thực nghiệm cho ta kết luận : “ Khi đặt hai vật (hệ) A và B tiếp xúc với nhau và coi hệ hai vật này là cô lập. Năng lượng E được truyền từ vật có nhiệt độ cao (nóng hơn) sang vật có nhiệt độ

(Heä coâ laäp)

Phát biểu : “ Nếu hai vật A và B cân bằng nhiệt với vật thứ ba C thì chúng (A và B ) cũng cân bằng nhiệt với nhau “

- Dựa vào nguyên lý trên người ta đưa ra một dụng cụ đo nhiệt gọi là Nhiệt biểu. Nhiệt biểu đóng vai trò vật được vật kéo theo sự cân bằng nhiệt cùng với vật và đạt đến nhiệt độ bằng nhiệt độ của vật.

Nhiệt biểu + chia độ = Nhiệt kế

- Nhiệt độ của vật được xác định qua phép đo của một đại lượng vật lý (chiều dài, thể tích, điện trở...) có tương quan đơn trị với nhiệt độ .

VD: Nhiệt kế thủy ngân , điện trở …

•- Thang nhieät ñoä

(Hơi nước 100 212 373 sôi) (Nước đá 0 32 273 đang tan) Celcius (0C) Fahrenheit (0F) Kelvin( K) ( p = 1 atm )

toF = 9/5 toC + 32 (1) • • TK = toC + 273 (2) Ví dụ: Nhiệt độ Fahrenheit tương ứng với -20oC là: toF = 9/5 (-20) +32 = - 4oF

T = 0K = -273oC ( = - 460oF) Là giới hạn dưới chung của nhiệt độ.

b. Caùc ñònh luaät thöïc nghieäm veà chaát khí – Khí lyù töôûng

* Định luật Boyle – Marriotte (1660)(quá trình đẳng nhiệt ) Với một khối lượng khí nhất định. Nếu nhiệt độ của khối khí được giữ không đổi thì tích số giữa áp suất và thể tích của khối khí là một hằng số. T = const (cid:129) p1V1 = p2V2 Hay pV = const * Định luật Gay – Lussac (1802) (quá trình đẳng áp) p = const (cid:129) * Định luật Charles (1802) (quá trình đẳng tích) V = const (cid:129)

Các định luật thực nghiệm trên mang tính gần đúng. Ở điều kiện bình thường (phòng thí nghiệm) và chất

khí càng đơn giản như He, Ne, H2, O2, ..thì các định luật trên càng chính xác

Khí lý tưởng: Là các chất khí hoàn toàn tuân theo 3 định luật trên

c. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng Có dạng: f(p,V,T) = 0 Trạng thái (1) (cid:129)→ TT(1’) → TT (2) ( p1, V1, T1 ) (p2, V’1, T1 ( p2, V2, T2 ) Trong quá trình đẳng nhiệt từ (1)sang (1’)có: p1V1 = p2V’1 (10) Trong quá trình đẳng áp từ (1’) sang (2) có: (11)

(13)

Từ (10) và (11) được: (12) hay: Nghĩa là tỷ số đối với một trạng thái bất kỳ là

không đổi.

Theo Avogadro, ở áp suất tiêu chuẩn Po = 1,013.105 N/m2, nhiệt độ To = 273, 13oK thì thể tích của 1 kilomol (kmol) của mọi chất khí đều bằng Vo = 22,4 m3.

Từ (12) ta có: (cid:129) p V = RT (14)

Với R = 8,31.103 J/Kmol.K (=1,98 kcal / mol.K) được gọi

là hằng số khí lý tưởng

kilomol khí.

p,V, T: lần lượt là áp suất, thể tích, nhiệt độ của một

(16)

Gọi (kg) là khối lượng của một kilomol khí có thể tích V m(kg) là một khối lượng khí có thể tích V, ta có: (15) Thay V vào (14) ta có:

(phương trình Clapeyron – Mendeleev)

Định luật Dalton: Nếu nhiều loại khí được đặt trong một bình chứa thì áp suất của hỗn hợp khí bằng tổng các áp suất riêng phần của mỗi loại chất khí.

(Áp suất riêng phần của mỗi loại chất khí chính là áp suất của chất khí đó, khi mình nó chiếm toàn bộ bình chứa.) Với p : áp suất của hỗn hợp khí pi : áp suất riêng phần của chất khí thứ i. Định luật này chỉ áp dụng cho các phân tử của các loại

(17)

khí không có sự tương tác lẫn nhau về mặt hóa, lý

2. THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ VỀ CHẤT KHÍ

• Các chất khí có cấu tạo gián đoạn và gồm

một số rất lớn các phân tử.

• Kích thước của các phân tử là không đáng

Một số giả thuyết

kể so với khoảng cách giữa chúng với nhau.

• Các phân tử là các quả cầu chuyển động hỗn loạn, không ngừng .Năng lượng nhiệt của khối khí chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.

• Các phân tử không tương tác lẫn nhau trừ lúc va chạm. Sự va chạm giữa các phân tử với nhau và phân tử với thành bình là hoàn toàn đàn hồi.

Theo quan điểm Động học phân tử . Áp suất của khối khí gây ra

trên thành bình chính là do lực tác dụng của các phân tử khí khi va chạm với thành bình.

(18)

Tính được theo biểu thức:

b. Phương trình cơ bản của Thuyết động học phân tử (Áp suất khí lý tưởng)- Hệ quả

n : mật độ phân tử : là động năng tịnh tiến trung bình của phân tử. m : khối lượng của phân tử : trung bình của bình phương vận tốc Áp suất của chất khí tỷ lệ với mật độ phân tử và động năng

tịnh tiến trung bình của các phân tử.

3. HỆ QUẢ

tưởng .Thay vào (18) :

↔ k = R/N0 : hằng số Boltzman

(19)

thì k = 1,38.10-23 J/oK

↔ ↔ nV = No số phân tử trong một kilomol (số Avogadro) ↔ Hệ SI: R = 8,31.103 J/kmoloK, No = 6,023.1026 pt/kmol Động năng tịnh tiến trung bình của các phân tử tỷ lệ với nhiệt độ

- Nhiệt độ: Từ phương trình trạng thái đối với một kilomol khí lý

tuyệt đối của khối khí.

(20)

(21)

- Vận tốc căn quân phương vc Từ (29) ta thay (cid:129) hay: Nếu thay k = R/No và Nom =  thì:

• VD: ÔÛ T = 300K (nhieät ñoä phoøng) ta coù: - O2 ( = 32 Kg/Kmol) : vc = - H2( = 2,02 Kg/Kmol) :vc = 1920 m/s - N2 ( = 28 Kg/Kmol) : vc = 517 m/s

p = n kT hay (32)

Mật độ phân tử: Từ (18) và(19) ta có: Dưới cùng một áp suất và nhiệt độ, mọi chất khí

Ở điều kiện tiêu chuẩn : To = 273oK ,po = 1,013.105 N/m2 thì có: no = 1,013.105 /1,38.10-23.273 = 2,687.1025 phân tử /m3 (

đều có cùng một mật độ phân tử.

hằng số Loschmidt)

4. NỘI NĂNG CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG

- Số bậc tự do i: Số bậc tự do của một vật (hay một hệ) là số toạ độ độc lập cần thiết để xác định vị trí của vật đó trong không gian.

Dạng chuyển động: - Tịnh tiến (Tọa độ x,y,z) - Quay (Tọa độ , ,ỵ)

Z

Y

X

Phaân töû 1 nguyeân tö û : i = 3

Z

Z

Y

Y

X

X

Phaân töû 3 nguyeân tö û(H2O, ..) : i = 6

Phaân töû 2 nguyeân tö û(O2, N2,..) : i = 5

- Định luật phân bố đều động năng theo số bậc tự do “ Động năng trung bình của phân tử được phân bố đều cho các bậc tự do và mỗi bậc tự do ứng với động năng trung bình bằng “

Vậy từ định luật này, một phân tử bất kỳ có i bậc tự do

thì động năng trung bình là: (33)

VD: Động năng tịnh tiến trung bình của phân

tử khí Nitơ ở 300K là :

A 5,17. 10-23 J. B. 0,62. 10-20 J . C. 1,55. 10-20 J . D. 4,85 . 10-23 J .

- Nội năng U của khí lý tưởng

Nội năng của một hệ là tất cả các dạng năng lượng ứng với các chuyển động và tương tác bên trong hệ. Đối với khí lý tưởng Wt = 0 → Nội năng của khí lý tưởng bằng tổng động năng

trung bình của các phân tử.

- Đối với 1 kilomol khí lý tưởng thì: No = 6,023.1026 pt/kmol Từ (33) có: i: Số bậc tự do Vì

(34)

- Đối với một khối lượng khí lý tưởng m (kg) gồm N phân

tử, ta có:

(cid:129) (35) Nội năng U của khối khí lý tưởng nhất định chỉ biến

thiên theo nhiệt độ T.

(Haït Brown)

(Chuyeån ñoäng hoån loaïn, khoâng ngöøng, quyõ ñaïo gaáp khuùc baát kyø)

5. CHUYỂN ĐỘNG BROWN

“Rất nhiều thí nghiệm có thể chứng minh tôi đúng và chỉ cần thực nghiệm để có thể chứng minh tôi sai”

( Einstein)

II. KHÍ THÖÏC

•

Khi r > ro (ro = 3.10-10m) : f < 0 (quy öôùc) löïc huùt Khi r = ro : f = 0 caân baèng. Khi r < ro : f > 0 löïc ñaåy

Khí thöïc coù ñieåm khaùc nhau cô baûn vôùi khí lyù töôûng laø caùc phaàn töû khí : - Coù kích thöôùc - Töông taùc laãân nhau 1. Löïc töông taùc phaân töû - theá naêng töông taùc. * Löïc töông taùc phaân töû f - Do caùc ñieän tích trong caùc phaân töû gaây ra. - Phuï thuoäc khoaûng caùch r giöõa caùc phaân töû (löïc coù theá): • • • Khi r ~10-8m thì löïc f khoâng coøn taùc duïng nöõa (Phaïm vi

heïp).

* Theá naêng töông taùc Wt • Coâng cuûa löïc f trong dòch chuyeån ∆r laø : ∆A = f. ∆r Bieát ∆A = W1-W2 = - ∆Wt ( ñoä giaûm theá naêng) ⇒ (40) Khi r = , f = 0. Ta choïn Wt (r = ) = 0 Khi r  ro < r <  : r < 0 , f < 0 (löïc huùt) - Wt = -(Wt2 – Wt1) > 0 , Wt2 < Wt1 Theá naêng giaûm Khi r  0 < r < r0 : r < 0 , f > 0 (löïc ñaåy) -Wt = -(Wt2 –

Wt1) < 0 , Wt2 > Wt1 Theá naêng taêng

2. Phöông trình traïng thaùi cuûa khí thöïc

Töø phöông trình traïng thaùi ñoái vôùi moät kilomol khí lyù töôûng

p.V = R.T

Hieäu chænh theå tích:

V → V - b

• V: laø khoaûng khoâng gian maø caùc phaân töû chuyeån ñoäng töï do. Vaäy ñoái vôùi khí thöïc ,theå tích khoái khí :

b : theå tích rieâng cuûa phaân töû

(a) (b)

• Hieäu chænh aùp suaát: P : aùp suaát ño ñöôïc ôû thaønh bình (do söï va chaïm cuûa caùc phaân töû vôùi thaønh bình ) - Caùc phaân töû ôû trong loøng khoái khí: Vì ñoái xöùng, löïc toång hôïp löïc taùc duïng leân

caùc phaân töû naøy laø trieät tieâu.

- Caùc phaân töû ôû saùt thaønh bình: bò phaân töû ôû lôùp trong huùt vaøo phía trong loøng khoái khí.

Vaäy ñoái vôùi khí thöïc aùp suaát cuûa khoái khí : p → p + pi. pi: goïi laø aùp suaát phaân töû (aùp löïc höôùng vaøo phía trong loøng khoái khí

vaø khoâng ño ñöôïc).

Ngöôøi ta tính ñöôïc

(41)

a : laø heä soá tyû leä phuï thuoäc baûn chaát cuûa töøng loaïi khí. Vaäy phöông trình traïng thaùi ñoái vôùi 1 Kmol khí thöïc laø: • Xeùt m(kg) khí thöïc baát kyø töông öùng theå tích V ta coù: Thay V  vaøo (41) ta ñöôïc : • (42) ( phöông trình Vanderwaals) • Ñaây laø phöông trình traïng thaùi ñoái vôùi moät khoái löôïng khí

thöïc baát kyø

.

3. Noäi naêng cuûa khí thöïc

• •

– Noäi naêng cuûa khí thöïc Ñoái vôùi moät kilomol khí lyù töôûng : U = Ñoái vôùi moät kilomol khí thöïc : Theá naêng töông taùc giöõa caùc phaân töû Wt  0 :

Do ñoù U = Wñ + Wt. ⇒

Chuù yù : khi thay ñoåi theå tích V ⇒ r ⇒ Wt thay ñoåi

Vaäy noäi naêng cuûa khí thöïc khoâng nhöõng phuï thuoäc nhieät

ñoä maø coøn phuï thuoäc theå tích

III. CÁC HIỆN TƯỢNG VẬN CHUYỂN

TRONG CHẤT KHÍ

1. Quảng đường tự do trung bình

của các phân tử

Quảng đường tư do : là đoạn

đường giữa hai lần va chạm liên tiếp (có độ dài khác nhau).

Quảng đường tự do trung bình: - Là quảng đường lấy trung bình các quãng đường tự do - Phản ánh khả năng dời chỗ của phân tử (rất bé so với vận tốc phân từ)

(khoảng 380 lần đường kính d )

Thuyết động học phân tử, đã thiết lập được : d : đường kính phân tử, n : mật độ phân tử. VD: Với Oxy có đường kính d = 2,9.10-10m đã công bố . a/ Quãng đừơng tự do trung bình của Oxy ở nhiệt độ T = 3000K và áp suất 1 atm (khí quyển ) là bao nhiêu ?

b/ Nếu tốc độ trung bình của phân tử Oxy là 450m/s thì

N = Quảng đường đi được trong một giây/ Quảng

tốc độ va chạm trung bình (số va chạm trong một giây) là bao nhiêu ?

đường tự do trung bình

2. Hiện tượng khuyếch tán - Là hiện tượng vận chuyển khối lượng của phân tử

- Điều kiện: - môi trường tĩnh. - có sự chênh lệch về khối lượng riêng

kèm theo sự dời chỗ phân tử.

(kể cả môi trường đồng chất )

Định luật Fick (Thực nghiệm) Một khối lượng khí M khuyếch tán qua một diện tích

ρtăng

∆S

S trong khoảng thời gian t, thì tỷ lệ với S, t và gradient của khối lượng riêng theo phương x vuông góc với S theo biểu thức:

- : là gradient của  theo phương x - Dấu (-): quá trình vận chuyển theo chiều khối lượng riêng  giảm. - D : là hệ số khuyếch tán phụ thuộc vào bản chất và trạng thái của

khối khí.

x

pn: áp suất khí riêng phần

3. Sự trao đổi khí ở phổi - Định luật Henry Lượng khí khuyếch tán được vào chất lỏng tỷ lệ với áp suất riêng phần của chất khí đó trên bề mặt chất lỏng theo biểu thức:

hỗn hợp khí và chất lỏng.

p: áp suất khí quyển k: hệ số khuyếch tán, phụ thuộc bản chất khí thành phần trong

Kết quả đo đạc áp suất riêng phần (đơn vị: tor) của khí trong cơ thể như sau:

tỉnh Chaát khi Pheá nang Maùu ôû Ôûtoå chöùc

maïch phoåi Maùu ôû ñoäng maïch chuû

99,8 39 38 45-48 99 39,6 20 53-76 O2 CO2

Dựa vào định luật Henry, chúng ta hiểu được chiều vận chuyển O2,và CO2 trong cơ thể theo chu kỳ : O2 khuyếch tán : Từ phế nang (cid:129)¨ máu ở các tĩnh mạch → máu động mạch → các mô, tế bào CO2 ngược lại: Từ các mô, tế bào → máu động mạch → máu ở các tĩnh mạch → phế nang

•

• Theo định luật Fick , lượng khí khuyếch tán còn tỷ lệ thuận với diện tích mặt tiếp xúc S. Vì vậy, đối với cơ thể người, diện tích chung đối với phế nang khoảng 50m2 và đối với mao mạch người ta đã biết là 500  700 m2 việc trao đổi khí rất thuận lợi . Chú ý rằng,bên cạnh quy luật khuyếch tán trên còn có một cơ chế khác mà qua nghiên cứu người ta thấy các thành phần trong máu đã đóng vai trò quan trọng trong quá trình vận chuyển khi trong cơ thể.

4. Những yếu tố ảnh hưởng tới sự vận chuyển khí

trong cơ thể

Yếu tố bên trong cơ thể - Hoạt động thở, hoạt động của các phế nang,sự lưu

- Vai trò tuần hoàn máu , khối lượng lẫn chất lượng máu . - Hoạt động chuyển hóa ở tế bào, mô . - Hoạt động điều khiển của hệ thần kinh cao cấp liên quan

với hô hấp.

thông không khí.

Yếu tố bên ngoài cơ thể - Ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần khí cuả O2 và CO2 cần

- Ảnh hưởng của trọng lực: gây ra lực cản đối với các cơ

thiết cho cơ thể.

khi hít vào và làm giảm thể tích lồng ngực khi thở ra.

IV. TRAÏNG THAÙI CAÊNG MAËT NGOAØI CUÛA CHAÁT LOÛNG

B

B

A

1. ÁP SUẤT PHÂN TỬ CỦA CHẤT LỎNG - Phân tử A (nằm trong lòng chất lỏng ): Vì đối xứng, tổng hợp lực (hút) tác dụng lên các phân tử này là triệt tiêu. - Phân tử B (nằm ở mặt ngoài chất lỏng): Bị các phân tử ở lớp trong hút vào phía trong lòng chất lỏng. Lực hút các phân tử này gây ra áp suất gọi là áp suất phân tử của chất lỏng ( không đo được bằng thực nghiệm.) có dạng :

2. TRẠNG THÁI CĂNG MẶT NGOÀI CỦA CHẤT LỎNG

B B

A A

Thí nghiệm chứng tỏ lực căng mặt ngoài vuông góc với đường ranh giới (chu vi bề mặt ngoài ) và tiếp xúc với bề mặt ngoài chất lỏng .

Xét định tính, theo phương nằm ngang - Phân tử B : Lực (hút) của các phân tử xung quanh là bằng nhau và đối xứng , khử lẫn nhau . - Phân tử A (sát thành bình): Lực (hút) của các phân tử xung quanh là không đều , phía trong nhiều phân tử hơn . Nên chịu tác dụng lực tổng hợp theo phương nằm ngang , hướng từ ngoài vào trong (xu hướng làm giảm diện tích mặt ngoài chất lỏng ) .Tổng lực tác dụng lên các phân tử A nằm trên dường ranh giới gây ra trạng thái căng mặt ngoài của chất lỏng .

Năng lượng mặt ngoài W

B B B

W = (WtB - WtA )

A A

W   S  > 0 : hệ số căng mặt ngoài của chất lỏng

Thế năng Wtmin→ Wmin → S min

Ở trạng thái cân bằng (bền) :

Dầu

Nếu ta loại trừ được tác dụng của trọng lực, một thể tích chất lỏng tự do như vậy sẽ có dạng hình cầu. Về mặt hình học, đó là hình có diện tích nhỏ nhất so các hình khác có cùng thể tích.

B B

A A

- Phương vuông góc chu vi bề

2. Lực căng mặt ngoài - : là lực phân tử tác dụng lên thành bình làm giảm diện tích bề mặt ngoài chất lỏng có:

mặt ngoài chất lỏng

F

F’

- Chiều hướng vào trong lòng và tiếp xúc bề mặt ngoài chất lỏng

Thành bình tác dụng lên phân tử

lực

(định luật 3 Newton)

Tính F : Công dA của lực F’

làm đoạn chu vi MN

 l dịch chuyển một đoạn dx bằng độ giảm năng lượng mặt ngoài – dW :

dS

M

l

N

dx

dA  F’.dx  - dW F’ Nếu chỉ xét một mặt S : F’  Vì dS  l.dx nên: (cid:129) F ’  -  l (cid:129) F   l - Dấu (-): cho biết lực hướng vào trong

lòng chất lỏng.

-σ : hệ số căng mặt ngoài hay suất căng

mặt ngoài.

3. Lực căng mặt ngoài của các dung dịch chứa các chất có mặt hoạt tính (có tính hoạt động bề mặt ).

fdm-ht : lực hút giữa các phân tử chất hòa tan và dung môi fdm-dm : lực hút giữa các phân tử dung môi với nhau.

* fdm-ht < fdm-dm : Chất hòa

tan gọi là chất có tính hoạt động bề mặt (a).

dung dịch giảm

- Lực căng mặt ngoài của

• ** fdm-ht > fdm-dm : Chất hòa tan gọi là chất không có tính hoạt động bề mặt (b).

Phaân töû hoøa tan

Phaân töû Dung moâi

- Màng mỏng tạo nên bởi dung dịch thì bền vững hơn

(b) Khoâng coù tính hoaït ñoäng beà maët

(a) Coù tính hoaït ñoäng beà maët

IV. HIEÄN TÖÔÏNG MAO DAÃN

F = F1 + F2

O

O

A

F1

A

F1

θ

F

F2

θ

(a) loõm

(b) loài

1. Hình dạng bề mặt ngoài chất lỏng và Góc làm ướt a. Hình dạng bề mặt ngoài (định tính): Phân tử A chịu lực hút F1 :Từ thành bình, F2 : Từ khối chất lỏng - Nếu F hướng về phía thành bình : Lõm (a) - Nếu F hướng về phía chất lỏng : Lồi (b)

O

O

A

F1

A

F1

θ

F

F2

θ

F2

F

(a) loõm

(b) loài

b. Góc làm ướt θ (định lượng) - 0 ≤ θ < 900 : CL làm ướt thành bình (a) - 900 < θ ≤ 1800: CL không làm ướt thành bình (b) (θ = 0 : làm ướt hoàn toàn)

(quy ước)

∆p < 0

∆p > 0

(cuøng chieàu aùp suaát phaân töû pi )

Bề mặt ngoài chất lỏng

chu vi bề mặt ngoài chất lỏng

2. Áp suất phụ P Trong các ống hình trụ có tiết diện bé (ống mao dẫn). Lực căng mặt ngoài (mặt thoáng) của chất lỏng gây ra phần chất lỏng bên dưới một áp suất gọi là áp suất phụ.

O

R

R

R

O1 O2

(a)

(b)

Áp suất phụ tác dụng lên mặt ∆S ( công thức Laplace) Với : độ cong của mặt ∆S tại O - Khi mặt ngoài ∆S là: + Mặt cầu: R1= R2= R : + Mặt trụ: R1 → ∞ , R2= R :

3. Hiện tượng mao dẫn

- Định nghĩa: Hiện tượng chất lỏng làm dâng hoặc hạ xuống trong ống có tiết diện bé.

hai vách phẳng đặt sát nhau) mặt cong chiếm toàn bộ bề mặt ngoài chất lỏng, từ đó áp suất phụ lớn, kéo chất lỏng dâng hoặc hạ xuống.

h

h

- Nguyên nhân : Do trong ống tiết diện bé (hoặc giữa

- Tính h : Xét 2 điểm M, N cùng mực nằm ngang.( N ở ngay dưới mặt thoáng)

R θ r

h

N

M

R: baùn kính beà maët choûm caàu

r : baùn kính oáng,

 :laøm goùc öôùt

(Coâng thöùc JURIN)

PN  P0 (áp suất khí quyển) PM  P0 + gh + P Mà PM  PN → (mặt cầu lõm)

hay d: đường kính ống Nhận xét: *  < 90o ( lõm) (cid:129) cos > 0 (cid:129) h > 0 chất lỏng dâng lên trong

ống

*  > 90o (lồi) (cid:129) cos < 0 (cid:129) h < 0 chất lỏng hạ xuống * r ,  càng nhỏ, h càng lớn.

• Đối với trường hợp hai vách sát nhau cũng tính tương

tự ta được độ cao h là:

• Với d là khoảng cách giữa hai vách

d1

d2

∆h

B

A

Lưu ý : Nước làm ướt thành ống thì mức nước trong nhánh tiết diện bé cao hơn mức nước trong nhánh lớn và có dạng lõm

VD : Hiệu mức nước trong hai nhánh của ống mao dẫn hình chữ U có đường kính trong d1 = 1mm và d2 = 2 mm là ∆h = 1,4cm . Xác định hệ số căng mặt ngoài của nước . Cho biết khối lượng riêng của nước là 103 kg/m3 , g = 9,81m/s2 . Xem nước làm ướt hoàn toàn thành ống .

Giải :

Ở điều kiện cân bằng , trên một mặt nằm ngang ta có:

d1

d2

pA = pB (1)

∆h

B

pA = p0 + ∆ pA + ρ g ∆ h

A

Với pB = p0 + ∆ pB

p0 : áp suất khí quyển , ∆ p : áp suất phụ

ρ g ∆ h : áp suất thủy lực (do chiều cao cột nước )

Thế vào (1) được : p0 + ∆ pA + ρ g ∆ h = p0 + ∆ pB

ρg ∆ h = - ∆ pA + ∆ pB

d1

d2

∆h

B

A

4. Giaûi thích moät soá hieän töôïng thöôøng gaëp

F

P

a. Ống đếm giọt : Giọt chất lỏng to dần lên đến khi trọng lượng giọt chất lỏng bằng lực căng mặt ngoài thì giọt chất lỏng bắt đầu rơi khỏi ống P = F (Định luật Taste) ( mg = σ l ) Với một ống đếm và chất lỏng nhất định thì lực căng mặt ngoài không đổi nên trọng lượng giọt chất lỏng là không đổi. Đây là lý do người ta lấy số giọt thuốc làm đơn vị liều lượng cho người bệnh

VD: Trong một đơn thuốc có ghi : Mỗi ngày uống 2 lần , mỗi lần 15 giọt . Cho biết hệ số căng mặt ngoài của thuốc là 8,5. 10-2 N/m và đầu mút ống nhỏ giọt có đường kính bằng 2 mm . Khối lượng thuốc bệnh nhân phải uống trong một ngày là:

A. 3,20 g B. 2,14 g C. 1,63 g D. 0,75 g

Xét một ống mao dẫn nằm ngang có

một bọt khí bên trong

- Khi không có tác dụng lực , chất

lỏng đứng yên,

R1  R2 ⇒ p1  p2

R1  R2 ,(cid:129) p1  p2 ngược chiều - Khi có tác một lực F (bên trái) R1 > R2 (cid:129), p1 < p2 cản trở lực F

R1 > R2 ⇒ p1 < p2

b. Taùc duïng cuûa boït khí trong oáng mao daãn

r

R1 = R2 = r

Áp suất phụ cực đại mà bọt khí chịu được khi mặt bên trái là mặt lồi, phía bên phải là mặt lõm có bán kính cong bằng bán kính r của ống mao dẫn. Vậy,ống mao dẫn chứa chất lỏng có bọt khí thì cần phải tác dụng một áp suất lớn hơn áp suất phụ cực đại , chất lỏng mới chuyển dịch được

Khi trong ống càng nhiều bọt khí hoặc có chỗ phân nhánh thì áp suất phụ cực đại mà các bọt khí này chịu sẽ càng lớn . Đây là lý do gây ra tai biến trong các trường hợp như cơ thể bị giảm áp suất đột ngột hoặc khi đưa thuốc vào cơ thể qua tĩnh mạch đã tạo các bọt khí trong lòng mạch máu, nhất là các mạch máu ở tim, não,làm cho máu khó lưu thông ,gây tắc mạch máu.

V. CAÙC HIEÄN TÖÔÏNG VAÄN CHUYEÅN CHẤT

1. Hieän töôïng khuyeách taùn : a. Khuyeách taùn khoâng qua maøng

Ñònh luaät Fick: Soá phaân töû n cuûa moät loaïi chaát naøo ñoù,khuyeách taùn

: gradient cuûa noàng ñoä C theo phöông x vuoâng goùc vôùi S D: heä soá khuyeách taùn , phuï thuoäc vaøo khoái löôïng vaø hình daïng phaân

töû , ñoä nhôùt cuûa dung moâi vaø nhieät ñoä cuûa dung dòch.

qua dieän tích S trong khoaûng thôøi gian t nhö sau:

b. Khuyeách taùn qua maøng xoáp thaám töï do - Maøng xoáp thaám töï do : loaïi maøng coù loã vôùi ñöôøng kính raát lôùn so ñöôøng kính phaân töû khuyeách taùn (Töông töï nhö khoâng coù maøng chaén, nhöng phaàn dieän tích ñeå caùc phaân töû ñi qua bò giaûm ñi neân quaù trình khuyeách taùn xaûy ra chaäm hôn.)

màng

Giaû söû ôû moãi phía cuûa maøng luoân duy trì noàng ñoä ñoàng nhaát C1 vaø C2 ,phaàn beân trong giöõa hai maët cuûa maøng coù noàng ñoä bieán ñoåi tuyeán tính ( GradxC coù giaù trò khoâng ñoåi)

C 2

C 1

l

⇔ l: beà daøy cuûa maøng P = D/ l : heä soá thaám cuûa maøng, phuï thuoäc chaát khuyeách taùn vaø tính

chaát cuûa maøng.

c. Hieän töôïng khuyeách taùn vaø söï vaän chuyeån vaät chaát trong

cô theå

Caùc loaïi gradient thoâng thöôøng toàn taïi ôû maøng teá baøo soáng nhö: Gradient noàng ñoä, gradient thaåm thaáu, gradient maøng, gradient ñoä hoøa tan, gradien ñieän hoùa

Caùc quaù trình vaän chuyeån thuï ñoäng vaät chaát qua maøng coù ñoäng löïc laø söï toàn taïi caùc gradient khaùc nhau ôû hai phía cuûa maøng maø khuyeách taùn laø cô cheá chuû yeáu

- Chieàu vaän chuyeån : Do toång caùc vectô gradient ôû vuøng maøng quyeát ñònh - Naêng löôïng vaän chuyeån : Naêng löôïng döï tröõ ngay trong caùc gradient

Coù 3 daïng khuyeách taùn:

 Khuyeách taùn ñôn giaûn: Laø daïng khuyeách taùn döôùi taùc duïng cuûa gradient noàng ñoä (Caùc phaân töû nöôùc vaø caùc anion thöôøng vaän chuyeån theo cô cheá naøy) tuaân theo coâng thöùc : n  -P (C2 – C1) S .t Maät ñoä doøng vaät chaát khuyeách taùn :  Khuyeách taùn lieân hôïp Töông töï khuyeách taùn ñôn giaûn , song caùc phaân töû vaät chaát (cô chaát) loït ñöôïc qua maøng khi ñöôïc gaén vaøo caùc phaân töû khaùc goïi laø chaát mang (caùc chaát glucose, glycerin, acid amin vaø soá chaát höõu cô khaùc vaän chuyeån theo cô cheá naøy.)

C: phaân töû chaát xaâm nhaäp vaøo teá baøo (cô chaát) , M : phaân töû chaát mang [MC]tr , [MC]ng : noàng ñoä phöùc chaát MC ôû maët trong vaø maët ngoaøi.

Maät ñoä doøng vaät chaát MC khuyeách taùn qua maøng laø:

 Khuyeách taùn trao ñoåi Töông töï khuyeách taùn lieân hôïp nhöng ôû ñaây, caùc phaân töû chaát mang thöïc hieän moät quaù trình vaän chuyeån voøng. (Ñaây laø tröôøng hôïp vaän chuyeån caùc ion Na+ qua maøng hoàng caàu. Baèng phöông phaùp ñaùnh daáu ngöôøi ta thaáy caùc ion Na+ cuûa hoàng caàu nhanh choùng ñoåi choã cho caùc ion Na+ trong huyeát thanh. Trong khi ñoù, noàng ñoä ion Na+ ôû huyeát thanh vaø trong hoàng caàu laïi khoâng thay ñoåi.)

 Maøng baùn thaám.: Laø maøng coù theå

2. Hieän töôïng thaåm thaáu

h

cho dung moâi thaám qua maø khoâng cho chaát hoaø tan ñi qua.

Maøng baùn thaám nöôùc ñöôøng

 Thaåm thaáu : Laø quaù trình vaän chuyeån dung moâi qua moät maøng ngaên caùch hai dung dòch coù caùc thaønh phaàn khaùc nhau maø khoâng coù caùc ngoaïi löïc

 Aùp suaát thaåm thaáu: Thí nghieäm: Cho thaáy nöôùc ñaõ thaám

qua maøng vaøo pheãu daâng leân ñoä cao h, ñöôøng khoâng thaám ñöôïc ra ngoaøi. Aùp suaát thuûy tĩnh do chieàu cao h cuûa coät nöôùc ñöôøng gaây ra goïi laø aùp suaát thaåm thaáu.

Màng bán thấm

Giaûi thích :

P = C. R. T

Do noàng ñoä phaân töû nöôùc beân ngoaøi maøng lôùn hôn beân trong maøng .Theo ñoù aùp suaát rieâng phaàn cuûa nöôùc beân ngoaøi maøng lôùn hôn beân trong maøng neân nöôùc khuyeách taùn töø ngoaøi vaøo trong maøng. Ñoái vôùi dung dòch loaõng cuûa caùc chaát khoâng ñieän ly aùp suaát thaám thaáu tuaân theo phöông trình Clapeyron – Mendeleev ⇔ : noàng ñoä Kmol cuûa dung dòch

- AÙp suaát thaåm thaáu vaø caùc quaù trình trao ñoåi chaát cuûa

caùc cô quan teá baøo ñoäng thöïc vaät.

ASTT

So vôùi dung dòch coù ASTT p0 . Neáu moät dung dòch coù

- p = p0 : dung dòch ñaúng tröông - p > p0 : dung dòch öu tröông - p < p0 : dung dòch nhöôïc tröông So vôùi maùu ngöôøi ôû 370C , ASTT p0 ~ 7,7 atm - Dung dòch muoái 0,9% (0,15M)(nöôùc muoái sinh lyù ) laø dung dòch ñaúng tröông vôí maùu . Vì vaäy, ñeå buø laïi söï maát maùu coù theå ñöa vaøo moät löôïng lôùn caùc dung dòch ñaúng tröông nhö nöôùc muoái sinh lyù, huyeát thanh .v.v…

- Neáu cô theå bò maát muoái hay coù moät soá löôïng nöôùc lôùn ñöa vaøo, aùp suaát thaåm thaáu bò giaûm,coù theå daãn tôùi co giaät, noân möûa. Ngöôïc laïi ,aùp suaát thaåm thaáu taêng do ñöa vaøo cô theå moät löôïng muoái lôùn daãn ñeán söï phaân phoái laïi nöôùc trong cô theå, coù theå gaây ra phuø neà caùc toå chöùc - Taïi caùc nôi bò vieâm, caùc phaân töû protein bò ñöùt gaõy thaønh nhieàu phaân töû nhoû, noàng ñoä vaät chaát gia taêng, aùp suaát thaåm thaáu taêng, nöôùc töø caùc toå chöùc xung quanh chuyeån veà vò trí naøy ,gaây ra caûm giaùc aùp suaát.