Явление поверхностного натяжения. Капиллярность. Причины газовой иди жировой эмболии кровеносных сосудов
Поверхностное натяжение, стремление вещества (жидкости или твердой фазы) уменьшить избыток своей потенциальной энергии на границе раздела с др. фазой (поверхностную энергию). Определяется как работа, затрачиваемая на создание единицы площади поверхности раздела фаз (размерность Дж/м2). Согласно другому определению, поверхностное натяжение – сила, отнесенная к единице длины контура, ограничивающего поверхность раздела фаз (размерность Н/м); эта сила действует тангенциально к поверхности и препятствует ее самопроизвольному увеличению.
Поверхностное натяжение – основная термодинамическая характеристика поверхностного слоя жидкости на границе с газовой фазой или другой жидкостью. Поверхностное натяжение различных жидкостей на границе с собственным паром изменяется в широких пределах: от единиц для сжиженных низкокипящих газов до нескольких тысяч мН/м для расплавленных тугоплавких веществ. Поверхностное натяжение зависит от температуры. Для многих однокомпонентных неассоциированных жидкостей (вода, расплавы солей, жидкие металлы) вдали от критической температуры хорошо выполняется линейная зависимость:
где s и s0 – поверхностное натяжение при температурах T и T0 соответственно, α≈0,1 мН/(м·К) – температурный коэффициент поверхностного натяжения. Основной способ регулирования поверхностного натяжения заключается в использовании поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Поверхностное натяжение, важнейшая термодинамическая характеристика поверхности раздела фаз (тел), определяемая как работа обратимого изотермического образования единицы площади этой поверхности. В случае жидкой поверхности раздела П. н. правомерно также рассматривать как силу, действующую на единицу длины контура поверхности и стремящуюся сократить поверхность до минимума при заданных объёмах фаз. Применительно к легкоподвижным поверхностям оба определения равнозначны, но первое предпочтительнее, т.к. имеет более ясный физический смысл. П. н. на границе двух конденсированных фаз обычно называется межфазным натяжением. Работа образования новой поверхности затрачивается на преодоление сил межмолекулярного сцепления (когезии) при переходе молекул вещества из объёма тела в поверхностный слой. Равнодействующая межмолекулярных сил в поверхностном слое не равна нулю (как в объёме тела) и направлена внутрь фазы с большей когезией. Таким образом, П. н. — мера некомпенсированности межмолекулярных сил в поверхностном (межфазном) слое или, что то же, избытка свободной энергии в поверхностном слое по сравнению со свободной энергией в объёмах соприкасающихся фаз. В соответствии с определениями П. н. его выражают в дж/м2 или н/м (эрг/см2 или дин/см).
Благодаря П. н. жидкость при отсутствии внешних силовых воздействий принимает форму шара, отвечающую минимальной величине поверхности и, следовательно, наименьшему значению свободной поверхностной энергии. П. н. не зависит от величины и формы поверхности, если объёмы фаз достаточно велики по сравнению с размерами молекул; при повышении температуры, а также под действием поверхностно-активных веществ оно уменьшается. Расплавы металлов имеют наибольшее среди жидкостей П. н., например у платины при 2000 °С оно равно 1820 дин/см, у ртути при 20 °С — 484. П. н. расплавленных солей значительно меньше — от нескольких десятков до 200—300. П. н. воды при 20 °С — 72,8, а большинства органических растворителей — в пределах 20—60. Самое низкое при комнатной температуре П. н. — ниже 10 — имеют некоторые фторуглеродные жидкости.
На легкоподвижных границах жидкость — газ (пар) или жидкость — жидкость П. н. можно непосредственно измерить многими методами. Так, широко распространены способы определения П. н. по массе капли, отрывающейся от конца вертикальной трубки (сталагмометра); по величине максимального давления, необходимого для продавливания в жидкость пузырька газа; по форме капли (или пузырька), лежащей на плоской поверхности, и т.д. Экспериментальное определение П. н. твёрдых тел затруднено из-за того, что их молекулы (или атомы) лишены возможности свободного перемещения. Исключение составляет пластическое течение металлов при температурах, близких к точке плавления. Ввиду анизотропии кристаллов П. н. на разных гранях кристалла различно. Понятия П. н. и свободной поверхностной энергии для твёрдых тел не тождественны. Дефекты кристаллической решётки, главным образом дислокации, ребра и вершины кристаллов, границы зёрен поликристаллических тел, выходящие на поверхность, вносят свой вклад в свободную поверхностную энергию. П. н. твёрдых тел обычно определяют косвенно, исходя из межмолекулярных и межатомных взаимодействий. Величиной и изменениями П. н. обусловлены многие поверхностные явления, особенно в дисперсных системах .
В живых организмах П. н. клетки — один из факторов, определяющих форму целой клетки и её частей. Для клеток, обладающих жёсткой или полужёсткой поверхностью (многие микроорганизмы, инфузории, клетки растений и т.д.), значение П. н. невелико. У клеток, лишённых прочной надмембранной структуры (большинство клеток животных, некоторые простейшие, сферопласты бактерий), П. н. в основном определяет конфигурацию (клетки, находящиеся во взвешенном в жидкости состоянии, приобретают форму, близкую к сферической). Форма клетки, прикрепленной к какому-либо субстрату или к др. клеткам, зависит преимущественно от др. факторов — цитоскелета, образуемого микротрубочками, контактных структур и т.д. Полагают, что локальные изменения П. н. существенны в таких явлениях, как фагоцитоз, пиноцитоз, гаструляция. Определение П. н. клетки — сложная экспериментальная задача; обычно П. н. клетки не превышает несколько дин/см (10-3 н/м).
Капиллярность
Капиллярность, волосность, физ., свойство жидкостей подниматься или опускаться ниже уровня в очень узких трубках, а именно если узкую (волосную, капиллярную) стеклянную трубку опустить в жидкость, смачивающую стекло (вода, спирт), то последняя поднимается в трубке выше уровня жидкости в сосуде; в трубке же, опущенной в несмачивающую стекло жидкость, последняя опускается ниже внешнего уровня; например, в стеклянной трубке диаметром в 1 мм. вода подымается при обыкновенной температуре на 30 мм. выше внешнего уровня, в железной трубке того же диаметра ртуть понижается на 1,2 мм. Высота подъема жидкости в смачиваемой трубке не зависит от вещества трубки; она тем больше, чем меньше радиус трубки, изменяется с веществом и плотностью жидкости, зависит также от температуры.
Причины газовой или жировой эмболии кровеносных сосудов.
Эмболия (от греч. embole — вклинивание, вталкивание) — это закупорка сосудов частицами, принесенными током крови или лимфы. Сами частицы (тело) называют эмболами. Они могут попадать в сосуды из внешней среды и формироваться в самом организме. Поэтому различают эмболы эндогенного и экзогенного происхождения.
По месту локализации выделяют эмболии большого, малого кругов кровообращения и эмболию воротной вены.Эмболия приводит к возникновению ишемии и некрозу тканей.
Газовая эмболия (эмболии экзогенного происхождения ) развивается в результате закупорки сосудов пузырьками газов. Повышение атмосферного давления создает условия для растворения газов (азот, кислород, углекислота) в биологических жидкостях. Быстрое перемещение организма из среды с повышенным давлением в среду с нормальным ведет к понижению растворимости, десатуризации и образованию в крови пузырьков газа. Пузырьки газа, преимущественно азота, вызывают закупорку капилляров головного и спинного мозга, почек, сердца и других органов. Газовая эмболия возникает и при быстром переводе организма из среды с нормальным атмосферным давлением в среду с пониженным атмосферным давлением. Закупорка сосудов пузырьками газа возможна также при гангрене, вызванной анаэробами (газовая гангрена). Жировая эмболия (эмболии эндогенного происхождения) следует за поступлением в русло крови капелек жира при операциях на тканях с обилием жировой клетчатки, при переломах трубчатых костей, после механического размозжения жировой ткани. В силу отрицательного давления в венах капельки жира через травмированные участки сосуда поступают в ток крови и останавливаются в сосудах меньшего диаметра. Жировую эмболию легко наблюдать под микроскопом в капиллярной сети лапки или брыжейки наркотизированной лягушки после введения в полость ее сердца растительного или вазелинового масла.
9.Тоны Короткова. Физические основы применения неинвазивного метода Короткова длят измерения систолического и диастолического давлений.
Накачанная воздухом манжетка пережимает сосуды, останавливая движение крови по ним. Затем ее медленно «спускают». В тот момент, когда напор крови в плечевой артерии немного превысит давление в манжетке, первая порция крови прорвется через препятствие и ударится о стенки артерии ниже «запруженного» места, издавая характерный звук (так называемый тон Короткова), который можно услышать при помощи фонендоскопа. Впрочем, те, кому приходится часто измерять давление самим себе, порой и без фонендоскопа - по собственным ощущениям - безошибочно определяют прорыв пульсовой волны через пережатый сосуд на руке. Давление в манжетке в это время равно систолическому.
По мере того как воздух будет выходить из нее, все большие порции крови начнут преодолевать «запруду». В конце концов манжетка перестанет пережимать плечевую артерию даже во время диастолы. Тогда кровь вновь заструится по ней непрерывным потоком, и тоны Короткова исчезнут. При этом показания на шкале тонометра будут соответствовать диастолическому давлению.
А как на практике?
Такова теория, а как добиться результата на практике?
1. Сядьте на стул справа от стола. Закатайте правый рукав повыше. Одежда не должна сдавливать руку.
2. Попросите кого-нибудь из близких надеть манжетку вам на плечо и закрепить ее так плотно, чтобы между ней и вашей кожей проходил только один палец.
3. Расслабьте мышцы, разогните руку и положите ее на стол ладонью вверх. Подсуньте под локоть кулак левой руки или небольшую подушечку, чтобы мембрана фонендоскопа как можно плотнее прилегала к максимально разогнутому локтевому сгибу.
4. Пусть ваш помощник подсоединит трубку разъемного манометра к манжетке и проверит положение стрелки: она должна находиться на нулевой отметке шкалы.
5. Попросите своего ассистента найти пульс на плечевой артерии в локтевой ямке и поставить на это место мембрану фонендоскопа.
6. Теперь ему следует перекрыть вентиль на груше и накачать воздух в манжетку, одновременно проверяя пульс на запястье и сверяясь с показателями манометра. Заметьте цифру, после которой пульс на запястье пропадает. Когда стрелка манометра на 30 мм рт.ст. превысит этот уровень, задача выполнена - надувать манжетку больше не нужно.
7. Ваш помощник должен открыть вентиль и потихоньку - примерно со скоростью 20 мм рт.ст. в секунду выпускать воздух из манжетки. Услышав первые ритмичные тоны Короткова, пусть отметит уровень систолического, а при резком ослаблении тонов - вплоть до исчезновения - величину диастолического давления, округлив цифры до 5 или 0.
8. Выпустите воздух из манжетки до конца, но с плеча пока не снимайте. Подождите 2-3 минуты и опять измерьте давление, а потом проделайте то же самое снова. Наименьший результат примите за истинные показатели.
Современные электронные тонометры измеряют АД «самостоятельно», для чего необходимо наложить манжетку на палец, запястье или плечо, однако точность первых не всегда высока.
Нормальным принято считать артериальное давление в возрасте 17-20 лет систолическое 100-120, а диастолическое 70-80 мм рт.ст., у лиц 21 года и старше - систолическое не выше 140, а диастолическое - не выше 90 мм рт.ст.
Прямые методы измерения кровяного давления. Определение величины кровяного давления (особенно артериального) очень важно для характеристики кровообращения. Дальше мы ознакомимся подробнее с факторами, влияющими на эту величину, здесь же необходимо указать на способы измерения кровяного давления. При прямом измерении кровяного давления (в опытах, а иногда и в клинике — пункции артерий при операциях) его величину определяют непосредственно манометром, присоединенным к кровеносному сосуду. Простейший, очень часто применяемый манометр — ртутный (рис. 50). Ввязанная в разрез обнаженного кровеносного сосуда трубочка (канюля) соединяется системой трубок с одним из колен U-образ-пого манометра. Бея система трубок (от крови до ртути) заполняется жидкостью, препятствующей свертыванию крови, например, насыщенным раствором соды или сернокисислого магния. Разность в высоте уровней ртути в обоих коленах манометра показывает величину кровяного давления в миллиметрах ртутного столба. Писчик, укрепленный на поплавке, плавающем на поверхности ртути, записывает все колебания кровяного давления на бумаге, передвигаемой барабаном кимографа.
Недостаток ртутного манометра заключается в его значительной инертности, ведущей к искажению картины колебаний кровяного давления в артериях. При кратковременном подъеме или кратковременном спадении давления ртуть в ртутном манометре не успевает подняться или опуститься до уровня истинной величины давления. Поэтому быстро меняющиеся колебания давления крови (например, колебания, связанные с каждым циклом сердечной деятельности) оказываются искаженными. Гораздо точнее регистрируются колебания кровяного давления с помощью манометров, имеющих малую манометры. Систолическое и диастолическое, пульсовое и среднее кровяное давление в артериях. Кровяное давление в артериях в течение сердечного цикла закономерно изменяется, достигая, как уже было сказано, максимума в начале каждой систолы и снижаясь до некоторого минимума к концу каждой диастолы. Соответственно с этим различают:
А. Систолическое, или максимальное, кровяное давление, устанавливающееся в артериях на короткий промежуток времени через 0,1—0,12 секунды после начала систолы (высшая точка кривых на рис. 51). В норме у человека это давление в крупных артериях составляет приблизительно 100—125 мм ртутного столба.
Б. Диастолическое, или минимальное, кровяное да-т вление, устанавливающееся в крупных артериях к самому концу диастолы (низшая точка кривых на рис. 51). В норме у человека эта величина лежит между 45 и 80 мм ртутного столба. Разность между величиной систолического и диастолического давления обозначается как пульсовое давление. Одинаковые по величине и направлению изменения систолического и диастолического давления не отражаются на величине пульсового давления.
Среднее давление. В обычном ртутном манометре (рис. 50) можно, как это впервые сделал М. И. Сеченов, соединить два его колена резиновой трубкой с надетым на нее винтовым зажимом. Если этим зажимом трубка, соединяющая оба колена манометра, сильно сужается, то через суженный просвет ртуть будет проходить настолько медленно, что быстрые колебания давления, связанные с сердечным циклом, будут заглушены. Тогда манометр покажет лишь равнодействующую всех толчков, испытываемых ртутью, — он отразит среднюю цифру давления крови.
На кривой, записанной малоинертным манометром, величину среднего давления можно определить как частное от деления площади (в квадратных сантиметрах), очерченной линией записи кровяного давления, на время (в секундах), в течение которого происходила запись давления. Делимым берется площадь, ограниченная сверху кривой давления, снизу — нулевой линией, а с боков — двумя перпендикуляр рами, опущенными до нулевой линии из двух произвольно выбранных, но обязательно одинаково расположенных точек кривой.