Питание

От чего зависит эффективный диаметр молекулы. Определение средней длины свободного пробега и эффективного диаметра молекул воздуха

Цель работы: изучение явлений переноса вгазах; экспериментальное определение коэффициента динамической вязкости, средней длины свободного пробега и эффективного диаметра молекул.

Основные понятия

Молекулы газов, совершающие тепловое движение, движутся по ло­маным линиям, состоящим из отрезков прямых. Изломы траектории обу­словлены столкновениями молекул друг с другом. Длиной свободного пробега молекулы называется путь, проходимый ею между двумя последо­вательными столкновениями. Эта величина меняется от столкновения к столкновению, поэтому говорят о средней длине свободного пробега <>.

Клинически доказано распыление через мундштук, наиболее эффективный метод ингаляции. Когда это возможно, мы должны использовать его вместо маски. Если мундштук не распыляется, можно использовать маску. Важным фактором эффективности лечения является хорошая подгонка маски. Плохо выбранное снижает количество препарата, попадающего в легкие на 50%. В настоящее время маски доступны в самых разных размерах, что облегчает поиск подходящего для вас или вашего ребенка. Кроме того, это маски нового поколения, оснащенные специальными мягкими уплотнениями.

Для определения <> нужно разделить весь путь, пройденный молекулой за1с и численно равный ее среднеарифметической скорости, на среднее число столкновений ,испытываемых молекулой за секунду:

Если считать молекулы упругими шариками радиусаr,то минималь­ное расстояниеD, на которое могут сблизиться их центры, не может быть меньше 2r. Расстояние Dназывается эффективным диаметром молекулы. Будем считать, что молекулы взаимодействуют только при непосредствен­ном соприкосновении по законам столкновения упругих шаров. Определим среднее число соударений ,испытываемое молекулой за секунду. Для упрощения расчетов предположим, что все остальные молекулы, кроме рассматриваемой, неподвижны; выбранная молекула движется со скоро­стью равной средней арифметической скорости <>. Данная молекула бу­дет сталкиваться только с теми молекулами, центры которых попадают внутрь ломаного цилиндра радиуса D.Спрямляя данный цилиндр, получим незначительную ошибку при подсчете его объема, так как длина его

В более точной и удобной форме они вписываются в лицо. Сначала ребенок может быть неправильно направлен на маску, особенно когда он или она раздражительны или нездоровы. Благодаря терпению и творчеству родителя и организации удовольствия ребенка во время распыления, можно преодолеть сопротивление и провести спокойную атмосферу.

Самые большие мифы об аэрозольной терапии включают мнение о том, что небулайзеры с мундштуком в виде соски рекомендуются для неонатальных и маленьких детей. Идея создания рупора, ориентированного на самого молодого, была очень хорошей. Дети привыкли к соску, более вероятно, чтобы получить мундштук в форме, что позволило родителям без проблем распылить. К сожалению, исследования показали, что эта процедура неэффективна. Конструкция заставляет большую часть тумана попасть в нижние дыхательные пути ребенка, но в носовую полость и глаза.

участков гораздо больше диаметра: >>D. За единицу времени рассмат­риваемая молекула столкнется с молекулами, лежащими внутри цилиндра, имеющего высоту <>: =D 2 <>n, гдеn -концентрация молекул. При учете движения других молекул получится: =2D 2 <>n. Тогда средняя длина свободного пробега:


(1)

Когда вы даете ребенку сосок, он вызывает сосательный эффект, который заставляет дымку, которая не выходит и не может попасть в легкие, идет в желудок. В дополнение к отсутствию терапевтического распыления дети имеют побочные эффекты в виде раздражения глаз и желудочных симптомов. Для младенцев и малышей намного лучше получить красивую маску для новорожденных.

Если вы купите комплект распылителя, который будет использоваться ребенком, обратите внимание на длину воздушного шланга. Достаточно долго обеспечит свободное передвижение детей во время лечения. Кроме того, это позволит нам оставить компрессор в другой комнате, чем распыленный ребенок, если он плохо реагирует на звуковой компрессор.

Так как для идеального газа Р =nkT, эффективный диаметр моле­кул газа и соответствии с (1)можно находить по формуле:


(2)

где k= 1,38*10 -23 Дж/К -постоянная Больцмана, Р -давление газа, Т -его температура.

Беспорядочность теплового движения молекул газа, непрерывные со­ударения между ними приводят к постоянному перемешиванию частиц и изменению их скоростей и энергии. Если в газе существует пространствен­ная неоднородность плотности, температуры или скорости упорядоченного перемещения отдельных слоев газа, то движение молекул выравнивает эти неоднородности. При этом в газе происходят особые необратимые процес­сы, объединенные общим названием явлений переноса. Явление переноса массы называется диффузией, внутреннее трение -перенос количества движения. Перенос массы, энер­гии и количества движения всегда происходит в направлении, обратном их градиенту; система при этом приближается к состоянию термодинамиче­ского равновесия. Механизм указанных явлений одинаков; они описыва­ются единым уравнением явлений переноса:

Для повышения эффективности распылителей они оснащены различными типами клапанов. Один из них - регулируемый клапан, который позволяет быстрее и эффективнее поставлять препарат. Держатели таких небулайзеров могут регулировать расход для человека, который в настоящее время распыляется. Небулайзер с описанным клапаном идеально подходит для домашнего использования, когда дети и взрослые используют одно и то же устройство, потому что детям рекомендуется иметь более низкие скорости потока. В дополнение к этому есть также сберегающие клапаны, которые позволяют испускать туман только во время вдоха.


(3)

где  -любая физическая характеристика, которую переносят молекулы,N -число молекул, участвующих в явлении,S- размер площадки, через которую происходит перенос,n -концентрация молекул.t -время переноса.

Отношение

является модулем градиен­та величины (n) и харак­теризует быстроту изменения этой величины на единицу длины в направле­нии, перпендикулярном к площадкеS. На рис.1 ко­личество (n) убывает в положительном направле­нии ОХ; оно равно (n) 1 слева от площадкиSи (n) 2 справа от неё. В этом случае преимущест­венный перенос (n) происходит слева направо. Знак "минус" в уравнении(3) выражает, что перенос происходит в направлении, противоположном направлению градиента.

Такой механизм вызывает меньшую потерю лекарств и, как результат, более эффективное распыление. Хотя комплекты распылителей, включающие питомец-компрессор, смотрят на покупателей, которые часто непрофессиональны, они могут выполнять свою работу не хуже обычных. Их дизайн более дружелюбен к детям, поэтому они с большей вероятностью будут использовать их. Не забудьте проверить наиболее важные параметры, чтобы убедиться, что питомец-компрессор не станет новой игрушкой в ​​нашем доме и будет полезен для распыления.

Покупая небулайзер, мы должны сосредоточиться прежде всего на выборе того, который лучше всего отвечает нашим потребностям и позволяет эффективно распылять. Если мы сможем найти несколько устройств, которые удовлетворяют нас в равной степени, стоит обратить внимание на элементы, входящие в комплект. При транспортировке небулайзера потребуется переносная сумка. Микронизирующая система орошения идеально подходит для очистки и увлажнения полости носа.

В случае диффузии переносимой физической характеристикой являет­ся масса и  = m 0 - массе молекулы; для теплопроводности =,где- энергия теплового движения молекул.

Рассмотрим явление внутреннего трения. Пусть в потоке газа скорость течения убывает в направлении ОХ (рис.2). Рассмотрим воображаемую площадку S ,по которой соприкасаются два соседних слоя газа;

Аэрозольная терапия - Способ применения лекарственных веществ, вводимых в виде аэрозоля и вдыхаемых пациентом. В противном случае это называется ингаляционной терапией. Рекомендуется для заболеваний дыхательных путей, легких и даже ушей. Поглощение наркотиков - процесс абсорбции телом терапевтических активных веществ, состоящий в их превращении в ткани тела или в кровоток, откуда они затем переносятся на место надлежащего действия. Степень абсорбции может зависеть, в частности, от способа введения, дозы и других факторов, которые являются результатом способа введения.



обозначим U 1 иU 2 скорости течения на расстояниях <> от этой площадки. На хаотическое движение молекул належится направленное движение со ско­ростью потокаU, вследствие чего молекулы верхнего слоя будут обладать большим импульсом, чем молекулы нижнего слоя:m 0 U 1

Астма - хронические респираторные заболевания, проявления одышки, кашель или другие затруднения дыхания. Наиболее часто упоминаются аллергические реакции, воспаление или генетические состояния, а также факторы окружающей среды. Аллергия - иммунная реакция организма на различные вещества, с которыми он контактирует. Его симптомы не должны быть ворчащими, но иногда это опасно для жизни или здоровья.

Молекула - группа атомов, связанных химической связью. В случае благородных газов молекулы иногда называют одиночными атомами. Для эффективной аэрозольной терапии аэрозольные частицы должны быть не более 5 мкм. В настоящее время молекулярная масса используется при описании свойств молекулы.

В случае внутреннего трения переносимой физической величиной яв­ляется импульс молекулы  =m 0 U. Поскольку концентрацияnмолекул одинакова во всем объеме газа, можно записать:

(n)=(nm 0 U)=nm 0 U, где U=U 2 -U 1

К

роме того, величина(N)=К -это изменение импульса одного слоя относительно другого за времяt. Поскольку изменение импульса равно импульсу действующей силы, тоК = Ft ,гдеF -сила взаимо­действия между слоями газа, действующая в плоскости их соприкоснове­ния, т.е. сила внутреннего трения. При учете полученных соотношений уравнение переноса (3)примет вид: Сократим это равенство наtи учтем, чтоnm 0 =тогда

Поскольку молекула состоит из атомов, мы рассматриваем сумму их относительных атомных масс как молекулярные массы. Аэрозольное облако. Указанная доза аэрозоля, содержащая лекарственные вещества, вводится пациенту чаще всего с помощью распылителя. Аэрозоль называется жидкими частицами, распространяющимися в воздухе, что приводит к распылению. Облако должно удовлетворять определенным требованиям относительно процента частиц, достаточно маленьких, чтобы проникать в нижние дыхательные пути.

Нижние дыхательные пути - нижние дыхательные пути. Мы включаем трахею, бронхи и легкие. Необходимым и принципиально важным элементом устройства называется пневматический ингалятор или распылитель, расположенный над резервуаром для лекарственного вещества. Конструкция сопла позволяет рассеивать жидкие молекулы в воздухе, так что мы получаем лекарственное средство в виде аэрозоля, а затем вдыхаем пациент.


(4)

Сравнивая эту формулу с эмпирически полученным выражением для силы внутреннего трения (законом Ньютона)

Дозировка - конкретные рекомендации для дозы препарата, подлежащего введению. Это должно быть предписано врачом, иначе пациент должен следовать указаниям в листовке или информации, полученной от фармацевта. Эффективность ингаляции - степень действия ингаляционной терапии. Если после определенной стадии терапии окажется неэффективным, врач обычно меняет тип лекарства, его дозировку или другой способ введения. Эффективность вдыхания также может влиять на качество ингалятора, то есть его способность достигать необходимой респираторной фракции.


(5)


(6)

Динамическая вязкость равна силе внутреннего трения, действую­щей на единицу площади поверхности слоя при градиенте скорости, рав­ном единице.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 115

Фильтры - фильтры для распыления используются для очистки воздуха, используемого устройством, для защиты от его хранения. Дыхательная фракция. Таким образом, мы определяем процент частиц в аэрозольном облаке, которые способны переноситься в нижние дыхательные пути. Эти частицы могут быть не более 5 мкм. Величина фракции зависит от эффективности и качества распылителя. Лучше всего доля 80%.

Верхние дыхательные пути - верхние дыхательные пути. Мы включаем гортань, горло, полость носа. Объем устройства - объем ингалятора важен для его функциональности, особенно если он используется для лечения маленьких детей. Устройство, которое генерирует слишком много шума, может вызвать беспокойство и сопротивление у ребенка до того, как он подвергнется хирургическому вмешательству. Это также относится к взрослым, которым приходится вдыхать в течение длительного времени, поскольку воздействие длительных шумов может быть вредным для слуха или здоровья в целом.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ ДЛИНЫ СВОБОДНОГО ПРОБЕГА И ЭФФЕКТИВНОГО ДИАМЕТРА МОЛЕКУЛ ВОЗДУХА

Цель работы: определить среднюю длину свободного пробега и эффективный диаметр молекул воздуха по его коэффициенту внутреннего трения, плотности и средней квадратичной скорости молекул.

Приборы и принадлежности: экспериментальная установка, секундомер, мерный цилиндр, термометр, барометр.

Глубокое дыхание. Это очень важно при аэрозольной терапии. Это помогает проникнуть в молекулы лекарств, где они будут работать наиболее эффективно. Рекомендуется, чтобы вы нормально дышали во время ингаляционного периода, время от времени вытягивая воздух и останавливаясь в течение длительного времени.

Гигиеническая ингаляция - Общие принципы аэрозольной терапии, начиная с чистоты ингаляционного оборудования, а также рекомендаций относительно самой процедуры, положения и продолжительности вдоха. Ингалятор - устройство для введения лекарственных веществ при вдыхании. Существует несколько типов ингаляторов. Так называемые карманные ингаляторы включают порошковые и напорные ингаляторы. Пневматические, ультразвуковые или диафрагменные ингаляторы называются распылителями. Эффект последнего основан на процессе распыления, т.е. рассеянии жидкости в воздухе.

Теория метода. В данной работе средняя длина свободного пробега и эффективный диаметр молекул определяются по коэффициенту внутреннего трения (вязкости) воздуха.

Из молекулярно-кинетической теории следует формула, связывающая вязкость η газа со средней длиной свободного пробега молекул:


,где ρ – плотность газа. (1)

Этот термин используется взаимозаменяемо с термином «распылитель», но на самом деле последний является лишь частью всего устройства, называемого ингалятором. Компрессор - это один из компонентов набора для ингаляции. Он оснащен фильтром для двигателя и воздухоочистителя, взятым из окружающей среды. Затем воздух переносится в распылитель, где он используется для процесса распыления или рассеивания жидких частиц в воздухе.

Катар - общий термин для ринита, симптом воспаления слизистой оболочки носовой полости. Это считается чрезвычайно хлопотным, хотя обычно это безопасно. Он уходит сам по себе, но лечение часто используется для облегчения этого плохого симптома. Ингаляторы - Терапевтические вещества, предназначенные для использования путем ингаляции, обычно путем ингаляции.

Таким образом,

,
где - средняя арифметическая скорость молекул (2)

Коэффициент вязкости можно найти по известной формуле Пуазейля для расчета объема V жидкости или газа, протекающего ламинарно через поперечное сечение капилляра радиуса r за время t при разности Δp давлений на концах капилляра длинойl:

Комбинированные препараты - лекарственные средства, сочетающие действие нескольких традиционных лекарственных средств, содержащих более одного активного вещества. Комбинированная терапия облегчает работу людей с различными лекарственными средствами, что затрудняет поддержание адекватных режимов дозирования.

Маска - часть комплекта распылителя, которая помогает направлять аэрозольное облако прямо в рот и нос лица, которого лечат. Чаще всего продаются устройствам маски разных размеров, поэтому можно использовать один ингалятор. как взрослыми, так и детьми.


. (3)


. (4)

Все величины, входящие в эту формулу, легко поддаются измерению.

Среднюю арифметическую скорость молекул газа, согласно молекулярно-кинетической теории, можно рассчитать по формуле:

Кистозный фиброз - неизлечимое хроническое заболевание с генетическим фоном. Он имеет системные симптомы, такие как чрезмерное продуцирование вязкой слизи в пораженных органах, что препятствует функционированию дыхательной системы, а также пищеварительной и репродуктивной. Прежде всего, для облегчения удаления слизи и для оказания помощи в функционировании пораженного органа требуется симптоматическое лечение.

Диафрагма - мембранный небулайзерный элемент, через который лекарственное вещество остается в жидкой фазе, накачивается. В результате получают частицы аэрозольного препарата, которые затем вдыхаются аэрозольным человеком. Небулайзер - основная часть устройства, называемая ингалятором, которая работает, создавая аэрозоль, который вызван механической дисперсией в воздухе лекарственного вещества, находящегося в жидком состоянии. Часто упоминается как распылитель, весь комплект для распыления или ингалятор.


, (5)

где R – молярная газовая постоянная, Т – абсолютная температура в Кельвинах, М – молярная масса воздуха.

Из уравнения Менделеева-Клапейрона можно выразить плотность газа через давление р и температуру Т:


. (6)

Подставляя выражения (4), (5), (6) в формулу (2), получим (в единицах СИ):


(7)

Разность давлений Δp может быть найдена по формуле:


,(8)

где h 1 и h 2 – высоты уровней воды в сосуде А (рис.1), g – ускорение свободного падения, ρ – плотность воды.

Для определения эффективного диаметра d молекулы воспользуемся формулой для средней длины свободного пробега:


, (9)

связывающей среднюю длину свободного пробега молекул с их числом n в единице объема газа.

Молекулярную концентрацию n при условиях опыта можно найти из уравнения состояния идеального газа p = n*k*T:


, (10)

где n 0 = 2,69*10 25 м –3 – концентрация молекул (число Лошмидта) в нормальном состоянии (т.е. при Т н = 273,15 К и р н = 760 мм.рт.ст. = 1,013*10 5 Па)

Из выражений (9) и (10) получим формулу для расчета эффективного диаметра молекулы газа (в единицах СИ):


, (11)

Численное значение нами было найдено ранее по формуле (7).

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Для определения средней длины свободного пробега и расчета эффективного диаметра молекул воздуха используется установка, состоящая из капилляра l, сосуда А с краном К и мерного цилиндра В (рис. 1).

Сосуд заполняется водой и закрывается притертой пробкой с капилляром l. Если открыть кран К, то вода сначала будет вытекать из сосуда непрерывной струей, а затем отдельными каплями. При этом в капилляре установится течение воздуха, обусловленное разностью давлений на его концах:

р атм – (р атм – p 1 gh 2) = p 1 gh 2 (12)

Сосуд снабжен шкалой, с помощью которой можно определить уровень воды в нем. Под сосудом устанавливается мерный цилиндр для определения объема вытекшей жидкости.

Очевидно, в установившемся режиме объем воздуха, поступившего через капилляр в сосуд воздуха равен объему вытекшей за то же время из сосуда воды.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Поставьте под сосуд химический стакан, закройте пальцем капилляр и откройте кран К. Дождавшись, когда вода перестанет вытекать из сосуда, уберите стакан и подставьте вместо него мерный цилиндр. Замерив по шкале начальную высоту уровня воды h 1 в сосуде, откройте капилляр и одновременно включите секундомер.

2. Через две минуты закройте кран и остановите секундомер.

3. Запишите время истечения жидкости t, конечную высоту уровня воды h 2 и объем вытекшей воды V.

4. Опыт проведите три раза.

5. Вычислите Δp по формуле 8, приняв за плотность воды ρ 1 = 10 3 кг/м 3 .

6. Определите температуру Т по комнатному термометру и атмосферное давление Р по барометру.

7. Для каждого опыта по формуле (7) рассчитайте среднюю длину свободного пробега молекул воздуха. Значения радиуса r и длины l капилляра приведены на установке.

8. Найдите среднее арифметическое значение результатов измерений:

.

9. Оцените ошибки измерений, окончательный результат запишите в виде:

,

при δ = 0,95 и N = 3.

Здесь

;t δ (N) = 4,30 – коэффициент Стьюдента при доверительной вероятности δ = 0,95 и числе измерений N = 3; -средняя квадратичная погрешность результата измерений

.

10. Используя найденное значение

, по формуле (11) рассчитайте эффективный диаметр d молекул воздуха.

11. Результаты измерений и расчетов запишите в таблицу.

ТАБЛИЦА

N

V, м

T, K

P, Па

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

    Что называется средней длиной свободного пробега молекул газа? Как связаны между собой эти величины?

    Зависит ли средняя длина свободного пробега молекул от температуры газа? давления? Почему?

    Дайте определение следующих процессов: теплопроводности, диффузии, вязкости. Почему их называют явлениями переноса?

    Запишите формулу Пуазейля для потока вязкой жидкости и газа.

    Запишите уравнение состояния идеального газа.

    Какие свойства теплового движения молекул газа отражает распределение Максвелла?

    Запишите выражения для характерных тепловых скоростей молекул идеального газа в состоянии равновесия.

ЛИТЕРАТУРА

    Савельев И.В. Курс общей физики. Т.1., М.: Наука, 1989, с. 140, 269, 274, 278.

    Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высш. Школа, 1990, с. 55, 57, 81, 84.