Corso di Fisica - Fenomeni molecolari

1. Corso di Fisica-Fenomenimolecolari Prof. Massimo Masera Corso di Laurea in Chimica e TecnologiaFarmaceutiche Anno Accademico 2011-2012 dallelezioni del prof. Roberto Cirio Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia

2. La lezione di oggi • Le interazioni tra molecole alla superficie di un liquido generano fenomeni come: • tensione superficiale • capillarità • In medicina: • Equilibrio alveolare

3. La tensione superficiale • La legge di Laplace • La capillarità • Equilibrio alveolare

4. Osservazione sperimentale Un insetto cammina sull’acqua come se se la superficie fosse un sottile foglio di gomma

5. Bolle di sapone

6. Goccia di liquido OSSERVAZIONE Le gocce sono sferiche • Molecole • Forze attrattive tra molecole • All’interno: risultante delle forze = 0 • Equilibrio

7. Goccia di liquido • Molecola vicino alla superficie • Forza risultante diversa da 0 • Tende a spingerla all’interno della goccia • Devo compiere lavoro per andare verso la superficie • Energia del fluido aumenta per ogni molecola spostata verso la superficie La sfera è la configurazione ad energia minima

8. In natura, le configurazioni ad energia minima sono favorite … tende a ritornare sferica Una goccia deformata … • La forza peso dell’insetto tende a fare aumentare la superficie dell’acqua • Le forze di tensione superficiale si oppongono

9. Tensione superficiale (t ):definizione operativa “fil di ferro” Forza applicata sottile pellicola di liquido Vista da sopra Vista laterale • F tende ad aumentare la superficie di liquido • t si oppone • Ho 2 superfici in gioco

10. Tensione superficiale • La F è applicata al fil di ferro • Risultato: la superficie del liquido aumenta • Porto verso la superficie di interfaccia un certo numero di molecole che erano all’interno della pellicola • La forza data dalla tensione superficiale (t) si oppone • Devo compiere un lavoro • Il lavoro (L) è proporzionale all’aumento di superficie (DS) • Definisco, operativamente: • Sposto la barretta di un tratto x • Ottengo una DS = l. x • Compio un lavoro L = F. x • Attenzione: • le superfici sono 2 (vedi prima) !!!

11. Tensione superficiale di alcune sostanze • t si misura in N.m-1 • Se t è grande devo: • Compiere L grande • Applicare F grande

12. y La legge di Laplace Domanda: quali forze agiscono su una goccia ? • Differenza di pressione (interno/esterno) • Tensione superficiale del fluido Fpressione • Considero mezza goccia • Pressione: vettori F perpendicolari alla superficie sferica Ftensione superficiale • Tensione superficiale: vettori lungo la circonferenza

13. Fpressione Ftens. superficiale y La legge di Laplace All’equilibrio: Legge di Laplace per una goccia sferica Legge di Laplace per una bolla sferica Legge di Laplace per un tubo cilindrico

14. La tensione di vapore • Liquido in equilibrio con il suo vapore (stato aeriforme intermedio tra liquido e gas) •  tensione di vapore • Nota: Pressione di vapore = Tensione di vapore • Pressione necessaria a impedire ad altro liquido di evaporare • Goccia di liquido in equilibrio con il suo vapore: • DP= tensione di vapore

15. Esercizio Qual è il raggio della più piccola goccia sferica di acqua che si può formare senza evaporare (confrontare: tensione di vapore) ? tacqua = 7.2.10-2 N.m-1 Tensione di vapore = 2.33.103Pa Condizioni a contorno

16. La tensione superficiale • La legge di Laplace • La capillarità • Equilibrio alveolare

17. Il fenomeno della capillarità q q • Sperimentalmente osservo: • Acqua “sale” in un tubo di vetro • (“bagna il vetro”) menisco • Mercurio “scende” in un tubo di vetro • (“non bagna il vetro”) q • Forza di coesione: • forze tra molecole dello stesso tipo • Forze di adesione: • forze tra molecole di tipo diverso q • Acqua + Vetro: Adesione > Coesione • Mercurio + Vetro: Adesione < Coesione

18. Il fenomeno della capillarità q < 90o q > 90o

19. Il fenomeno della capillarità Visto dall’alto. l vale 2pr F F F q

20. Il fenomeno della capillarità Fcapillarita deve bilanciare il peso del liquido sollevato

21. La legge di Jurin h Altezza della colonna di liquido, fino al menisco (superficie curva) • Con q = 90o  h = 0 • Con q > 90o  h < 0 • Con q < 90o  h > 0

22. Esercizio n. 7.3, pag. 162 Borsa-Scannicchio A quale altezza arriverà il menisco dell’acqua a 20 oC in un tubo di raggio pari a 0.5 mm se esso è fatto di vetro (1) oppure di paraffina (2) ? tacqua = 0.072 N.m-1 qacqua-vetro = 25o qacqua-paraffina = 107o ? ?

23. Esercizio n. 7.3, pag. 162 Borsa-Scannicchio A quale altezza arriverà il menisco dell’acqua a 20 oC in un tubo di raggio pari a 0.5 mm se esso è fatto di vetro (1) oppure di paraffina (2) ? tacqua = 0.072 N.m-1 qacqua-vetro = 25o qacqua-paraffina = 107o • Con q= 90o  h = 0 • Con q> 90o  h < 0 • Con q< 90o  h > 0

24. La tensione superficiale • La legge di Laplace • La capillarità • Equilibrio alveolare

25. L’esperienza del palloncino Rorecchio< Rcorpo Porecchio > Pcorpo

26. Legge di Laplace per una bolla sferica 1 2 Equilibrio alveolare Modello fisico degli alveoli polmonari • Sfere cave collegate da sottili condotti • Doppio strato • Interno: acqua (vapore saturo) • Esterno: strato elastico Se avessi solo lo strato di acqua R2 < R1 PL2 > PL1 1 aumenta di volume a spese di 2 • Se fosse così, gli alveoli piccoli collasserebbero • Nella realtà: • Elasticità tessuto • tdel liquido che li bagna aumenta al diminuire di R

27. Riassumendo I fenomeni molecolari danno effetti macroscopici quando considero le interfacce tra elementi diversi In medicina, vi sono moltissimi casi di questo genere (tra gli altri, l’embolia e gli alveoli polmonari) Prossima lezione: esercizi !