Corso di Fisica Fenomeni molecolari Prof Massimo Masera

Corso di Fisica Fenomeni molecolari Prof. Massimo Masera Corso di Laurea in Chimica e Tecnologia Farmaceutiche Anno Accademico 2011 -2012 dalle lezioni del prof. Roberto Cirio Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia 1

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

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

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

Bolle di sapone 5

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

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 7

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

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

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: q Sposto la barretta di un tratto x q Ottengo una DS = l. x q Compio un lavoro L = F. x q Attenzione: q le superfici sono 2 (vedi prima) !!! 10

Tensione superficiale di alcune sostanze Sostanza Tensione superficiale (N. m-1) Mercurio (20 o. C) 0. 44 Sangue intero (37 o. C) 0. 058 Plasma (37 o. C) 0. 073 Acqua (0 o. C) 0. 076 Acqua (20 o. C) 0. 072 Acqua (100 o. C) 0. 059 q t si misura in N. m-1 Se t è grande devo: ü Compiere L grande ü Applicare F grande 11

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

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

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

Esercizio Qual è il raggio della più piccola goccia sferica di acqua che si può formare senza evaporare (confrontare: tensione di vapore) ? Condizioni a contorno tacqua = 7. 2. 10 -2 N. m-1 Tensione di vapore = 2. 33. 103 Pa 15

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

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

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

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

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

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

Esercizio n. 7. 3, pag. 162 Borsa-Scannicchio A quale altezza arriverà il menisco dell’acqua a 20 o. C 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 = 25 o qacqua-paraffina = 107 o ? ? 22

Esercizio n. 7. 3, pag. 162 Borsa-Scannicchio A quale altezza arriverà il menisco dell’acqua a 20 o. C 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 = 25 o qacqua-paraffina = 107 o • • • Con Con q= q> q< 90 o h h h= 0 <0 >0 23

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

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

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

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: 27