NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC LÝ SINH = Y1 ĐẠI HỌC Y DƯỢC THÀNH PHỐ HCM

PowerPoint Presentation 2  Nắm được nội dung, ý nghĩa của nguyên lý thứ nhất và nguyên lý thư hai nhiệt động lực học  Vận dụng các nguyên lý để nghiên cứu các quá trình cân bằng, chiều diễn biến của.

 Áp dụng các nguyên lý thứ nhất và thứ hai nhiệt động lực học đối với hệ thống sống

Mục tiêu

1 Hệ nhiệt động (hệ)

Là một vật thể hay một tập hợp số lớn các phần tử vật chất được giới hạn trong một khoảng khơng gian xác định và thường được tưởng tượng là tách biệt với mơi trường xung quanh

I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

RANH GIỚI

HỆ MƠI TRƯỜNG XUNG QUANH

2 Nội năng U

Là đại lượng đặc trưng có mức độ vận động của vật chất bên trong hệ đó

Năng lượng của hệ gồm: W = W đ + W t + U

động năng thế năng nội năng của hệ

NĐLH : Wđ = Wt = 0 •¨ W = U là một hàm của trạng thái

6

3 Công và nhiệt lượng (gọi tắt là nhiệt)

mức độ chuyển động có trật tự của toàn bộ hệ hay

pittông chuyển động )

vật ,vận tốc các phân tử gia tăng lên )

- Công và nhiệt đều là hàm của quá trình và có thể

chuyển hóa lẫn nhau

8

II NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

1 Phát biểu :

Nhiệt lượng mà hệ nhận được trong quá trình biến

đổi bằng tổng cơng mà hệ sinh ra và độ biến thiên

nơi năng của hệ trong quá trình biến đổi đĩ

Trong một biến đổi vơ cùng nhỏ, biểu thức được viết lại là:

Q = dU + A

Quy ước:

+ Nếu A > 0 hệ sinh cơng, A < 0 hệ nhận cơng

+ Nếu Q > 0 hệ nhận nhiệt, Q < 0 hệ tỏa nhiệt

+ Nếu U > 0 (tức U 2 > U 1 ) nội năng của hệ tăng,

U < 0 (U 2 < U 1 ) nội năng của hệ giảm

Vậy hệ nhân công (A < 0 ), hệ sẽ tỏa nhiệt (Q <0 )

(nguyên tắc của máy làm lạnh).Ngược lại, hệ sinh công, hệ phải nhận nhiệt (nguyên tắc của động cơ nổ, máy hơi

nước…)một lượng tương ứng

loại 1”.

9

10

Hệ cô lập :

A = Q = 0 ( nguyên lý I)  U = 0 hay U2 = U1

“ Nội năng của một hệ cô lập được bảo toàn”

- Nếu hệ cô lập gồm 2 vật chỉ trao đổi nhiệt với

nhau:

Nhiệt lượng do vật này tỏa ra bằng nhiệt lượng

do vật kia nhận được

1 Trạng thái cân bằng và quá trình cân bằng

+ Trạng thái cân bằng : là trạng thái mà hệ không

biến đổi theo thời gian ( mọi thông số trạng thái ở đó

là hoàn toàn xác định) và nếu không có tác dụng bên

III ỨNG DỤNG CỦA NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT

ĐỘNG LỰC HỌC – NHIỆT DUNG RIÊNG

Quá trình đủ chậm = quá trình cân bằng

+ Công A mà khí sinh ra trong quá

+ Nhiệt lượng Q mà hệ nhận được trong quá trình cân bằng

m (kg) : khối lượng hệ dT :độ biến thiên nhiệt độ

c (J/kg.độ) :nhiệt dung riêng

Lưu ý:

Nhiệt dung riêng

là nhiệt lượng cần thiết để một đơn vị khối lượng (kg) của

hệ nhận được để đưa nhiệt độ của nó tăng lên 1 độ

Nhiệt dung riêng phân tử : C = µ c

là nhiệt lượng mà 1 kmol chất khí nhận được để nhiệt

độ của nó tăng lên 1 độ

m dT





Bây giờ ta tính A , Q và U trong các quá trình

4 Trong quá trình đẳng tích:

V = const ⇒ dV = 0 ⇒ A = 0 nguyên lý I Q v = U (*)

- Nhiệt lượng mà hệ nhận được trong quá trình đẳng

tích bằng độ tăng nội năng của hệ

i



6 Trong quá trình đẳng nhiệt

- T = const ⇒ dT = 0 ⇒ ∆U = 0 Nguyên lý I Q T = A T

- Nhiệt lượng mà hệ nhận được đều biến thành

công mà hệ sinh ra

.

V V

7 Trong quá trình đoạn nhiệt

TV  - 1 = const

pV = const (phương trình Poisson)

γ = Cp/Cv : hệ số Poisson hay chỉ số đoạn nhiệt

1-γ γ

T.p = const

III NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

ÁP DỤNG CHO HỆ THỐNG SỐNG

1 Các dạng công – năng lượng trong cơ thể

- Công : Có 4 dạng cơ bản

cao phân tử ( protid , acid nucleotid ) từ các chất có trọng lượng phân tử thấp và khi thực hiện các phản ứng hóa học xác định

, cơ quan trong cơ thể hay toàn bộ cơ thể nhờ lực cơ học (

co cơ )

20

Công thẩm thấu : là công sinh ra khi vận chuyển các chất khác nhau qua màng hay qua các hệ đa màng từ vùng có

nồng độ thấp sang vùng có nồng độ cao hơn

điện (các ion) trong điện trường, sinh ra điện thế sinh vật

và dẫn truyền kích thích trong tế bào

Năng lượng :

Là năng lượng hóa học của thức ăn (protid, lipid,

glucid) tỏa ra khi bị oxy hóa Đối với thực vật , là năng

lượng mặt trời dự trữ trong quá trình quang hợp Năng lượng này cũng được động vật sử dụng khi ăn thực vật Đầu tiên năng lượng được chuyển thành liên kết cao năng của những chất nào đó mà chủ yếu là adenosin

triphosphat (ATP) chiếm 50% Sau đó ATP phân hủy

trong những tổ chức tương ứng của tế bào và giải

phóng tại đó nguồn năng lượng cần thiết để sinh công ATP + H2 O •¨ ADP + H3PO4 + (7 ~ 8,5 Kcal )

22

ATP

ADP + P

Công cơ học

2 Nhiệt sơ cấp Q 1 và nhiệt thứ cấp Q 2 :

Nhiệt sơ cấp (hay nhiệt cơ bản) :

- Là lượng nhiệt tán xạ trong quá trình trao đổi chất

(Tổng hợp ,phân hủy ATP ) được quy định bởi tính bất

thuận nghịch của các phản ứng hóa sinh và lý sinh

- Tỷ lệ với cường độ quá trình trao đổi chất và tỷ lệ

nghịch với hiệu suất của chúng

- Là lượng nhiệt sinh ra trong các quá trình sinh

công khác nhau

- Tỷ lệ với hoạt tính của mô , hoạt động co cơ

24

3 Nguyên lý thứ nhất NĐLH học áp dụng cho

hệ thống sống

Q : nhiệt lượng sinh ra trong quá trình đồng hóa thức ăn

M : năng lượng dự trữ dưới dạng hóa năng ( phân tử ATP,

ADP…) trong cơ thể

E : năng lượng mất mát vào môi trường xung quanh (năng

lượng khuyếch tán )

A : công cơ học cơ thể thực hiện đối với môi trường bên ngoài

Nguyên lý thứ nhất NĐLH áp dụng cho hệ thống sống được viết :

Q = M + E + A

(phương trình cơ bản về cân bằng nhiệt đối với cơ thể người.)

25

Giá trị năng lượng nhận được bằng phương pháp đo nhiệt

gián tiếp gần như trùng với nhiệt lượng đo bằng phương

pháp trực tiếp trong thí nghiệm (chính xác tới 1%)

Cân bằng năng lượng của người trong một ngày đêm

Một trong những nguyên nhân còn sai lệch là dù cơ thể

đứng yên thì công sinh ra cũng không thể bằng không

26

•- Hệ quả (định luật Hess )

”Hiệu ứng nhiệt (Qv và Qp) của một quá trình hóa

học phức tạp không phụ thuộc vào các giai đoạn

trung gian mà chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và

trạng thái cuối của quá trình “

Định luật cho ta tìm được hiệu ứng nhiệt của các phản ứng

+ không thể xảy ra trong điều kiện thí nghiệm

+ không đo trực tiếp hiệu ứng nhiệt của chúng được

27

28

IV NGUYÊN LÝ THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

1 Những hạn chế của nguyên lý thứ nhất NĐLH

- Chiều diễn biến quá trình: Nóng →lạnh → Nóng (không xảy ra )

- Khả năng xảy ra : Công →Nhiệt → Công (không hoàn toàn)

2 Quá trình thuận nghịch – bất thuận nghịch:

- Quá trình thuận nghịch :

Khi quá trình biến đổi ngược lại, hệ đi qua các trạng thái trung gian như trong quá trình thuận và khi hệ trở về trạng thái ban đầu thì môi trường bên ngoài không bị thay đổi

-Quá trình bất thuận nghịch :

Khi quá trình biến đổi ngược lại hệ không qua các trạng thái trung gian như trong quá trình thuận và khi hệ trở về trạng thái ban đầu thì môi trường bên ngoài bị thay đổi

VD: Ly cà phê nóng → lạnh đi khi

tiếp xúc môi trường không khí

Ngược lại, → nóng lên bằng cách lấy nhiệt từ môi trường

Thực tế, mọi quá trình vĩ mô xảy ra trong tự nhiên hoặc

vì biến đổi nhanh hoặc bao giờ cũng có sự tỏa nhiệt do

ma sát…đều là quá trình bất thuận nghịch

30

3 Nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học

a Phát biểu của Planck ( Định tính )

ùKhông thể chế tạo được một động cơ thực hiện

một chu trình biến đổi để sinh công mà chỉ nhận

nhiệt lượng từ nguồn nhiệt duy nhất”

• Ýù nghĩa : phủ định loại động cơ chỉ nhận nhiệt

lượng từ một nguồn nhiệt duy nhất mà vẫn sinh công

liên tục, gọi là “Động cơ vĩnh cửu loại 2”

Thực tế, động cơ nhận nhiệt lượng Q1 của nguồn nhiệt

T1 ,phải nhả nhiệt lượng Q2 cho nguồn nhiệt T2

Sinh công : A = Q1- Q2

Hiệu suất :

1 1

2 1

1

2 1

Q

Q Q

A

31

b Phát biểu của Claussius

• “Nhiệt lượng không thể tự no truyền từ nguồn lạnh

sang nguồn nóng hơn”

• Ý nghĩa : nhiệt lượng chỉ truyền một cách tự nhiên từ

nguồn nóng sang nguồn lạnh hơn, còn nếu có một động cơ

có thể truyền nhiệt lượng từ nguồn lạnh sang nguồn nóng

thì nó cần phải cung cấp công từ bên ngoài

c Động cơ chuyển vận với hai nguồn nhiệt:

- Động cơ nhiệt: là loại máy biến nhiệt lượng thành công

2 1

1

2 1

Q

Q Q

32

4 Chu trình Carnot với tác nhân là khí lý tưởng

- Động cơ thực hiện Chu trình thuận nghịch gồm hai quá trình

đẳng nhiệt và hai quá trình đoạn nhiệt xen kẽ nhau

- Thực hiện dưới hai nguồn nhiệt có nhiệt độ không đổi T1 và

1

c

T T

  

- Định lý Carnot

- Hiệu suất của động cơ nhiệt làm việc theo chu trình

không phụ thuộc bản chất của chất thực hiện chu trình

( không có động cơ nào thực hiện dưới cùng hai nguồn

trình Carnot thuận nghịch.)

Dấu (<) : chu trình bất thuận nghịch

Dấu (=) : quá trình thuận nghịch

Dấu (>) : quá trình bất thuận nghịch

Q/ T : là nhiệt lượng rút gọn

2 Entropie S ( Quan điểm Nhiệt động)

trong quá trình thuận nghịch bất kỳ biến đổi từ trạng thái (1) sang trạng thái (2) :

( J/ 0K )

Kết hơp định nghĩa S, biểu thức định lượng của nguyên lý 2 NĐLH

Dấu (=) : quá trình thuận nghịch

Dấu (>) : quá trình bất thuận nghịch

T



  

Q dS

T





- Tính chất S:

+ S là một hàm của trạng thái (chỉ phụ thuộc trạng thái

(1) và trạng thái (2)

+ S được xác định sai khác một hằng số

Thường chọn So = 0 khi T = 0oK

+ S có tính cộng được Entropie của hệ bằng tổng các

entropie từng phần riêng rẽ ( S = S1 + S2 + S3 + )

38

TN o

- Nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học trong một hệ cô

lập (nguyên lý tăng entropie)

Hệ cô lập : Q = 0 → S  0

Trong một hệ cô lập thì mọi quá trình xảy ra đều có

Nhận xét:

+ Quá trình thuận nghịch: S = 0 , S = const

+ Quá trình bất thuận nghịch: S > 0 ,S tăng

↗(chiều diễn biến ) Khi hệ đạt đến trạng thái cân bằng

S = S max thì quá trình bất thuận nghịch kết thúc

- Quan điểm thống kê S :

+ Đặc trưng cho mức độ hỗn loạn, vô trật tự về

phân bố phân tử của một hệ

+ Các quá trình diễn biến tự nhiên trong một hệ cô

lập sẽ có chiều sao cho entropie S tăng Hệ đạt trạng thái cân bằng khi S cực đại (phân bố đđđồng đều)

+ Trường hợp cá biệt có thể hệ diễn biến theo

chiều entropie S giảm

VI NGUYÊN LÝ THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG LỰC

HỌC ÁP DỤNG CHO HỆ THỐNG SỐNG

1 Entropie S và Năng lượng tự do F

Đại lượng S ,F cho biết : khả năng và chiều hướng xảy ra các quá trình

Có F = U -TS → U = F + TS

- Năng lượng tự do F: dùng để sinh công

- Năng lượng liên kết TS : phân tán dưới dạng nhiệt

• Hệ cô lập (U = const ),đẳng nhiệt : mọi quá trình xảy

ra sẽ có chiều sao cho ( entropie S tăng hoặc không đổi)

năng lượng tự do F giảm hoặc không đổi Ở trạng thái

cân bằng nhiệt động , entropi đạt giá trị cực đại Smax và

năng lượng tự do F min = 0

• Hiệu suất : Đánh giá phần năng lượng tự do được sử

dụng hữu ích trong cơ thể :

2 Gradient

THỨC ĂN

CÔNG

AT P (Năng lượng tự do )

GRADIENT

CÔNG

3 Nguyên lý thứ hai của NĐLH và hệ thống sốâng

- Đã biết Hệ cô lập , đẳng nhiệt (U = const )

Khi hệ cân bằng nhiệt động, S → S max , F → 0 (hệ hỗn

loạn và vô trật tự nhất; hệ không còn khả năng sinh công )

- Cơ thể sống là hệ mở; luôn luôn trao đổi chất và năng lượng với môi trường ngoài

Hệ đạt trạng thái cân bằng dừng S ≠ S max ,F = const ≠ 0

( hệ có trật tự , có khả năng sinh công )

44

a Trạng thái dừng của hệ thống sống

- Đối với hệ thống sống là hệ mở , hệ luôn luôn trao đổi

vật chất và năng lượng với môi trường ( Entropi S có thể

giảm , năng lượng tự do F lại tăng) khi hệ đủ để duy trì cân

bằngï ,các thông số trạng thái của hệ không đổi theo thời

gian, ta nói hệ ở trong trạng thái dừng

45

Phân biệt giữa cân bằng dừng của hệ mở so với cân bằng

nhiệt động của hệ cô lập mà ta đã biết

- Giống nhau ở hiện tượng là các thông số trạng thái

không đổi

- Khác nhau ở phương thức duy trì trạng thái đó Ở cân

bằng nhiệt động thì không xảy ra các quá trình Trong khi cân bằng dừng thì tốc độ và chiều hướng của các quá trình không đổi và cân bằng lẫn nhau

VD : Tế bào sử dụng năng lượng chuyển hóa đưa Na+ ra

và K+ vào nội bào Chính sự vận chuyển chủ động giữ

nguyên nồng độ Na+ thấp và K+ cao ở dịch nội bào

Cân bằng nhiệt động Cân bằng dừng

1 Không có dòng vật chất vào ra môi

trường

2 Không cần tiêu phí năng lượng tự do

để duy trì cân bằng

3 Năng lượng tự do và khả năng sinh

công của hệ bằng không

4 Entropi của hệ có giá trị cực đại

5 Không có gradient trong hệ

1 Có dòng không đổi vật chất vào và

- Mức của trạng thái dừng dễ dàng bị dao động phụ thuộc vào những điều kiện bên ngoài và bên trong mà một hệ mở bất kỳ có thể chuyển sang những mức trạng thái dừng khác nhau

b Sự biến đổi entropie ở hệ thống sống:

+ dS e : Có thể âm ,dương hoặc bằng 0

Dòng vật chất có năng lượng tự do F cao (S bé)vào và F bé ( S cao ) ra khỏi cơ thể Tương tự “ Cơ thể tiêu dùng

Entropie âm “ (Schrodinger)

49

•* Khi dSe > 0 : ⇒ dS > 0 : Entropie toàn hệ tăng

•* Khi dSe = 0 : dS = dSi > 0 Entropie toàn hệ tăng.(độ tăng

• entropie của toàn hệ bằng độ tăng entropie bên trong hệ)

•* Khi dSe < 0 : có 3 trường hợp :

+ Nếu dSe < dSi → dS > 0: Entropie toàn hệ tăng

+ Nếu dSe > dSi → dS < 0: Entropie toàn hệ giảm

+ Nếu dSe = dSi  0 → dS = 0: Entropie toàn hệ không

đổi (S = const , lượng entropie được bù đắp hoàn toàn từ môi

trường bên ngoài): trạng thái dừng

50

Từ phương trình (1) cho tốc độ biến thiên entropie :

(công thức Prigogine)

• - Ở trạng thái dừng (S = const)

⇒

↔

- Tốc độ tăng entropie ( giảm năng lượng tự do ) bên trong hệ bằng tốc độ trao đổi entropie với môi trường xung quanh

dte

dS

dti

dS dt

dS





e

dS

dS

0

dt   dt 

51

- Prigogineđđđã chứng minh đđược rằng :Tốc độ tăng

entropie bên trong hệ là dương và nhận giá trị nhỏ nhất

trong các giá trị có thể (xu hướng hoạt động ở mức năng

lượng thuận lợi nhất gọi là xu hướng tự làm ổn định)

KẾT LUẬN

Để duy trì trạng thái dừng , hệ thống sống phải trao đổi

vật chất và năng lượng với môi trường bên ngoài Nói khác

đi, môi trường bên ngoài là điều kiện tồn tại của hệ thống

sống

52

53