NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CÁC HỆ THỐNG SỐNG docx

Hệ nhiệt động gọi tắt là hệ Là một vật thể hay một tập hợp số lớn các phần tử vật chất được giới hạn trong một khoảng không gian xác định và thường được tưởng tượng là tách biệt với mô

CHƯƠNG VI

NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CÁC HỆ THỐNG SỐNG

Mục tiêu

nguyên lý thư hai nhiệt động lực học.

bằng, chiều diễn biến của một quá trình trong một hệ.

học đối với hệ thống sống.

Nội dung

 NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NĐLH

 ỨNG DỤNG NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NĐLH - NHIỆT DUNG RIÊNG

 NGUYÊN LÝ THỨ HAI NĐLH – ENTROPY

 CÁC NGUYÊN LÝ NĐLH ÁP DỤNG CHO HỆ

THỐNG SỐNG

I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1 Hệ nhiệt động (gọi tắt là hệ)

Là một vật thể hay một tập hợp số lớn các phần tử vật

chất được giới hạn trong một khoảng không gian xác định và thường được tưởng tượng là tách biệt với môi trường xung quanh

 Hệ cô lập: Hệ không trao đổi vật chất lẫn năng lượng

với môi trường xung quanh.

 Hệ kín (đóng): Hệ chỉ trao đổi năng lượng mà không

trao đổi vật chất với môi trường xung quanh.( khối lượng của hệ không đổi.)

 Hệ mở: Hệ trao đổi vật chất lẫn năng lượng với môi

trường xung quanh.

2 Nội năng U

Nội năng là một đại lượng đặc trưng có mức độ vận động của vật chất bên trong hệ đó

Năng lượng của hệ gồm: W = Wđ + Wt + U

động năng thế năng nội năng của hệ.

Nhiệt động lực học : Wđ = Wt = 0 ⇒ W = U là hàm của trạng thái

3 Công và nhiệt lượng (gọi tắt là nhiệt)

- Công: dạng truyền năng lượng làm thay đổi mức độ chuyển động có trật

tự của toàn bộ hệ hay một phần của hệ (Ví dụ: khí giãn nở trong xylanh

đẩy pittông chuyển động )

- Nhiệt: dạng truyền năng lượng trực tiếp giữa các phân tử chuyển động

hỗn loạn của hệ ( đun nóng vật ,vận tốc các phân tử gia tăng len )

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

nhau

I NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

1 Phát biểu:

Nhiệt lượng mà hệ nhận được trong quá trình biến đổi bằng tổng công mà

hệ sinh ra và độ biến thiên nôi năng của hệ trong quá trình biến đổi đó.

Q = ∆U + A , ∆U = U 2 – U 1

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

δQ = dU + δA

Quy ước:

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

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

+ Nếu ∆U > 0 nội năng của hệ tăng, ∆U < 0 nội năng của hệ giảm.

nước…)một lượng tương ứng

Ý nghĩa : “Không thể thực hiện được động cơ vĩnh cửu

loại 1”.

- Hệ cô lập :

A = Q = 0 ∆ U = 0 hay U2 = U1

( nguyên lý I)

Nghĩa là “ nội năng của một hệ cô lập được bảo toàn”

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

Q = Q1 + Q2 = 0 → Q1 = - Q2

Nhiệt lượng do vật này tỏa ra bằng nhiệt lượng do vật kia

nhận được

III ỨNG DỤNG CỦA NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT

ĐỘNG LỰC HỌC – NHIỆT DUNG RIÊNG

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 ngoài thì

trạng thái đó sẽ tồn tại mãi mãi.

+ Quá trình cân bằng: Là quá trình biến đổi gồm một

chuỗi liên tiếp các trạng thái cân bằng

Thực tế: quá trình vô cùng chậm ⇔ cân bằng ( chuẩn cân

bằng)

2 Công mà hệ sinh ra trong một quá trình cân bằng:

Áp lực chất khí = tải trọng

 Quá trình đủ chậm = quá trình cân bằng

Lấy từ từ ít viên đạn chì ra: Pittông dịch

chuyển lên một đoạn dx với lực đẩy F

+ Công mà khí sinh ra trong quá trình là:

dV p A

A

+ Biểu diễn bằng đồ thị: Trạng thái cân bằng = một điểm

Quá trình cân bằng = đường cong liên tục.

P

3 Nhiệt lượng mà quá trình nhận được trong quá trình cân bằng – Nhiệt dung:

Nhiệt lượng δQ mà hệ nhận được trong quá trình cân bằng

δQ = mc dT (J )

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

- N hiệt dung riêng ( 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 )

, c ~ T

Nếu c = const ⇒

- N hiệt 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)

,

Q c

đơn vị khối lượng một chất thay đổi trạng thái hoàn toàn.

Vậy nhiệt lượng Q cần thiết để thay đổi trạng thái của một khối lượng m là:

Q = mL

- Nhiệt độ chuyển pha : Nhiệt độ tại đó, hệ thay đổi trạng thái

- Aån nhiệt và nhiệt độ chuyển pha phụ thuộc vào áp suất

CdT

m Q

µ

= δ

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

4 Trong quá trình đẳng tích:

- V = const dV = 0 ⇒ ⇒ δA = p dV = 0

nguyên lý I δQv = dU (*) hay Q v = ∆U

- Vậy nhiệt lượng mà hệ nhận được trong quá trình đẳng tích bằng độ

tăng nội năng của hệ.

- Vậy nhiệt lượng mà hệ nhận được trong quá trình đẳng tích bằng độ

tăng nội năng của hệ.

Từ (*) ⇒

⇒ (nhiệt dung phân tử đẳng tích)

(H = U + pV Enthalpie của hệ , là hàm của trạng thái)

Vậy nhiệt lượng mà hệ nhận được trong quá trình đẳng áp

bằng độ tăng Enthalpic của hệ

m dT

p C

m

µ

+ µ

=

R)

i(p

1 p

P ln RT

m T

V V

m V

dV RT

m T

µ

=

- Nhiệt độ thấp nó thay đổi (giảm) theo nhiệt độ

- Phân tử gồm nhiều nguyên tử thì càng sai lệch với thực nghiệm

6 Trong quá trình đẳng nhiệt

7 Trong quá trình đoạn nhiệt

- δQq = 0 hay Q q = 0

- Nguyên lý I, δAq = - dU (***) hay Aq = - ∆U

Vậy cơng mà hệ sinh ra bằng độ giảm nội năng của hệ

- Ta thấy rằng: khi hệ dãn nở đoạn nhiệt (sinh cơng) thì lạnh đi (tức nội năng giảm) Ngược lại, khi hệ bị nén đoạn nhiệt thì nĩng lên

CvớidT

vC

mpdV

2

=µ

=

−

V

RTm

P

µ

=

dT v

C V

C

R T

p

CV

C

VCp

CVC

R

0

− γ

+

V

dV )

( T

dT

Tích phân hai vế ta đượcù:

1

2

p2

1

V

V V

dVV

pV

dVV

VV

pq

A

) V

V (

V

p q

γ

=

γ

2 2 1

p q

PV = const

PV γ = const

0 P(V2 –V1) (m/μ)RTlnV2/V1-(m/μ)Cv ∆T

(m/μ)Cv ∆T (m/μ)Cp ∆T (m/μ)RTlnV2/V1

o

(m/μ)Cv ∆T (m/μ)Cv ∆T

0 (m/μ)Cv ∆T

VD :Cho 10g khí oxy ở áp suất 3 at và nhiệt độ 1000C được hơ nóng đẳng áp và giãn nở đến thể tích 10 lít Tính :

a/ Nhiệt lượng cung cấp cho khối khí

b/ Độ biến thiên nội năng của khối khí

c/ Công do khối khí sinh ra khi dãn nở

b-/ ∆U = (m/µ) i/2 R ∆ T = 5560 J

c-/ A = Q - ∆ U = 7750 – 5560 = 2290 J ~ 2,3 KJ

IV NGUYÊN LÝ THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

1. Những hạn chế của nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học

- Chiều diễn biến của quá trình : Nóng → lạnh → Nóng

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

2 Quá trình thuận nghịch – quá trình bất thuận nghịch:

- Quá trình thuận nghịch :Một quá trình biến đổi được gọi là 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: Một quá trình biến đổi được gọi là bất thuận

nghịch nếu 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.

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( Quá trình khuyếch tán, dẫn nhiệt , .)

3 Nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học:

( Định tính )

a Phát biểu của Planck:

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”.

1

2 1

= η

Q

Q Q

Q

Q Q

A

b Phát biểu của Claussius

“Nhiệt lượng không thể tự nó 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:

Hiệu suất

Hệ số làm lạnh

1 1

2 1

1

2 1

Q

Q Q

A

1

2 >

= ε

A Q

A = | Q1 | - | Q2 |

V CHU TRÌNH CARNOT VỚI TÁC NHÂN

LÀ KHÍ LÝ TƯỞNG

- 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 T 1 và T 2 < T 1

- tác nhân là khí lý tưởng.

1 Mô tả ( Chu trình thuận )

Quá trình dãn đoạn nhiệt bc

c b

c d

T

Quá trình nén đoạn nhiệt da

d a

Cách nhiệt

Va Vd Vb Vc

O

Vab

V ln

hay d

Vc

V b

1

1

ln ln

d cd

b ab

a

V m

RT

V m

V

µ µ

−

⇒ ⇒

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

chỉ phụ thuộc nhiệt độ của hai nguồn nhiệt mà không phụ

thuộc bản chất của chất thực hiện chu trình.

- Hiệu suất này còn gọi là hiệu suất cực đại ( không có động

cơ nào thực hiện dưới cùng hai nguồn nhiệt T1 và T2 mà có

hiệu suất lớn hơn hiệu suất của chu trình Carnot thuận nghịch.) ⇔ η ≤ ηc Dấu (=) : chu trình thuận nghịch.

Dấu (<) : chu trình bất thuận nghịch

2 1

1

c

T T

1

2 1

2

T

T Q

Q

=

Nhận xét:

+ Để tăng hiệu suất động cơ nhiệt :

- Tăng sự chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh

2

T

T Q

Q

=

VI ENTROPIE - NGUYÊN LÝ THỨ HAI NĐLH

1 Biểu thức định lượng nguyên lý thứ hai NĐLH (Bất đẳng thức Claussius)

1

2 1

T

T Q

Tổng quát, hệ thực hiện một chu trình bất kỳ , ta có thể chia chúng

thành vô số các chu trình Carnot nguyên tố

Lúc đó: Σ ∫⇒ : (bất đẳng thức Claussius)

Vậy với mọi chu trình, tổng nhiệt lượng rút gọn không lớn hơn không ø( Biểu thức định lượng tổng quát của nguyên lý thứ hai NĐLH )

2 Nhiệt lượng rút gọn và Entropie S :

- Định nghĩa S(Claussius ): Độ biến thiên Entropie S của một hệ

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

Q o

S

S = + ∫ δ

- Nếu quá trình bất thuận nghịch: ( 1A 2 B)

Hay Dấu (=) : quá trình thuận nghịch

Dấu (>) : quá trình bất tuận nghịch.

( Biểu thức định lượng của nguyên lý 2 NĐLH.)

2 1

1 2

S S

TN

) ( )

2

2 1

<

δ +

Q BTN

) ( ) ( T

Q T

A(BT N)

(1)

O

p

v

( 2) (1)

Q S

T

δ

Q dS

T

δ

≥

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

lập (còn gọi là nguyên lý tăng entropie)

Hệ cô lập : δ Q = 0 ⇒

đều có chiều sao cho entropie tăng hoặc không đổi: ∆ S ≥ 0

Nhận xét:

+ Quá trình thuận nghịch: ∆ S = 0 S = const ⇒

+ Quá trình bất thuận nghịch: ∆ S > 0 S ⇒ ↗ (chiều diễn biến ) Khi hệ đạt đến trạng thái cân bằng S = Smax thì quá trình bất thuận nghịch kết thúc

( 2)

(1)

0

Q S

T

δ

∆ ≥ ∫ =

3 Xác suất nhiệt động W và entropie S:

Xét hệ là một bình kín chia làm hai phần bằng nhau A và B

- Ban đầu : 6 phân tử 1, 2, 3, 4, 5, 6 đều tập trung ở ngăn A

- Khi bỏ vách ngăn : các phân tử khuyếch tán

Có nhiều cách xếp đặt các phân tử có thể có được

-Trạng thái vĩ mô I ( 1 trạng thái vi mô )

3 6

2

1 4

2 5 6

6

Số phân tử ở

3

4 5

6

1 16 15

20

15 6

1

1 1 1 1 1 1

1

1/16 6/64 15/64 20/64 15/64 6/64 1/64

• Xác suất nhiệt động W: Là số vi thái ứng với một vĩ thái

- Đặc trưng mức độ hỗn loạn, vô trật tự về sự phân bố các

phân tử ở vĩ thái đó

- Chiều hướng tự nhiên của các quá trình biến đổi của một hệ

là chuyển từ trạng thái xác suất nhiệt động nhỏ sang xác suất

nhiệt động lớn., hệ sẽ tồn tại lâu dài tức hệ cân bằng ở vĩ thái có

xác suất nhiệt động lớn nhất.( phân bố đồng đều)

Ở trạng thái ứng với xác suất nhiệt động W , entropie của một

hệ là:

S = k LnW k: là hằng số Boltzmann.

Ýù nghĩa entropie S :

- Đặc trưng cho mức độ hỗn loạn, vô trật tự về phân bố phân tử của một hệ

- Theo nguyên lý II ,các quá trình diễn biến tự nhiên trong một

hệ cô lập sẽ có chiều sao cho entropie S tăng ,tức ∆ S > 0 Hệ đạt trạng thái cân bằng khi S cực đại ,nghĩa là hệ ở trạng thái hổn

loạn ,vô trật tự nhất.

Các quá trình thuận nghịch trong hệ có hai chiều diễn biến,

không chiều nào ưu tiên, nên S không đổi hay ∆ S = 0

VII TÍNH ĐỘ BIẾN THIÊN ENTROPIE ∆ S:

m dT

v C

m Q

µ

+ µ

= δ

V

dV R

m T

dT v C

m T

Q dS

µ

+ µ

dV R m )

( )

dT v C m s

s

dS S

2 1

2 1

p

µ

=

m V

p

V p ln v C

m S

µ

+ µ

=

∆

1

2 1

2 1

2

V

V ln R

m V

V ln v C

m p

p ln v C

m S

µ

+ µ

+ µ

• Nếu quá trình là đẳng tích V = V1 = V2 :

• Nếu quá trình là đẳng áp P = P1 = P2 :

• Nếu quá trình là đoạn nhiệt δ Q = 0 thì:

( Nghĩa là S = const : là quá trình đẳng Entropie )

2 ∆ S của hệ cơ lập:

• - Trong quá trình thuận nghịch:

Hệ cơ lập δQ = 0 ⇒

- Trong quá trình bất thuận nghịch:

VD: Quá trình truyền nhiệt từ vật nĩng sang vật lạnh:

Theo nguyên lý thứ nhất : Nhiệt lượng do vật (1) tỏa ra -δQ bằng nhiệt lượng do vật (2) nhận vào +δQ

Tính dS trong quá trình thuận nghịch : gồm quá trình tỏa nhiệt đối

với vật nhiệt độ cao T1 và quá trình nhận nhiệt đối với vật nhiệt độ thấp T2

Q dS

và T

VIII NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

ÁP DỤNG CHO HỆ THỐNG SỐNG

1/ Các dạng công – năng lượng trong cơ thể:

- 4 dạng công cơ bản

• Công hóa học : là công sinh ra khi tổng hợp các hợp chất 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

• Công cơ học : là công sinh ra khi dịch chuyển các bộ phận , cơ quan

trong cơ thể hay toàn bộ cơ thể nhờ lực cơ học ( co cơ )

• Công thẩm thấu : là công 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

• Công điện : là công vận chuyển các hạt mang 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) 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 + H⇒ 3PO4 + (7 ~ 8,5 Kcal )

ADP + P

Công cơ học

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

• Nhiệt sơ cấp (hay nhiệt cơ bản) :

- La ølượng 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

• Nhiệt thứ cấp (hay nhiệt hoạt động ):

- Là lượng nhiệt sinh ra trong các quá trình sinh công khác nhau

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

Chú ý rằng : Cơ thể làm việc không phải như một máy nhiệt Nhiệt giải

phóng ra khi làm việc không phải động lực mà là một hao phí

3 Nguyên lý thứ nhất NĐLH 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

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 cịn sai lệch là dù cơ thể đứng yên thì cơng sinh ra cũng khơng thể bằng khơng được

Đưa vào ( Kcal) Thải ra (Kcal ) Thức ăn

56,8g protid 237

140g lipid 1307

79,9g gluxid 335

Nhiệt thải qua da 1347

Khi thở ra 43

Phân và nước tiểu 23

Bay hơi qua đường hô hấp 181

Bay hơi qua da 227

Bổ chính 11

Tổng 1879 Tổng 1859