NHIỆT ĐỘNG HỌC HỆ THỐNG SỐNG pptx

Nhiệt động học hệ sinh vật và hướng nghiên cứu Nhiệt động học hệ sinh vật nghiên cứu hiệu ứng năng lượng, sự chuyển hoá giữa cácdạng năng lượng, khả năng tiến triển, chiều hướng và giới

CHƯƠNG I

NHIỆT ĐỘNG HỌC HỆ THỐNG SỐNG

 §1 CÁC KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU

I Nhiệt động học hệ sinh vật và hướng nghiên cứu

Nhiệt động học hệ sinh vật nghiên cứu hiệu ứng năng lượng, sự chuyển hoá giữa cácdạng năng lượng, khả năng tiến triển, chiều hướng và giới hạn tự diễn biến của các quá trìnhxảy ra trong hệ thống sống

Cơ thể sống trong quá trình sinh trưởng và phát triển đều có sử dụng năng lượng vìvậy nhiệt động học hệ sinh vật là lĩnh vực cần được nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu củanhiệt động học hệ sinh vật là cơ thể sống, đó là một hệ mở do luôn xảy ra sự trao đổi vậtchất và năng lượng với môi trường xung quanh, có khả năng tự điều chỉnh, tự sinh sản…Hiện nay nhiệt động học hệ sinh vật có các hướng nghiên cứu chủ yếu sau:

- Nghiên cứu sự chuyển biến năng lượng ở mức độ phân tử, tế bào, mô, cơ quan haytoàn bộ cơ thể khi ở trạng thái sinh lý bình thường và trạng thái đang hoạt động Xác địnhhiệu suất sử dụng của các quá trình sinh vật và năng lượng liên kết trong các liên kết của cáccao phân tử sinh học

- Nghiên cứu cơ chế tác động của sự thay đổi các yếu tố môi trường lên quá trìnhchuyển hoá năng lượng và sự trao đổi năng lượng giữa cơ thể sống với môi trường

II Một số khái niệm và đại lượng cơ bản

- Hệ: Một vật hay một đối tượng cấu tạo bởi số lớn các phần tử gọi là một hệ nhiệt

động Kích thước của hệ nhiệt động luôn luôn lớn hơn rất nhiều kích thước của các phần tửcấu tạo nên nó Hệ là một vật thể hay một nhóm vật thể được dùng làm đối tượng để nghiêncứu Ví dụ khi chọn cá thể để nghiên cứu thì cá thể là một hệ còn khi chọn quần thể đểnghiên cứu thì quần thể là một hệ

- Hệ cô lập: Là hệ không có sự trao đổi vật chất và năng lượng giữa hệ với môi

trường xung quanh Trên thực tế khó xác định được một hệ cô lập hoàn toàn nhưng ở qui

mô thí nghiệm các nhà khoa học có thể thiết kế được hệ cô lập như bom nhiệt lượng dùng

để nghiên cứu hiệu ứng nhiệt của các phản ứng oxy hoá

- Hệ kín: Là hệ không trao đổi vật chất với môi trường xung quanh nhưng có trao đổi

năng lượng với môi trường xung quanh

- Hệ mở: Là hệ có trao đổi cả vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh Ví

dụ: cơ thể sống là một hệ mở

- Tham số trạng thái: Là các đại lượng đặc trưng cho trạng thái của một hệ, ví dụ như

nhiệt độ, áp suất, thể tích, nội năng, entropi…

- Nhiệt độ: Là một đại lượng đặc trưng cho mức độ chuyển động hỗn loạn của các

phân tử (nhiệt độ càng cao thì độ hỗn loạn càng tăng) Có các thang nhiệt độ bách phân

(Celcius); thang nhiệt độ tuyết đối (Kelvin); thang nhiệt độ Farenheit (Mỹ); thang nhiệt độRéaumur (Pháp)

F n

R n C

n0  ( 0 , 8 ) 0  ( 1 , 8  32 ) 0

16 , 273 0

0



T K C

- Trạng thái cân bằng: Là trạng thái trong đó các tham số trạng thái đạt một giá trị

nhất định và không đổi theo thời gian

- Quá trình cân bằng: Là quá trình trong đó các tham số trạng thái thay đổi với tốc

độ chậm tới mức sao cho tại mỗi thời điểm có thể, xem như trạng thái của hệ là trạng tháicân bằng

- Quá trình thuận nghịch: Là quá trình biến đổi mà khi trở về trạng thái ban đầu

không kèm theo bất cứ một sự biến đổi nào của môi trường xung quanh

- Quá trình bất thuận nghịch: Là quá trình biến đổi mà khi trở về trạng thái ban đầu

làm thay đổi môi trường xung quanh

- Hàm trạng thái: đặc trưng cho trạng thái của hệ, khi sự biến thiên giá trị của nó

trong bất cứ quá trình nào cũng chỉ phụ thuộc vào giá trị đầu và giá trị cuối mà không phụthuộc vào con đường chuyển biến Nội năng (U), năng lượng tự do (F), thế nhiệt động (Zhay G), entanpi (H), entropi (S) là những hàm trạng thái

- Năng lượng: là 1 đại lượng đặc trưng cho sự vận động của vật chất Năng lượng là

đại lượng có thể đo được, có thể biến đổi một cách định lượng luôn theo cùng một tỉ lệthành nhiệt lượng Năng lượng phản ánh khả năng sinh công của một hệ Đơn vị dùng để đonăng lượng là Calo (Cal) hay Joule (J), eV, W, erg Trong cơ thể sống có các dạng nănglượng sau:

+ Hóa năng: do gãy các liên kết …

+ Động năng: năng lượng để di dời vật chất, thay đổi tư thế…

+ Năng lượng sinh công thẩm thấu: vận chuyển vật chất qua màng

+ Năng lượng sinh công điện

+ Năng lượng sinh nhiệt: để duy trì nhiệt độ cơ thể để các phản ứng chuyển hóathuận lợi trong cơ thể

Mối quan hệ giữa năng lượng và vật chất theo công thức Einstein: E = mc2

- Công và nhiệt: Đó là hai hình thức truyền năng lượng từ hệ này sang hệ khác Nếu

như sự truyền năng lượng từ hệ này sang hệ khác gắn liền với sự di chuyển vị trí của hệ thì

sự chuyền đó được thực hiện dưới dạng công Ví dụ khi chạy 100 mét thì năng lượng tiêutốn đã được dùng vào thực hiện công để di chuyển vị trí Nếu sự truyền năng lượng từ hệnày sang hệ khác làm tăng tốc độ chuyển động của phân tử ở hệ nhận năng lượng thì sựtruyền đó được thực hiện dưới dạng nhiệt Công và nhiệt là hàm số của quá trình vì chúngđều phụ thuộc vào cách chuyển biến

Biểu thức của công: AF d s Công là một dạng truyền năng lượng làm tăng mức

độ chuyển động có trật tự của một vật

Nhiệt lượng là một dạng năng lượng trao đổi trực tiếp giữa các phân tử chuyển độnghỗn loạn của những vật tương tác với nhau

Biểu thức của nhiệt: QmCT

Giữa công và nhiệt có thể biến đổi qua nhau: A  JQ, 1calo 4 , 18Joule

- Nội năng U: Nội năng của một vật thể bao gồm động năng của các phân tử chuyểnđộng và thế năng tương tác do sự hút và đẩy lẫn nhau giữa các phân tử cùng với năng lượngcủa hạt nhân nguyên tử và năng lượng của các điện từ

- Do nội năng nhiều thành phần nên khó xác định chính xác U, nhưng xác định được

Nguyên lý I nhiệt động học được hình thành qua các công trình nghiên cứu của cáctác giả như M V Lomonoxob (1744), G I Heccer (1836), R.Majo (1842), Helmholtz(1849), Joule (1877)… Nguyên lý I nhiệt động học được phát biểu như sau:

“Trong một quá trình nếu năng lượng ở dạng này biến đi thì năng lượng ở dạng khác sẽ xuấthiện với lượng hoàn toàn tương đương với giá trị của năng lượng dạng ban đầu”

“Nhiệt lượng truyền cho hệ, dùng làm tăng nội năng của hệ và biến thành công thực hiệnbởi lực của hệ đặt lên môi trường ngoài”

“Không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại I”

Nguyên lý I nhiệt động học bao gồm hai phần:

- Phần định tính khẳng định năng lượng không mất đi mà nó chỉ chuyển từ dạng nàysang dạng khác

- Phần định lượng khẳng định giá trị năng lượng vẫn được bảo toàn

Biểu thức toán học của nguyên lý I nhiệt động học: Một hệ cô lập ở trạng thái banđầu có nội năng U1, nếu cung cấp cho hệ một nhiệt lượng Q thì một phần nhiệt lượng hệ sử

dụng để thực hiện công A, phần còn lại làm thay đổi trạng thái của hệ từ trạng thái ban đầu

có nội năng U1 sang trạng thái mới có nội năng U2 (U2 > U1) Từ nhận xét trên ta có biểuthức:

'

A U

Q  

Trong đó U U2  U1

Công thức trên có thể viết dưới dạng:

A Q

Q   

 ( A'  A )dU: Chỉ sự biến đổi nội năng, là hàm số trạng thái

Q

 và A: Chỉ sự biến đổi nhiệt và công,công là hàm số của quá trình

II Áp dụng nguyên lý thứ I cho hệ thống sống:

a Định luật Heccer:

Do hàm nhiệt là hàm trạng thái  hệ quả là định luật Heccer: “Năng lượng sinh rabởi quá trình hoá học phức tạp không phụ thuộc vào các giai đoạn trung gian mà chỉ phụthuộc vào các trạng thái ban đầu và cuối của hệ hoá học”

300 0 0

2  K C  

T

C K



Tế bào sẽ bị phân huỷ ở 40  0 60 0C

Như vậy cơ thể sống không phải động cơ nhiệt bình thường

c Phương trình cân bằng nhiệt của cơ thể

M A E

 : Năng lượng dự trữ dưới dạng hoá năng của cơ thể

Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp và nguyên tắc hoạt động của cơ thể sống: Cơ

sở của phương pháp này là dựa vào lượng khí ôxy tiêu thụ hoặc lượng khí CO2 do cơ thểthải ra ở động vật máu nóng, có liên quan chặt chẽ với nhiệt lượng chứa trong thức ăn Ví

dụ, quá trình ôxy hóa glucose phản ứng diễn ra như sau:

C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + 678 Kcal (180 gam) (134,4l) (134,4l)

Ở điều kiện tiêu chuẩn, mỗi phân tử gam chất khí đều chứa 22,4 lít Dựa vào phươngpháp nhiệt lượng kế gián tiếp có thể xác định được sự thải nhiệt của bất kỳ động vật máunóng nào thông qua số lít ôxy tiêu thụ (hoặc số lít CO2 thải ra)

Kết quả đo về cân bằng nhiệt đối với cơ thể người sau 1 ngày 1 đêm:

* Năng lượng toả ra:

1 Năng lượng toả ra xung quanh (đối lưu, bức xạ) 1374 kcal

2 Nhiệt lượng toả ra qua khí thải 43 kcal

3 Phân và nước tiểu 23 kcal

4 Nhiệt lượng bốc hơi qua hô hấp 181 kcal

5 Nhiệt lượng bốc hơi qua da 227 kcal

6 Các số hiệu chỉnh khác 31 kcal

* Thức ăn đưa vào cơ thể:

Protein (đạm) 56,8g tạo 237 kcal

Glucid (đường) 79,98g tạo 335 kcal

Q

 : Nhiệt lượng nhận từ ngoài vào, có 2 loại nhiệt lượng

a Nhiệt lượng sơ cấp (cơ bản): xuất hiện do kết quả phân tán năng lượngnhiệt, tất nhiên trong quá trình trao đổi vật chất vì những phản ứng hoá sinh xảy ra khôngthuận nghịch Nhiệt lượng này phát ra lập tức ngay sau khi cơ thể hấp thụ ôxy vào thức ăn

b Nhiệt lượng thứ cấp (tích cực): Gần 50% năng lượng xuất hiện trong quátrình ỗy hoá thức ăn được dự trữ trong các liên kết giàu năng lượng (ATP) Khi các liên kếtnày đứt, chúng giải phóng năng lượng để thực hiện công nào đấy, rồi cũng biến thành nhiệt

 điều hoà các hoạt động của cơ thể

+ Ở điều kiện bình thường, trong cơ thể sống sử dụng năng lượng sơcấp và thứ cấp bù trừ lẫn nhau (năng lượng sơ cấp tăng thì năng lượng thứ cấp giảm vàngược lại)

Các nguyên nhân tiêu hao năng lượng:

- Tiêu hao năng lượng do chuyển hóa cơ sở

- Tiêu hao năng lượng do vận cơ, số cơ co càng nhiều thì năng lượng tiêu haocàng lớn

- Tiêu hao năng lượng do điều nhiệt

- Tiêu hao năng lượng do tiêu hóa: thức ăn chuyển qua protein, lipid, glucid

- Tiêu hao năng lượng do phát triển cơ thể

- Tiêu hao năng lượng do sinh sản: nuôi con tiết sữa

III Một số quá trình biến đổi năng lượng trên cơ thể sống:

a Năng lượng trong quá trình co cơ:

dx x F A

x

x

) (

- Khi tăng thể tích thở  công 

- Khi thở sâu với tần số thích hợp  chi phí công 

c Năng lượng ở tim:

- Tim hoạt động như 1 cái bơm liên tục  tạo áp suất đẩy máu vào mạch (chuyểnđộng theo 1 chiều xác định) P (công suất): 1,3 – 1,4 W

- 1 phần công của tim còn lại tạo ra độ căng của cơ (trương lực cơ)

- Định luật Laplace: màng phân chia 2 khu vực

A B

) 1 1 (

2

1 r r T

P   Mặt trong: lõm; mặt ngoài: lồi

P: áp suất trong màng; T : sức căng

2

1, r

r : bán kính trong và ngoài

2 1

1 2

2 1

1

r r P r r

P T

Công  nhiệt, sinh ra  chết

I Một vài thông số nhiệt động quan trọng:

a Entropy S

- Thí dụ về cách phân bố phân tử của hệ

- 1 bình kín chia làm 2 phần bằng nhau A và Bbằng 1 vách ngăn Bỏ vách ngăn các phân tử khuếch tán và số phân tử bên A thay đổi từ 0 –6

Xác suất nhiệt động học là số trạng thái vi mô có thể thực hiện được trong một trạngthái vĩ mô

N

W 

Định nghĩa 1: S K lnW

K (hằng số Bolzmann) = 1 , 38 10  23J / 0 K

Trạng thái Số phân tử ở phần nhiệt động Xác suất

học W

Xác suất toán học

- Trạng thái cân bằng có W lớn nhất ( có S  Smax) hay gặp nhất

Định nghĩa 2: dS T Q >: quá trình bất thuận nghịch

- S là đại lượng có thể cộng được

- S sai khác nhau 1 hằng số (tích phân)

- Hệ nhận nhiệt Q 0  dS  0 ,Scủa hệ tăng

Khi toả nhiệt Q 0  dS 0 ,S của hệ giảm

- S là 1 đại lượng đặc trưng cho mỗi độ hỗn loạn của các phân tử

dU   

dF dU

TdS A pdV   '    

TS U

F   A' d[TS  U]

TS F

U   A'  d[U  TS]

A  

 'Vậy: + Năng lượng tự do là một phần năng lượng của nội năng dùng để sinh racông

Phần TS không sinh ra công gọi là năng lượng liên kết

c Entanpi H: Là hàm chứa nhiệt Nhờ nó ta dễ dàng tính được năng lượng trong các

quá trình hoá học

PV U

H   ; dH TdSVdP; dH dUpdV Vdp

- Nếu trong quá trình đẳng áp:

p p

p TdS Q

II Các quá trình không thuận nghịch và thuận nghịch

Định nghĩa: “Một quá trình biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác được gọi làthuận nghịch khi nó có thể tiến hành theo chiều ngược lại và trong quá trình ngược lại đó, hệtrải qua các trạng thái trung gian như trong quá trình thuận”

Quá trình không thuận nghịch là ngược lại

Thí dụ 1 (TN): - Dao động không ma sát của con lắc toán học

- Quá trình giãn nở khí vô cùng chậmThí dụ 2 (không TN):

- Bình cô lập gồm 2 phần A và B, trong đó n A n B đẩy vách ngăn (thực hiện công)

B

A

n

n RT

Khi n A n B  A 0Thí dụ 3 (không TN): Hai vật có T  A T B, khi tiếp xúc T A  ,T B  , sau đó T  A T B

(khi đã cân bằng thì không quay lại được)

Trong tự nhiên, các quá trình không thuận nghịch xảy ra nhiều hơn thuận nghịch

III Phát biểu nguyên lý II nhiệt động học

Cách I: “Tính trật tự của 1 hệ cô lập chỉ có thể giữ nguyên hoặc giảm dần”

Cách II: “Không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại II” (Thomson)

Cách III: “Trong các hệ cô lập, chỉ những quá trình nào kéo theo (tăng) entropi mới

có thể tự diễn biến; giới hạn tự diễn biến của chúng là trạng thái có Smax” (Boltzmann)

Cách IV: “Để tự nhiên, nhiệt sẽ truyền từ nóng  lạnh” (Clausius)

§ 4 NGUYÊN LÝ THỨ II ÁP DỤNG VÀO HỆ THỐNG SỐNG

I Trạng thái đặc trưng của hệ thống sống

- Khi áp dụng nguyên lý II vào hệ thống sống (đây là 1 quá trình không thuậnnghịch) thì S  (độ trật tự  ) Nhưng thực tế, cơ thể tạo ra các tổ chức có trật tự cao Từnhững phần tử nhỏ trật tự thấp mà cơ thể nhận được trong quá trình ăn uống và hô hấp,những đại phân tử có trật tự cao của các polime sinh học được tạo ra (như vậy S )

- Vì nguyên lý II phát biểu cho hệ cô lập Trong hệ cô lập các phản ứng hoá học, biếnđổi trạng thái … bị giới hạn bởi số lượng vật chất Qua 1 quá trình biến đổi, trạng thái cânbằng được thiết lập (không sinh ra công, các thông số ổn định, S  Smax…)

Trong khi đó, hệ thống sống do lượng vật chất và năng lượng đi vào đi ra nên hệthống sống không có trạng thái cân bằng được

Tuy nhiên, hệ thống sống không phải được đặc trưng bằng trạng thái không cân bằngbất kỳ mà chỉ ở trạng thái tại đó các tính chất của hệ không thay đổi Các thông số hoá lýnhư građisn, các đặc trưng động học … được bảo toàn (không thay đổi theo thời gian).Trạng thái đó là trạng thái dừng (trạng thái đặc trưng của hệ thống sống)

So sánh

- Năng lượng tự do F  0 (không có khả

năng sinh công)

- Tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản

ứng nghịch (v1 v2 const)

- Tốc độ phản ứng phụ thuộc nồng độ ban

đầu chất tham gia

- Chất xúc tác không làm thay đổi tỉ lệ

- Tốc độ phản ứng không phụ thuộc nồng

độ ban đầu, nhưng đáng kể là các nồng độdừng liên tục được giữ nguyên do dòngvật chất mới

Chất xúc tác làm thay đổi nồng độ dừng

Mô hình mô tả 2 quá trình:

- Nếu hệ kín (nếu chất lỏng không đi vào bình từ bên ngoài

và chảy ra) thì toàn bộ chất lỏng sẽ chuyển từ bình cao chuyển sang

bình thấp hơn với tốc độ được xác định bằng độ mở của khoá Và

sau 1 khoảng thời gian nào đấy sự cân bằng được thiết lập

- Nếu hệ mở thì bình trên và dưới sẽ có mức chất lỏng xác

định không ứng với cân bằng

- Khi thay đổi nồng độ xúc tác (khoá 2)  tạo nên những

trạng thái dừng mới

(khoá K2 cho mô hình tốc độ phản ứng hoá học)

II Biến đổi S trong hệ thống sống

i

e dS dS

+ dS e: biến đổi S do tương tác với môi trường

ngoài

+ dS i: biến đổi S bên trong cơ thể Hệ thống

sống thực hiện quá trình không thuận nghịch nên dS i  0

+ dS e: có thể nhận những giá trị bất kỳ:  0;  0

; 0 với cơ thể sống, do quá trình tương tác với môi

trường xung quanh (sử dụng thức ăn cao phân tử tách ra

khỏi cơ thể các sản phẩm thoái hoá, truyền nhiệt …) 

tạo thành dòng S âm đi vào cơ thể

- Khi dS e  0(hệ cô lập): thì dS dS i  0

dS dS dS

i e

i e

Do tương tác với môi trường xung quanh  S  , tính trật

tự ngày càng tăng (giai đoạn phát triển)

- Khi dS e dS i , điều đó ứng với trạng thái dừng

Ta có thể viết sự biến đổi S theo thời gian

dt

dS dt

dS dt

dS dt

Hay:    0

dt

dS dt

 Để duy trì sự tồn tại, hệ thống sống phải trao

đổi vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh

Kết luận: Hệ thống sống cũng phải tuân theo nguyên lý tăng S (chết)

Để chống lại sự tăng của S phải có chế độ ăn uống, luyện tập, thể thao… phù hợp để

cơ thể khoẻ mạnh (giảm S)

* Một số phương pháp nhiệt trị bệnh:

- (Nga): Chẩn đoán bệnh bằng nhiệt độ, sống ở môi trường nhiệt độ thấp  tăng tuổithọ

- (Nhật Bản): xoa bóp và ngâm nước nóng bàn chân để trị liệu

- (Pháp): viên thuốc dạng nhộng (cảm biến nhiệt) khi vào cơ thể thông báo sự thayđổi nhiệt độ trong nội tạng

- (Mỹ): phương pháp đông lạnh trong ni tơ lỏng (-1960C) Dùng robot kích thướcnano để hồi phục lại cơ thể trước khi rã đông để hồi phục các chức năng sinh lý

- Đo thân nhiệt để xác định bệnh Sars

- Ở BVĐHYD Huế dùng đốt nhiệt bằng sóng cao tần, tiêu diệt các khối u xơ tronggan

- Đốt nhiệt bằng laser, vật lý trị liệu, điểm huyệt, truyền nhiệt, tắm nước nóng…

i 1

i 1

’ i 2

CHƯƠNG II

ÁNH SÁNG VÀ CƠ THỂ SỐNG

§1 QUANG HÌNH HỌC

I Định luật về sự truyền thẳng của ánh sáng

“Trong một môi trường trong suốt, đồng tính và đẳng hướng ánh sáng truyền theođường thẳng”

- Khi ánh sáng qua lỗ hẹp, hoặc gặp những vật có kích thước nhỏ thì định luật trênkhông còn đúng nữa

- Tia sáng, chùm sáng, hội tụ, phân kỳ, song song

“Tác dụng của các chùm tia sáng khác nhau thì độc lập với nhau” Có nghĩa là tácdụng của chùm tia sáng này không phụ thuộc vào sự có mặt của các chùm tia sáng khác

II Định luật phản xạ ánh sáng

Nếu tia sáng truyền từ môi trường quang học này sang môi

trường quang học khác thì tại phân giới của 2 môi trường:

+ Tia tới và tia phản xạ cùng nằm trong mặt phẳng tới (ở

bên kia pháp tuyến)

+ Tia tới và tia khúc xạ cùng nằm trong mặt phẳng tới

+ Tỷ số giữa sin góc tới và sin góc khúc xạ là 1 đại lượng không đổi đối với 2 môitrường quang học cho trước:

2

1 21 1

2 2

n i

+ Thấu kính hội tụ, phân kỳ…

+ Dùng trong các loại kính hiển vi

+ Tia laser