Bài giảng nhiệt động học các hệ sinh vật ths đặng vũ hoàng

NHIỆT ĐỘNG HỌC CÁC HỆ SINH VẬTTài liệu : Giáo trình Vật lý Lý sinh Học viện quân y 1986 Giáo trình Vật lý Lý sinh Học viện quân y 1986–– Vũ Công Lập Vũ Công Lập... Bảo toàn năng lượng tr

NHIỆT ĐỘNG HỌC CÁC HỆ

SINH VẬT

ThS Đặng Vũ Hoàng Phân viện Vật lý Y Sinh học.

NHIỆT ĐỘNG HỌC CÁC HỆ SINH VẬT

Tài liệu :

Giáo trình Vật lý Lý sinh (Học viện quân y 1986)

Giáo trình Vật lý Lý sinh (Học viện quân y 1986)–– Vũ Công Lập Vũ Công Lập

Nguyên lý I

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

dU = dQ + dA

2.Thứ cấp Thứ cấpATP

Q1

ADP + ~ P

E Mặt trời,

Đồ ăn

Q1

Ai

Q2

Bảo toàn năng lượng trong cơ thể sống:

Cơ thể không phải là nguồn năng lượng mới

Thức ăn Năng lượng = Công sinh ra bởi cơ thể

oxy hoá

Cô lập

Cô lập –– Đo nhiệt lượng thải ra Đo nhiệt lượng thải ra Thế kỷ 18: Lavoadie

Thế kỷ 18: Lavoadie –– Laplace Laplace

Đo trên chuột; E (oxy hoá thức ăn trong cơ thể) = E (đốt thức ăn

trong nhiệt lượng kế)

Etuvatơ: E thải ra (đo nhiệt trực tiếp)

E vào (oxy hấp thụ, CO2, Nitơ, Urê … thải)

 E vào = E vào =  E ra E ra

79,9g glucit 335 Phân và nước tiểu 23

Bay hơi đường hô hấp

Bay hơi đường hô hấp 181 181 Bay hơi qua da 227

Q5

Q6

Q3 Q2

NGUYÊN LÝ II

“Nhiệt không thể tự động truyền từ vật lạnh sang vật nóng”

“Không thể có một quá trình biến đổi chuyển toàn

bộ nhiệt lượng thành công”

“Tự nhiên có xu hướng đi từ trạng thái có xác suất nhỏ đến trạng thái có xác suất lớn hơn”

Mô tả hoạt động của máy nhiệt :

•• Cả chu trình kín thực hiện công ΔA

= diện tích hình A1B2A

•• U 11 là năng lượng của hệ ở A

•• U 22 là năng lượng của hệ ở B

•• Khi dãn nở hệ nhận nhiệt lượng Q 11

để thực hiện công A 11 Ta có

Q 11 =U 22 U U 11 +A 11

•• Khi nén hệ tỏa ra nhiệt lượng Khi nén hệ tỏa ra nhiệt lượng ––Q Q 22

và thực hiện công A 22 Ta có ––Q Q 22 =U 11 U U 22 +A 22

•• Công ΔA cả chu trình thực hiên =

Q 11 Q Q 22

•• Hiệu suất của máy = ΔA/Q 11 =(Q 11

Q 22 )/Q 11 =1 =1 Q Q 22 /Q 11

•• Quá trình bất thuận nghịch : làm biến đổi môi trường xung quanh (thực hiện công)

•• Quá trình thuận nghịch : quá trình nghịch tiến hành theo chiều ngược lại và trải qua tất cả các trạng thái trung gian như quá trình thuận, nhận năng lượng bao nhiêu trong quá trình thuận thì cũng trả lại môi trường bấy nhiêu trong quá

trình nghịch, vì vậy không biến đổi môi trường xung quanh

•• Nhiệt năng Nhiệt năng   Năng lượng khác

•• Lí do : năng lượng nhiệt liên quan tới chuyển động hỗn loạn của các hạt vi mô trong khi mọi dạng năng lượng khác lại gắn bó với những chuyển động có trật tự của chúng

•• Các quá trình tự nhiên không thuận nghịch :

Năng lượng từ mức cao đến mức thấp

Giảm các Gradien

Giảm độ trật tự của hệ cô lập

Phân tán 1 phần năng lượng dưới dạng nhiệt Phần năng lượng này càng lớn thì tính không thuận nghịch càng

cao.

•• Ví dụ: trong hệ sinh vật có rất nhiều gradien

như: gradien nồng độ gây ra bởi sự phân phối không đồng đều các vật chất khác nhau trong

và ngoài tế bào, gradien điện trên màng tế bào

do nồng độ khác nhau của các ion K và Na…

“Trong hệ cô lập thì các quá trình nhiệt động tự

diễn tiến luôn đưa hệ từ trạng thái có W nhỏ tới trạng thái có W lớn và cuối cùng dẫn tới trạng thái cân bằng nhiệt động có W và S cực đại”

•• Giả sử Giả sử 1 1 hệ cô lập có hệ cô lập có 2 2 phần nhiệt độ Tphần nhiệt độ T11 và T22

truyền nhiệt lượng dQ cho nhau (T11<T22))

•• Ng lý II cho rằng: một quá trình bất kỳ xảy ra

trong 1 hệ cô lập có thể thuận nghịch hay bất

F tăng lên? hệ nhận thêm E từ bên ngoài

•• Các quá trình chuyển hóa trong hệ cô lập vì vậy

sẽ xảy ra cho đến khi năng lượng tự do giảm về không và Entropi đạt cực đại Trạng thái này đc gọi là trạng thái cân bằng nhiệt động : hệ hoàn toàn không có khả năng sinh công và mất trật

tự

Trong cơ thể, trong các quá trình lý sinh

và hóa sinh luôn có 1 phần năng lượng tự

do bị mất dưới dạng nhiệt Hiệu suất của quá trình = A/dF

quá trình = A/dF ≤ ≤1 (=1 trong quá trình 1 (=1 trong quá trình thuận nghịch)

Hiệu suất 1 số quá trình :

Vì vậy mà nó có trật tự cao, có cấu trúc đặc thù

đc bảo toàn và phát triển, các gradien luôn duy trì, khả năng sinh công luôn dồi dào; tức là S

không những không tăng mà còn có thể giảm và

F không hề tiến tới ko Điều này không mâu

thuẫn với ng lý II, vì hệ thống sinh vật không cô lập mà nhận F từ môi trường

Sự thay đổi dF và dS trong cơ thể có 2 thành phần: diF

và diS ứng với các quá trình lý sinh và hóa sinh trong cơ thể (diF<0 và diS>0 tuân theo ng lý II); deF và deS quy định bởi tương tác giữa hệ với môi trường (deF>0 và

deS<0 do hệ lấy thức ăn từ môi trường đồng thời thải ra chất cặn bã và nhiệt lượng).

dF = diF + deF

dS = diS + deS

Có 3 trường hợp :

|deS| = |diS| dS=0 dS=0 (trạng thái cân bằng dừng) (trạng thái cân bằng dừng)

|deS| < |diS| dS>0 dS>0 (S thải ra môi trường nhỏ hơn S (S thải ra môi trường nhỏ hơn S

sinh ra trong hệ thống)

|deS| > |diS| dS<0 dS<0 (S thải ra môi trường lớn hơn S (S thải ra môi trường lớn hơn S

sinh ra trong hệ thống) Biểu thức toán học của nguyên lý II với cơ thể sống :

dS/dt = diS/dt + deS/dt

Trạng thái cân bằng dừng

Dòng vật chất ra và vào hệ không đổi

Cần tiêu phí năng lượng tự do để duy trì trạng thái dừng

F và khả năng sinh công không đổi

Khi điều kiện sống thay đổi quá lớn thì cơ thể sẽ chuyển sang 1 trạng thái dừng mới phù hợp hơn (trạng thái nghỉ ngơi # tập thể thao) Có 3

phương thức chuyển trạng thái dừng:

Áp dụng vào Y học

•• Hệ nhiệt động thông thường : P,V,T

•• Hệ thống sinh vật : số đại lượng có thể làm

tham số trạng thái rất nhiều, có độ biến thiên rộng và độ đặc trưng cá thể lớn

•• Tuy nhiên, trong y học, với từng bệnh cụ thể ta chỉ quan tâm tới những tham số trạng thái nhất định Ví dụ như trong bệnh xơ vữa mạch máu, các tham số quan trọng là Triglycerid,

Cholesterol, HDL

Cholesterol, HDL Cholestrol, LDLCholestrol, LDL Cholestrol.Cholestrol

•• 1 vài tham số được xét phổ biện trong hầu hết các bệnh là nhiệt độ, nhịp tim, huyết áp

Ứng dụng của nhiệt

Dao mổ nhiệt (laser)

ATP

ATP ––liên kết giàu năng lượng liên kết giàu năng lượng

Phản ứng thủy phân :

ATP + H22O = ADP + H33PO44

Không đủ cho cơ hoạt động 1s

Không đủ cho cơ hoạt động 1s  tổng hợp ATP tại cơ Phosphocreatin + ADP

Phosphocreatin + ADP  ATP + creatin

Đủ cho cơ hoạt động vài s Tổng hợp nhờ phân hủy glycogen (một dạng tích trữ của glucose có nhiều

trong cơ)

Glucose + 3H33PO44 + 2ADP + 2ADP  2lactat + 2ATP + 2H22OLượng lactat nhiều sẽ tạo cảm giác mỏi mệt và cũng kìm hãm quá trình tổng hợp ATP