Năng lượng sinh học

Các quá trình tự phátSpontaneous Processes • Quá trình tự phát là quá trình có thể xảy ra không có sự tác động của yếu tố bên ngoài Spontaneous processes are those that can proceed witho

NHIỆT ĐỘNG HỌC

TRONG SINH HỌC

Định luật 1 nhiệt động học

(First Law of Thermodynamics)

• Chúng ta biết rằng năng lượng không thể tự

sinh ra và tự mất đi (energy cannot be

created nor destroyed).

• Vì vậy, tổng năng lượng của vũ trụ là hằng số ( Therefore, the total energy of the universe is

a constant.)

• Năng lượng có thể chuyển đổi từ dạng này

sang dạng khác hoặc chuyển từ hệ thống này sang hệ thống khác ( Energy can, however,

be converted from one form to another or

transferred from a system to the surroundings

Các quá trình tự phát

(Spontaneous Processes)

• Quá trình tự phát là quá trình có

thể xảy ra không có sự tác động

của yếu tố bên ngoài

(Spontaneous processes are

those that can proceed without

any outside intervention.)

• Khí trong bình B sẽ tự phát

chuyển qua bình A, nhưng sẽ

không xảy ra trường hợp ngược

lại ( The gas in vessel B will

spontaneously effuse into vessel

A, but once the gas is in both

vessels, it will not

spontaneously)

Các quá trình tự phát

(Spontaneous Processes)

Quá trình tự phát xảy ra theo một hướng và không tự phát theo hướng ngược lại

(Processes that are spontaneous in one direction are onspontaneous in the

reverse direction.)

Các quá trình tự phát

(Spontaneous Processes)

• Quá trình tự phát ở một nhiệt độ nào đó nhưng không tự phát ở

nhiệt độ khác (Processes that are spontaneous at one temperature

may be nonspontaneous at other temperatures.)

• Ở 0 ° C nước đá tự tan chảy (Above 0 ° C it is spontaneous for ice to

melt.)

• Dưới 0 ° C quá trình ngược lại là tự phát (Below 0 ° C the reverse

process is spontaneous.)

(In a reversible process the system changes in such a way that the system and surroundings can be put back in their original states by exactly reversing the process)

Sự thay đổi là rất nhỏ ở quá trình thuận nghịch

Quá trình bất thuận nghịch Irreversible Processes

• Quá trình bất thuận nghịch không thể thực hiện quá trình ngược

lại khi hệ thống thay đổi

(Irreversible processes cannot be undone by exactly reversing

the change to the system)

• Tất cả các quá trình tự phát đều là bất thuận nghịch

(All Spontaneous processes are irreversible)

• Tất cả các quá trình xảy ra thực tế là bất thuận nghịch

• Entropy ( S) là thuật ngữ được Rudolph

Clausius đặt ra vào thế kỷ 19

(Entropy (S) is a term coined by Rudolph

Clausius in the 19th century.)

• Clausius đã xác định ý nghĩa của tỷ lệ nhiệt

lượng và nhiệt độ ở quá trình trao đổi nhiệt

(Clausius was convinced of the significance

of the ratio of heat delivered and the

temperature at which it is delivered)

q T

• Entropy có thể xem như sự đo lường tính

chất hổn loạn của hệ thống

( Entropy can be thought of as a measure

of the randomness of a system.)

• Nó có liên quan đến các dạng chuyển

động của các phân tử

(It is related to the various modes of

motion in molecules.)

• Gọi tổng năng lượng là E, và enthalpy là

H , entropy (S)là hàm trạng thái

(Like total energy, E, and enthalpy, H,

entropy is a state function)

• Cho nên (Therefore, )

∆ S = Sfinal − Sinitial

Sfinal= Entropy giaiđoạn cuối,Sinitial = Entropy giai đoạn đầu

qrev = Lượng nhiệt trao đổi khi quá trình xảy ra ở

nhiệt độ không đổi (The heat that is transferred when

the process is carried out reversibly at a constant

temperature.)

T = Nhiệt độ Kelvin (temperature in Kelvin)

Định luật 2 nhiệt động học

Second Law of Thermodynamics

The second law of thermodynamics: Entropy của vũ

trụ không thay đổi đối với quá trình thuận nghịch và

tăng lên đối với quá trình bất thuận nghịch

The entropy of the universe does not change for

reversible processes and increases for spontaneous

processes

Quá trình thuận nghịch (Reversible (ideal))

Quá trình bất thuận nghịch Irreversible (real, spontaneous):

Second Law of Thermodynamics

Quá trình thuận nghịch [Reversible (ideal):]

Quá trình bất thuận nghịch Irreversible (real, spontaneous):

“You can’t break even”

Second Law of Thermodynamics

Entropy của vũ trụ tăng, nhưng entropy có thể giảm ở

những hệ thống riêng lẽ ( The entropy of the universe

increases (real, spontaneous processes)

But, entropy can decrease for individual systems

Reversible (ideal):

Irreversible (real, spontaneous):

Entropy ở mức phân tử

(Entropy on the Molecular Scale)

• Ludwig Boltzmann đã mô tả khái niêm entropy ở mức

phân tử (Ludwig Boltzmann described the concept of

entropy on the molecular level)

• Nhiệt độ là sự đo lường năng lượng chuyển động trung

bình của các phân tử (Temperature is a measure of the

average kinetic energy of the molecules in a sample)

Entropy ở mức phân tử

(Entropy on the Molecular Scale)

• Các phân tử đều có dạng chuyển động riêng (Molecules exhibit several types of motion)

 Sự dịch chuyển: Chuyển động của các phân tử từ vị trí này sang vị trí khác

(Translational: Movement of the entire molecule from one place to

Entropy ở mức phân tử

(Entropy on the Molecular Scale)

• Boltzmann hình dung sự chuyển động của mẫu phân tử ở

thời điểm cụ thế nào đó (Boltzmann envisioned the motions

of a sample of molecules at a particular instant in time)

• Ông ta cho rằng trường hợp này tương tự như một trạng

thái của hệ thống nhiệt động học ( He referred to this

sampling as a microstate of the thermodynamic system.)

Entropy ở mức phân tử

(Entropy on the Molecular Scale)

• Mỗi một trạng thái nhiệt động học đều có giá trị số riêng của trạng thái, W, tương ứng với nó (Each thermodynamic state

has a specific number of microstates, W, associated with it).

• Entropy là (Entropy is)

S = k lnW

Ở đây K là hằng số Boltzmann (where k is the Boltzmann

constant, 1.38 × 10− 23 J/K)

Entropy ở mức phân tử

(Entropy on the Molecular Scale)Tóm lại (Implications)

• Nhiều phần tử (more particles)

-> Nhiều trạng thái (more states)-> S lớn (more entropy )

• Nhiệt độ cao higher T

-> Trạng thái Q cao (more energy states) -> S lớn (more entropy)

• Không có cấu trúc (less structure) (gas vs solid)

-> Nhiều trạng thái (more states)-> S lớn (more entropy )

Entropy ở mức phân tử

(Entropy on the Molecular Scale)

• Giá trị của trạng thái, do đó, entropy tăng theo sự tăng

của :

+ Nhiệt độ

+Thể tích

+ Số lượng các phân tử chuyển đông độc lập

(The number of microstates and, therefore, the entropy

tends to increase with increases in

 Temperature.

 Volume (gases).

 The number of independently moving molecules.

Entropy và trạng thái vật lý

Entropy and Physical States

• Entropy tăng theo sự

Some water molecules have less entropy (they are

grouped around ions)

Thông thường, có sự gia tăng chung entropy (Usually,

Sự biến đổi entropy

+ Số lượng phân tử khí tăng

+ Số lượng phân tử tăng

• In general, entropy increases when

 Gases are formed from liquids and

Định luật 3 nhiệt động học

Third Law of Thermodynamics

Entropy của chất kết tinh hoàn toàn ở

nhiệt độ không tuyệt đối là bằng không

(The entropy of a pure crystalline

substance at absolute zero is 0).

Chemical Thermodynamics

Định luật 3 nhiệt động học

Third Law of Thermodynamics

Entropy của chất kết tinh hoàn toàn ở nhiệt độ không tuyệt đối là bằng không

(The entropy of a pure crystalline substance at absolute zero is 0).

genres can rationalize this Fueled by the decay of the world, order and chaos unite, Entropy

is born

Music to make

Entropy tiêu chuẩn

Standard Entropies

• Có các giá trị entropy phân

tử của các chất trong trạng

thái tiêu chuẩn

(These are molar entropy

values of substances in their

standard states).

• Entropy tiêu chuẩn tăng theo

sự tăng khối lượng phân tử

(Standard entropies tend to

Entropy tiêu chuẩn

Standard Entropies

Tổ hợp các phân tử lớn có entropy lớn

nhất (Larger and more complex molecules

have greater entropies).

Sự biến đổi Entropy

Entropy Changes

Sự thay đổi S của một phản ứng có thể được

tính theo nhiều cách Có thể theo ∆ H: ( Entropy changes for a reaction can be calculated the

same way we used for ∆ H)

S° của một chất có thể tìm ở trong bảng

S° for each component is found in a table.

Môi trường và hệ thống

(Surroundings & system)

Sự biến đổi entropy in môi trường xung quanh

(Entropy Changes in Surroundings)

• Nhiệt lượng di chuyển vào hoặc ra khỏi hệ thống cũng

làm thay đổi S của môi trường bên ngoài

(Heat that flows into or out of the system also changes

the entropy of the surroundings)

• Đối với quá trình đẳng nhiệt (For an isothermal process)

Môi trường và hệ thống

(Surroundings & system)

Sự biến đổi entropy ở môi trường xung quanh

(Entropy Changes in Surroundings)

• Nhiệt lượng di chuyển vào hoặc ra khỏi hệ thống cũng làm thay đổi S của môi trường bên ngoài

Heat that flows into or out of the system also changes

the entropy of the surroundings

• For an isothermal process:

• Ở áp suât không đổi, qsys là dạng ∆H° đơn giản

của hệ thống

(At constant pressure, qsys is simply ∆H° for the

Mối liên quan giữa S và ∆ H : Các giai đoạn biến đổi

A phase change is isothermal (no

Sự thay đổi S của vũ trụ

Entropy Change in the Universe

• Vũ trụ bao gồm hệ thống và MT xung quanh

(The universe is composed of the system and

the surroundings).

Do đó (Therefore),

∆ Suniverse = ∆ Ssystem + ∆ Ssurroundings

Với quá trình tự phát Môi trường và hệ thống

(Surroundings & system)

Môi trường và hệ thống

(Surroundings & system)

Môi trường và hệ thống

(Surroundings & system)

= – Gibbs Free Energy

Cân bằng này tương tự (Make this equation nicer)

− T ∆ Suniverse được xem như năng lượng tự do

Gibbs (T ∆ Suniverse is defined as the Gibbs

free energy, ∆ G)

Đối với quá trình tự phát

Và do đó (And therefore) ∆ G < 0

…Gibbs Free Energy

So:

Gibbs Free Energy

1 Nếu ∆G số âm, phản ứng là

tự phát (If ∆G is negative, the

forward reaction is spontaneous)

the reaction is spontaneous

Sự thay đổi Q tự do tiêu chuẩn

Standard Free Energy Changes

Q tự do tiêu chuẩn cũng giống như enthalpy

tiêu chuẩn (Standard free energies of

formation, ∆ Gf° are analogous to standard

Sự thay đổi Q tự do

Free Energy Changes

Ta có cân bằng (Very key equation)

Cân bằng này cho thấy sự thay đổi ∆ G °

theo nhiệt độ (This equation shows how

∆ G ° changes with temperature)

Q tự do và nhiệt độ

Free Energy and Temperature

• Có 2 phần để tạo ra trạng thái cân bằng

năng lượng tự do (There are two parts

to the free energy equation)

 ∆ H ° — Giới hạn H (the enthalpy term)

 T ∆ S ° —Giới hạn S (the entropy term)

• Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của Q tụ do

được hình thành từ giới hạn entropy

(The temperature dependence of free

energy comes from the entropy term)

Free Energy and Temperature

By knowing the sign (+ or -) of ∆ S and ∆ H,

we can get the sign of ∆ G and determine if a

Q tự do và cân bằng

Free Energy and Equilibrium

Nhớ rõ hơn (Remember from above)

constant, K (chapter 15) The standard free

energy, ∆ G°, is directly linked to Keq by:

Q tự do và cân bằng

Free Energy and Equilibrium

Ở điều kiện bình thường, Chúng ta có thể sử