Bài giảng Nhiệt động lực học các hệ thống sống

Mục tiêu  Nắm nội dung, ý nghĩa nguyên lý thứ nguyên lý thư hai nhiệt động lực học  Vận dụng nguyên lý để nghiên cứu trình cân bằng, chiều diễn biến trình hệ  Áp dụng nguyên lý thứ thứ hai nhiệt động lực học hệ thống sống Nội dung - MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN - 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 BAÛN Hệ nhiệt động (hệ) Là vật thể hay tập hợp số lớn phần tử vật chất giới hạn khoảng không gian xác định thường tưởng tượng tách biệt với mơi trường xung quanh MƠI TRƯỜNG XUNG QUANH HỆ RANH GIỚI TRAO ĐỔI VỚI MÔI TRƯỜNG HỆ VẬT CHẤT NĂNG LƯỢNG CƠ LẬP KÍN (ĐĨNG) MỞ X X X Nội U Là đại lượng đặc trưng có mức độ vận động vật chất bên hệ Năng lượng hệ gồm: W = W đ + Wt + U động nội hệ NĐLH : Wđ = Wt = ãă W = U l mt hm ca trng thỏi Công nhiệt lượng (gọi tắt nhiệt) - Công: Là dạng truyền lượng làm thay đổi mức độ chuyển động có trật tự tồn hệ hay phần hệ (VD: khí giãn nở xylanh đẩy pittông chuyển động ) - Nhiệt: Là dạng truyền lượng trực tiếp phân tử chuyển động hỗn loạn hệ ( VD: đun nóng vật ,vận tốc phân tử gia tăng lên ) - Cơng nhiệt hàm q trình chuyển hóa lẫn II NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Phát biểu: Nhiệt lượng mà hệ nhận trình biến đổi tổng công mà hệ sinh độ biến thiên nơi hệ q trình biến đổi Q = U + A , U = U2 – U1 Trong biến đổi vô nhỏ, biểu thức viết lại là: Q = dU + A Quy ước: + Nếu A > hệ sinh công, A < hệ nhận công + Nếu Q > hệ nhận nhiệt, Q < hệ tỏa nhiệt + Nếu U > (tức U2 > U1) nội hệ tăng, U < (U2 < U1) nội hệ giảm Hệ - Chu trình ( q trình kín): U2 = U1 → U = ( nguyên lý I) Q=A Vậy hệ nhân công (A < ), hệ tỏa nhiệt (Q ,S tăng ↗(chiều diễn biến ) Khi hệ đạt đến trạng thái cân S = Smax trình bất thuận nghịch kết thúc 39 - Quan điểm thống kê S : + Đặc trưng cho mức độ hỗn loạn, vô trật tự phân bố phân tử hệ + Các trình diễn biến tự nhiên hệ cô lập có chiều cho entropie S tăng Hệ đạt trạng thái cân S cực đại (phân bố đđđồng đều) + Trường hợp cá biệt hệ diễn biến theo chiều entropie S giảm VI NGUYÊN LÝ THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC ÁP DỤNG CHO HỆ THỐNG SỐNG Entropie S Năng lượng tự F Đại lượng S ,F cho biết : khả chiều hướng xảy trình Từ nguyên lý II NĐLH : dS ≥ δ Q /T T dS ≥ δQ Đẳng nhiệt : T dS + S dT ≥ δ Q d ( T S) ≥ δ Q Từ nguyên lý I NĐLH: δ(TS) ≥ dU + δ A ⇒ δA ≤ - dU + d ( TS ) ⇒ δA ≤ - d (U - TS ) ⇒ δA ≤ - d F F = U-TS : lượng tự 41 Có F = U -TS → U = F + TS - Năng lượng tự F: dùng để sinh công - Năng lượng liên kết TS : phân tán dạng nhiệt • Hệ cô lập (U = const ),đẳng nhiệt : trình xảy có chiều cho ( entropie S tăng không đổi) lượng tự F giảm không đổi Ở trạng thái cân nhiệt động , entropi đạt giá trị cực đại Smax lượng tự Fmin = • Hiệu suất : Đánh giá phần lượng tự sử dụng hữu ích theå : A   ≤ F 42 Gradient THỨC ĂN AT P (Năng lượng tự ) CÔNG GRADIENT CÔNG Nguyên lý thứ hai NĐLH hệ thống sốâng - Đã biết Hệ cô lập , đẳng nhiệt (U = const ) Khi hệ cân nhiệt động, S → S max ,F → (hệ hỗn loạn vô trật tự nhất; hệ không khả sinh công ) - Cơ thể sống hệ mở; luôn trao đổi chất lượng với môi trường Hệ đạt trạng thái cân dừng S ≠ S max ,F = const ≠ ( hệ có trật tự , có khả sinh công ) 44 a Trạng thái dừng hệ thống sống - Đối với hệ thống sống hệ mở , hệ luôn trao đổi vật chất lượng với môi trường ( Entropi S giảm , lượng tự F lại tăng) hệ đủ để trì cân bằngï ,các thông số trạng thái hệ không đổi theo thời gian, ta nói hệ trạng thái dừng 45 Phân biệt cân dừng hệ mở so với cân nhiệt động hệ cô lập mà ta biết - Giống tượng thông số trạng thái không đổi - Khác phương thức trì trạng thái Ở cân nhiệt động khơng xảy q trình Trong cân dừng tốc độ chiều hướng q trình khơng đổi cân lẫn VD : Tế bào sử dụng lượng chuyển hóa đưa Na+ K+ vào nội bào Chính vận chuyển chủ động giữ nguyên nồng độ Na+ thấp K+ cao dịch nội bào Cân nhiệt động 1.Không có dòng vật chất vào môi Cân dừng 1.Có dòng không đổi vật chất vào trường khỏi hệ 2.Không cần tiêu phí lượng tự 2.Cần liên tục lượng tự để để trì cân trì cân 3.Năng lượng tự khả sinh 3.Năng lượng tự khả sinh công hệ không công hệ không đổi khác 4.Entropi hệ có giá trị cực đại 4.Entropi hệ không đạt giá trị cực đại Không có gradient hệ Có gradient hệ 47 - Mức trạng thái dừng dễ dàng bị dao động phụ thuộc vào điều kiện bên bên mà hệ mở chuyển sang mức trạng thái dừng khác b Sự biến đổi entropie hệ thống sống: Do hệ mở trao đổi vật chất lượng với môi trường bên nên : Hệ mở = Cơ thể + môi trường ⇒ dS = dSi + dSe (1) ( thể) (trong thể) ( tương tác môi trường) + dSi ( dSi > ) Do trình biến đổi bên hệ thống sống bất thuận nghịch ( phân tán nhiệt ) + dSe : Có thể âm ,dương Dòng vật chất có lượng tự F cao (S bé)vào F bé ( S cao ) khỏi thể Tương tự “ Cơ thể tiêu dùng Entropie âm “ (Schrodinger) 49 •* Khi dSe > : ⇒ dS > : Entropie toàn hệ tăng •* Khi dSe = : dS = dSi > Entropie toàn hệ tăng.(độ tăng • entropie toàn hệ độ tăng entropie bên hệ) •* Khi dSe < : có trường hợp : + Nếu dSe < dSi → dS > 0: Entropie toàn hệ tăng + Nếu dSe > dSi → dS < 0: Entropie toàn hệ giảm + Nếu dSe = dSi  → dS = 0: Entropie toàn hệ không đổi (S = const , lượng entropie bù đắp hoàn toàn từ môi trường bên ngoài): trạng thái dừng 50 Từ phương trình (1) cho tốc độ biến thiên entropie : dS dS i dSe   dt dt dt (công thức Prigogine) • - Ở trạng thái dừng (S = const) dS dSi dSe = + =0 dt dt dt ⇒ ↔ dSi dSe  0 dt dt - Tốc độ tăng entropie ( giảm lượng tự ) bên hệ tốc độ trao đổi entropie với môi trường xung quanh 51 - Prigogineđđđã chứng minh đđược :Tốc độ tăng entropie bên hệ dương nhận giá trị nhỏ giá trị (xu hướng hoạt động mức lượng thuận lợi gọi xu hướng tự làm ổn định) KẾT LUẬN Để trì trạng thái dừng , hệ thống sống phải trao đổi vật chất lượng với môi trường bên Nói khác đi, môi trường bên điều kiện tồn hệ thống sống 52 53 ... nguyên lý thư hai nhiệt động lực học  Vận dụng nguyên lý để nghiên cứu trình cân bằng, chiều diễn biến trình hệ  Áp dụng nguyên lý thứ thứ hai nhiệt động lực học hệ thống sống Nội dung - MỘT... = const γ = Cp/Cv : hệ số Poisson hay số đoạn nhiệt III NGUN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC ÁP DỤNG CHO HỆ THỐNG SỐNG Các dạng công – lượng thể - Công : Có dạng Cơng hóa học : công sinh tổng... thứ hai NĐLH hệ thống sốâng - Đã biết Hệ cô lập , đẳng nhiệt (U = const ) Khi hệ cân nhiệt động, S → S max ,F → (hệ hỗn loạn vô trật tự nhất; hệ không khả sinh công ) - Cơ thể sống hệ mở; luôn