Bài giảng lý sinh: Nhiệt sinh học pdf

CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC §1. Một số khái niệm: 1.1. Hệ nhiệt động: - Khái niệm: Tập hợp các vật thể, phân tử, nguyên tử,… giới hạn trong một không gian nhất định. - Ví dụ: Một thể tích nước trong bình, một khối khí trong xy lanh, một cơ thể sinh vật, một tế bào sống, BÀI GIẢNG LÝ SINH BÀI GIẢNG LÝ SINH  - Phân loại: 3 loại + Hệ nhiệt động cô lập: Không trao đổi vật chất và năng lượng với bên ngoài (nước trong một phích kín, cách nhiệt tốt) + Hệ nhiệt động kín (hệ đóng): Trao đổi năng lượng, không trao đổi vật chất (nước trong phích kín nhưng cách nhiệt kém). + Hệ nhiệt động mở: Trao đổi vật chất và năng lượng (nước trong phích hở, cơ thể sống của sinh vật, 1.2. Thông số trạng thái 1.2. Thông số trạng thái - Khái niệm: Các đại lượng đặc trưng cho trạng thái của một hệ nhiệt động - Ví dụ : + Hệ nhiệt động vật lý (như hệ khí,…): N, V, P, T, U, S ,… + Hệ nhiệt động là tế bào sống: Nồng độ chất, nồng độ ion, độ pH, áp suất thẩm thấu,… Khi hệ thay đổi trạng thái thì các thông số của hệ cũng thay đổi (theo những quy luật nhất định - quy luật nhiệt động) - Trạng thái cân bằng: Các thông số trạng thái không thay đổi theo thời gian Đạo hàm các thông số trạng thái của hệ theo thời gian = 0 - Quá trình cân bằng: Quá trình biến đổi của hệ gồm một chuỗi liên tiếp các trạng thái cân bằng Ví dụ: + Nén (dãn) vô cùng chậm khí trong một xy lanh có pit tông : Sự mất cân bằng n (hay P) của lớp khí sát mặt pít tông với các vùng khác trong hệ luôn kịp được san bằng bởi sự chuyển động hỗn loạn của các phân tử hệ luôn ở các trạng thái cân bằng về n (hay P) + Truyền nhiệt diễn ra vô cùng chậm của vật nóng cho vật lạnh: Chuyển động nhiệt hỗn loạn của các phân tử trong vật kịp san bằng chênh lệch nhiệt độ trong suốt quá trình truyền nhiệt vật luôn ở các trạng thái cân bằng nhiệt độ. - Quá trình thuận nghịch: + Quá trình biến đổi của hệ từ trạng thái này sang trạng thái khác, có thể thực hiện quá trình ngược lại + Quá trình ngược: Hệ trải qua tất cả các trạng thái trung gian như quá trình thuận. + Quá trình thuận nghịch chỉ có thể là tập hợp của các trạng thái cân bằng là quá trình cân bằng. - Quá trình bất thuận nghịch: + Quá trình biến đổi, quá trình ngược lại không thể tự xảy ra + Xảy ra quá trình ngược, làm môi trường xung quanh có thay đổi + Hệ không trải qua các trạng thái trung gian như quá trình thuận. Ví dụ: Quá trình truyền nhiệt, quá trình biến đổi công thành nhiệt,…. + Các quá trình xảy ra trong tự nhiên thường là bất thuân nghịch. 1.3. Nhiệt độ và đo nhiệt độ 1.3. Nhiệt độ và đo nhiệt độ - Cảm giác của con người: Một vật hay một môi trường là nóng, ấm hay lạnh, mát,…(Mang tính chủ quan, phụ thuộc vào trạng thái tâm, sinh lý của người quan sát). - Đánh giá một cách khách quan mức độ nóng, lạnh,…của đối tượng quan sát ? Dùng nhiệt độ. - Nguyên tắc đo nhiệt độ: Dựa trên sự thay đổi theo nhiệt độ của một tính chất nào đó của vật chất: Độ dài, thể tích, điện trở,… - Dụng cụ đo nhiệt độ: gọi là nhiệt kế - Nhiệt kế thường dùng: + Nhiệt kế thủy ngân: Sự thay đổi V thủy ngân theo t 0 + Nhiệt kế điện trở: Sự thay đổi R của kim loại theo t 0 + Nhiệt kế nhiệt điện: Sự thay đổi theo t 0 của hiệu điện thế tiếp xúc giữa hai kim loại),… [...]... Nguyên lý I nhiệt động học (tiếp theo) - Nếu có một quá trình hệ không nhận nhiệt lượng (Q = 0) mà liên tuc sinh công (A > 0) hoặc liên tục sinh công lớn hơn nhiệt lượng nhận vào (A > Q) thì ΔU = Q - A < 0 tức là U giảm dần đến hết nội năng (U = 0): quá trình dừng Vậy theo nguyên lý I: Không thể chế tạo động cơ vĩnh cửu loại I liên tục sinh công mà không nhận nhiệt lượng hoặc liên tục sinh công lớn hơn nhiệt. .. (T2 - T1) = c.m ΔT c (nhiệt dung riêng) là hệ số phụ thuộc bản chất của hệ - Đơn vị đo nhiệt lượng là calo (cal) Mối liên hệ giữa đơn vị Jun và calo: 1J = 0,24 cal ; 1cal = 4,18 J 2.2 Nguyên lý I nhiệt động học Nguyên lý I nhiệt động học là định luật bảo toàn năng lượng áp dụng cho quá trình nhiệt - Phát biểu: Nhiệt lượng mà hệ nhận được trong một quá trình bằng tổng công mà hệ sinh ra cộng với độ biến... từ V1 sang V2 sẽ thực hiện công: A= - Trong hệ sinh học luôn tồn tại các quá trình thực hiện công Công sinh học: Công mà cơ thể sinh vật sinh ra trong quá trình sống của chúng Có nhiều V2 dạng: ∫ pdV V1 + Công cơ học: Do cơ thể sinh ra khi có sự dịch chuyển các bộ phận, các cơ quan trong nội bộ cơ thể sinh vật hoặc toàn bộ cơ thể sinh vật Ví dụ: * Công sinh ra khi hô hấp: Được thực hiện bởi các cơ hô... lượng hoặc liên tục sinh công lớn hơn nhiệt lượng nhận vào 2.3 Nguyên lý I nhiệt động học áp dụng cho chuyển hóa hóa học 2.3.1 Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học: - Khái niệm: Hiệu ứng nhiệt (dQ) của phản ứng hóa học là lượng nhiệt hệ sinh ra trong phản ứng: -Q - Xét phản ứng diễn ra trong điều kiện đẳng tích Q = - dU A=0 Vậy: Hiệu ứng nhiệt trong quá trính đẳng tích bằng độ giảm nội năng của hệ dQ =... công, nhiệt lượng: 2.1.1 Nội năng (U): - Khái niệm: + Toàn bộ năng lượng chứa trong hệ + Năng lượng chuyển động nhiệt, năng lượng dao động của các phân tử, nguyên tử, năng lượng chuyển động của các electrron, năng lượng hạt nhân,… + Năng lượng tương tác của hệ với bên ngoài và động năng chuyển động của cả hệ không được tính vào nội năng - Đơn vị đo nội năng là jun (J) §2 Nguyên lý I nhiệt động học với... điểm chuẩn khác nhau mà có các thang nhiệt độ (nhiệt giai) khác 0 0 nhau: Reomur ( R), Fahreinheit ( F), 0 100 C 0 373,16 K 0 80 R 0 212 F 0 0 C 0 273,16 K 0 0 R 0 32 F 0 0 0 n C = (0,8 n) R =(1,8n + 32) F - Chú ý: + Thang nhiệt độ Kelvin dựa trên cơ sở nhiệt độ chỉ là đại lượng phản ánh mức độ chuyển động, phản ánh động năng trung bình của các phân tử trong hệ nhiệt động mà không phụ thuộc các vật... theo một chiều xác định,… * Công sinh ra khi động vật chạy, khi côn trùng bay,… + Công hóa học: Công tổng hợp các chất cao phân tử sinh vật từ các phân tử có phân tử lượng thấp hơn: Tổng hợp protein, axit amin, axit nucleic từ mononucleotit, tổng hợp gluxit từ monosacarit,… + Công điện: Sinh ra khi dịch chuyển các ion trong điện trường, thực hiện khi xuất hiện điện thế sinh vật, khi dẫn truyền kích thích... đẳng áp: dQp = -Q = - dU – PdV = -d(U + PV) = -dH Đại lượng H = U + PV gọi là entanpi của hệ Vậy: Hiệu ứng nhiệt trong quá trình đẳng áp bằng độ giảm entanpi của hệ 2.3.2 Định luật Hertz Khi áp dụng nguyên lý I cho các chuyển hóa hóa học, Hertz đưa ra đinh luật: Hiệu ứng nhiệt của các chuyển hóa hóa học xảy ra qua các quá trình trung gian chỉ phụ thuộc vào dạng và trạng thái của các chất ban đầu và chất... định hiệu ứng nhiệt của các phản ứng mà vì lý do nào đó không thể xảy ra trong điều kiện thí nghiệm hoặc không thể đo trực tiếp được hiệu ứng nhiệt của nó Ví dụ: - Ta không thể xác định được hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháy cacbon (C) ở thể rắn thành oxidcacbon (CO) ở thể khí vì trong quá trình đốt luôn có kèm theo một lượng khí CO2 thoát ra - Tuy nhiên có thể xác định được hiệu ứng nhiệt của hai... thế,… 2.1.3 Nhiệt lượng (Q) - Khái niệm: trao Số đo phần năng lượng trao đổi giữa hai hệ sau quá trình tương tác thông qua sự đổi trực tiếp năng lượng giữa các phân tử chuyển động hỗn loạn trong các hệ đó - Ví dụ: Phần năng lượng truyền từ vật nóng cho vật lạnh khi tiếp xúc nhau - Đặc điểm: Nhiệt lượng cũng phụ thuộc quá trình biến đổi Một hệ có khối lượng m nhận nhiệt lượng Q và tăng nhiệt độ từ . trong bình, một khối khí trong xy lanh, một cơ thể sinh vật, một tế bào sống, BÀI GIẢNG LÝ SINH BÀI GIẢNG LÝ SINH  - Phân loại: 3 loại + Hệ nhiệt động cô lập: Không trao đổi vật chất và năng. tế bào chết thì gradien mất đi. §2. Nguyên lý I nhiệt động học với hệ §2. Nguyên lý I nhiệt động học với hệ sinh vật sinh vật 2.1. Nội năng, công, nhiệt lượng:  2.1.1. Nội năng (U): - Khái. Dụng cụ đo nhiệt độ: gọi là nhiệt kế - Nhiệt kế thường dùng: + Nhiệt kế thủy ngân: Sự thay đổi V thủy ngân theo t 0 + Nhiệt kế điện trở: Sự thay đổi R của kim loại theo t 0 + Nhiệt kế nhiệt điện: