Nhiệt động lực học các hệ sinh vật

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ NGÔ THỊ MƠ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CÁC HỆ SINH VẬT Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học ThS. NGUYỄN THỊ PHƢƠNG LAN HÀ NỘI - 2015 LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đến cô giáo Th.S. Nguyễn Thị Phƣơng Lan ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo và tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành khóa luận này. Em xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo trƣờng ĐHSP Hà Nội 2 cùng các thầy cô giáo khoa Vật lý đã giúp đỡ em trong quá trình học tập tại trƣờng và tạo điều kiện thuận lợi cho em đƣợc thực hiện khóa luận tốt nghiệp. Trong quá trình nghiên cứu, không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Kính mong đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn để đề tài đƣợc hoàn thiện hơn. Em xin trân trọng cảm ơn cảm ơn! Hà Nội, ngày 5 tháng 5 năm 2015 Ngƣời thực hiện Ngô Thị Mơ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài “Nhiệt động lực học các hệ sinh vật” là kết quả nghiên cứu của chính tôi. Trong quá trình nghiên cứu có sử dụng tài liệu của một số nhà nghiên cứu, một số tác giả khác. Tuy nhiên đó chỉ là cơ sở để rút ra đƣợc những vấn đề cần tìm hiểu ở đề tài của mình. Đây là kết quả của riêng cá nhân tôi, hoàn toàn không trùng với bất kỳ kết quả của tác giả khác. Tôi xin chịu trách nhiệm về sự cam đoan này. Hà Nội, ngày 5 tháng 5 năm 2015 Sinh viên Ngô Thị Mơ MỤC LỤC PHẦN I: MỞ ĐẦU ........................................................................................... 1 1.1. Lý do chọn đề tài. ....................................................................................... 1 1.2. Mục đích nghiên cứu. ................................................................................. 2 1.3. Đối tƣợng nghiên cứu................................................................................ 2 1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu............................................................................ 2 1.5. Cấu trúc. ..................................................................................................... 2 PHẦN II: NỘI DUNG ...................................................................................... 3 CHƢƠNG 1: NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA ............................................ 3 NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC................................................................................ 3 1.1. Nguyên lý thứ nhất của NĐLH. ................................................................. 3 1.1.1. Công và nhiệt lƣợng ................................................................................ 3 1.1.2. Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học ( NĐLH ). .......................... 4 1.1.3. Nhiệt dung. Liên hệ giữa các nhiệt dung ................................................ 7 1.1.5. Hạn chế và giới hạn áp dụng của nguyên lý I nhiệt động lực học. ......... 9 1.2. Nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học (NĐLH). ........................................ 9 1.2.1. Phát biểu nguyên lý II. .......................................................................... 10 1.2.2. Định lý Carnot. ...................................................................................... 13 1.2.3. Phát biểu định lƣợng nguyên lý II NĐLH. ........................................... 14 1.2.4. Hạn chế và giới hạn áp dụng của nguyên lý thứ II nhiêt động lực học. 15 1.3. Định lý Nerst hay nguyên lý thứ 3 nguyên lý nhiệt động lực học. ......... 16 1.3.1. Định lý Nerst. ........................................................................................ 16 1.3.2. Các hệ quả của định lý Nerst. ............................................................... 16 CHƢƠNG 2: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC ....................................................... 19 CÁC HỆ SINH VẬT ....................................................................................... 19 2.1. Cơ thể sống là một hệ nhiệt động mở. ..................................................... 19 2.2. Nguyên lý I nhiệt động lực học áp dụng cho hệ thống sống . ................. 20 2.2.1. Các dạng công trong cơ thể. .................................................................. 21 2.2.2. Nội năng. ............................................................................................... 21 2.2.3. Nhiệt sơ cấp và nhiệt thứ cấp. ............................................................... 23 2.2.4. Bảo toàn năng lƣợng trong cơ thể sống. ............................................... 25 2.2.5. Định luật Hess. ...................................................................................... 26 2.3. Nguyên lý II nhiệt động lực học áp dụng cho hệ thống sống. ................. 28 2.3.1. Entropi và năng lƣợng tự do. ................................................................ 29 2.3.2. Entropi và xác suất nhiệt động. ............................................................. 31 2.3.3. Nguyên lý II nhiệt động và các hệ thống mở. ....................................... 32 2.3.4. Các trạng thái dừng. .............................................................................. 34 2.4. Ứng dụng các nguyên lý nhiệt động trong y học. .................................... 37 2.4.1. Cơ thể sống nhƣ một toàn bộ. ............................................................... 38 2.4.2. Tác nhân vật lý, vật lý trị liệu. .............................................................. 41 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 45 PHẦN I: MỞ ĐẦU 1.1. Lý do chọn đề tài. Trong những phát triển nổi bật của y học những năm gần đây, đáng lƣu ý là sự phát triển của y học theo hƣớng khoa học- công nghệ. Việc ứng dụng thành công các kết quả của vật lý, toán học, tin học, hóa học,…đã giúp y học rất nhiều. Y học đƣợc hỗ trợ bởi một hệ thống thiết bị kĩ thuật hiện đại, không những nâng cao chất lƣợng công việc bên cạnh đó nhiều khi còn thay đổi cả phƣơng pháp và tổ chức. Đó là những thay đổi có ý nghĩa bản chất khiến cho nhiều khi y học mang dáng vẻ của một ngƣời khoa học chính xác nhƣ: toán học và vật lý học. Nhiệt động lực học là môn học nghiên cứu các quy luật tính của chuyển động nhiệt trong các hệ cân bằng và khi hệ chuyển về trạng thái cân bằng. Đồng thời khái quát hóa các quy luật tính đó cho các hệ không cân bằng. Cơ sở của nhiệt động lực học là những định luật tự nhiên tổng quát mà ngƣời ta gọi đó là các nguyên lý. Các nguyên lý này là sự tổng quát hoá các kinh nghiệm lâu đời của nhân loại và đƣợc xác nhận bằng thực nghiệm. chính vì thế việc tìm kiếm và đƣa ra cách tiếp cận môn học để có hiệu quả là rất cần thiết. Sự phát triển thành công trong y học nhƣ ngày nay đƣơng nhiên cũng kèm theo không ít thách thức mà thách thức trƣớc hết nằm ở bản thân khoa học và đào tạo cán bộ khoa học. Trên thế giới đã hình thành những chuyên ngành mới nhƣ: kĩ thuật y sinh học, vật lý y sinh, vật lý y học. Đó là nền tảng khoa học của việc ứng dụng khoa học tự nhiên cũng nhƣ kĩ thuật trong y học. Đó là ngành khoa học độc lập mang tính chất liên ngành và giao ngành với: đối tƣợng riêng, có phƣơng pháp riêng, nội dung nghiên cứu riêng và lĩnh vực phục vụ riêng. Vì vậy trong y học, việc hiểu rõ tính chất vật lý của các vật thể 1 sống là điều rất quan trọng do đó tôi chọn đề tài: “ Nhiệt động lực học các hệ sinh vật”. 1.2. Mục đích nghiên cứu. - Nghiên cứu các nguyên lí cơ bản của nhiệt động lực học. - Áp dụng nhiệt động lực học đối với các hệ sinh vật thực. 1.3. Đối tƣợng nghiên cứu. - Các nguyên lí cơ bản của nhiệt động lực học. - Nhiệt động lực học áp dụng cho các hệ thống sống. 1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu. - Đọc tài liệu tham khảo. - Tìm hiểu các bài nghiên cứu khoa học có liên quan. 1.5. Cấu trúc. 2 PHẦN II: NỘI DUNG CHƢƠNG 1: NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 1.1. Nguyên lý thứ nhất của NĐLH. 1.1.1. Công và nhiệt lƣợng - Công là phần tử  A do hệ sinh ra trong quá trình cân bằng khi thông số ngoài ai thay đổi một lƣợng vô cùng bé là dai :  A  Ada i i Trong đó: Ai là lực suy rộng ứng với thông số ngoài ai . Khi ai là thể tích V , Ai là áp suất P thì công sinh ra làm dãn nở khối khí từ V  V  dV sẽ là:  A  PdV Khi ai là chiều dài của dây l , Ai là lực ngƣợc chiều với lực kéo F thì công sinh ra khi dây dãn từ l  l  dl sẽ là:  A  Fdl Khi ai là diện tích mặt ngoài S , Ai lực chống lại sức căng mặt ngoài  thì công sinh ra khi diện tích mặt ngoài biến thiên từ S  S  dS sẽ là:  A   dS Khi hệ tƣơng tác với môi trƣờng xung quanh sẽ xảy ra sự trao đổi năng lƣợng: Nếu hệ nhận năng lƣợng với sự thay đổi thông số ngoài thì vật nhận công; còn nếu hệ nhận năng lƣợng mà không làm thay đổi thông số ngoài thì vật nhận nhiệt lƣợng. - Quy ƣớc: 3 + Công dƣơng nếu hệ sinh công trên các vật bên ngoài và công âm nếu hệ nhận công từ các vật bên ngoài. + Nhiệt lƣợng dƣơng nếu hệ nhận nhiệt từ các vật bên ngoài và nhiệt lƣợng âm nếu hệ tỏa nhiệt ra các vật bên ngoài. 1.1.2. Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học ( NĐLH ). Mọi tập hợp các vật đƣợc xác định hoàn toàn bởi một số các thông số vĩ mô độc lập với nhau đƣợc gọi là hệ vĩ mô hay hệ nhiệt động. Tất cả các vật ở bên ngoài hệ đƣợc gọi là môi trƣờng. Mọi hệ có thể chia làm 2 loại: Hệ cô lập và hệ không cô lập. Hệ cô lập là hệ không trao đổi “vật chất” với môi trƣờng bên ngoài. Hệ không cô lập gồm hệ kín và hệ mở: Hệ kín là hệ không trao đổi “vật chất” nhƣng trao đổi năng lƣợng với môi trƣờng bên ngoài. Hệ mở là hệ trao đổi cả “vật chất" và năng lƣợng với môi trƣờng xung quanh. P Xét một hệ nhiệt động tƣơng tác với P môi trƣờng xung quanh và chuyển từ trạng thái ban I đầu I đến trạng thái cuối F . Gọi: Q là nhiệt lƣợng mà hệ nhận đƣợc A là công mà hệ sinh ra trong quá trình biến đổi . F Thực nghiệm chứng tỏ rằng nhiệt lƣợng Q mà hệ nhận đƣợc và công A mà hệ sinh ra V không chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng Hình 1.1. Giản đồ (P,V) biểu diễn quá trình chuyển trạng thái từ I đến F thái cuối mà còn phụ thuộc vào quá trình cụ thể chuyển hệ từ I tới F . 4 - Xét đại lƣợng Q  A (năng lƣợng mà hệ nhận đƣợc khi chuyển từ I tới F ) thì đại lƣợng này chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối mà không phụ thuộc vào quá trình chuyển hệ từ I tới F . Ta có U  Q  A (I.1) Vì U chỉ phụ thuộc vào trạng thái I và F nên ta có thể coi đó là độ biến thiên của một hàm phụ thuộc trạng thái. U  U  F   U  I  Trong đó: U là độ tăng nội năng của hệ. U  I  là nội năng của hệ ở trạng thái I . U  F  là nội năng của hệ ở trạng thái F . Biểu thức (I.1) thể hiện nội dung của nguyên lý thứ nhất của Nhiệt đông lực học (NĐLH). Nguyên lý thứ nhất của Nhiệt động lực học chính là định luật bảo toàn năng lƣợng phát biểu cho một hệ NĐLH: “Tổng năng lƣợng Q  A mà hệ nhận đƣợc trong một quá trình bằng độ tăng nội năng U của hệ, độ tăng này chỉ phụ thuộc trạng thái đầu và trạng thái cuối của quá trình”. Ý nghĩa của nguyên lý I. Nguyên lý I nhiệt động học đóng vai trò quan trọng trong việc nhận thức tự nhiên cũng nhƣ trong khoa học và kỹ thuật. Về lý luận: Nguyên lý I là định luật bảo toàn và biến đổi vận động, một cơ sở của chủ nghĩa duy vật biện chứng. Bất cứ một dạng vận động nào cũng đều có thể và bắt buộc phải chuyển sang một dạng vận động khác. Nguyên lý I là một quy luật tuyệt đối của thiên nhiên. Về công nghệ: Nguyên lý I khẳng định không thể chế tạo đƣợc động cơ vĩnh cửu loại 1- máy làm việc tuần hoàn sinh công mà lại không nhận thêm năng lƣợng từ bên ngoài hoặc sinh công lớn hơn năng lƣơng truyền cho nó. 5 Xét một quá trình vô cùng nhỏ thì theo nguyên lý thứ nhất ta có: dU   Q   A (I.2) Với dU chỉ sự biến đổi nội năng, là hàm số của trạng thái.  A, Q chỉ sự biến đổi công và nhiệt, là hàm số của quá trình. Khi đó (I.1) và (I.2) chính là biểu thức giải tích của nguyên lý thứ nhất NĐLH. Từ định luật I NĐLH dẫn tới các hệ quả sau:  Nếu hệ biến đổi theo một chu trình kín ( có trạng thái đầu và trạng thái cuối trùng nhau) thì nội năng của hệ sẽ không thay đổi ( U 2  U1  U  0 ).  Khi cung cấp cho hệ một nhiệt lƣợng nếu hệ không thực hiên công thì toàn bộ nhiệt lƣợng mà hệ nhận đƣợc sẽ làm tăng nội năng của hệ. Theo (I.1) U  U 2  U1  Q  A . Nếu A  0 , vì hệ nhận nhiệt lƣợng nên Q  0  U 2  U1  Q  0  U 2  U1 .  Khi không cung cấp nhiệt lƣợng cho hệ mà hệ muốn thực hiện công thì chỉ có cách là làm giảm nội năng của hệ. Theo (I.1) U  U 2  U1  Q  A . Khi Q  0  U 2  U1   A hay A  U1  U 2 . Hệ sinh công: A  0  U1  U 2  0  U1  U 2 .  Hệ thực hiện theo chu trình kín, nếu không cung cấp nhiệt lƣợng cho hệ thì hệ không có khả năng sinh công. Từ (I.1): U  Q  A . Nếu hệ thực hiện theo chu trình khép kín  U  0  Q  A  0  Q  A . Nếu không cung cấp nhiệt lƣợng hay Q  0  A  0 . Hệ quả này có thể phát biểu dƣới dạng: “ Không thể chế tạo động cơ vĩnh cửu loại một, là loại động cơ không cần cung cấp năng lƣợng nhƣng vẫn có khả năng sinh công”. 6 1.1.3. Nhiệt dung. Liên hệ giữa các nhiệt dung Nếu truyền một nhiệt lƣợng  Q cho một vật thì nhiệt độ của vật ấy tăng lên . Gọi dT là độ tăng nhiệt độ, khi đó nhiệt dung c của vật đƣợc định nghĩa là tỷ số: c Q T Nhiệt dung riêng c của chất tạo nên vật là nhiệt dung của vật nếu vật đồng chất và có khối lƣợng bằng đơn vị. Nhiệt dung mol C của chất tạo nên vật là nhiệt dung của vật nếu vật đồng chất và có khối lƣợng bằng 1mol. - Hệ thức liên hệ giữa c và C : m.c   .C Trong đó : m là khối lƣợng,  là số mol. Với vật biến đổi đẳng tích hay đẳng áp thì nhiệt dung mol đẳng tích và nhiệt dung mol đẳng áp của chất tạo nên vật tƣơng ứng là:  Q   Q  CV    ; CP     dT V  dT  P - Hệ thức liên hệ giữa CV và CP Xét hệ gồm 1mol và coi nội năng U là hàm của thể tích V và nhiệt độ T của hệ, tức là: U  U (V ,T ) . Tính vi phân toàn phần của hàm U ta có :  U   U  dU    dV    dT (I.3)  V  T  T  V Từ biểu thức giải tích của nguyên lý thứ nhất NĐLH: dU   Q   A ta suy ra biểu thức của nhiệt lƣợng  Q mà hệ nhận đƣợc:  U   U   dV    dT  P.dV  V T  T V Q   7  U   Nếu hệ biến đổi đẳng tích  dV  0  thì:  Q    dT  T V  U  Mà  Q  CV .dT  CV     T V  Nếu hệ biến đổi đẳng áp  P  const  thì  Q  C p .dT  U  Nhƣ vậy ta có: C p dT  CV dT    dV  PdV  V T Hay:  U    U    V   P dV  C  C   P  P V   V    T  (I.4) T P  V T     CP  CV  dT   Đây chính là hệ thức liên hệ giữa CV và CP . * Quá trình đẳng áp  P  const  2 2 1 1 A   PdV  P  dV  P V2  V1   U  Q  P V2  V1  Với V1 ,V2 lần lƣợt là thể tích của hệ ở trạng thái đầu và trạng thái cuối của quá trình. *Quá trình đẳng tích V  const  : A  0, U  Q  Trong quá trình đẳng tích, độ tăng nội năng U bằng nhiệt mà hệ nhận đƣợc. *Quá trình đẳng nhiệt T  const  đối với khí lý tƣởng Vì nội năng U không phụ thuộc vào thể tích mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ nên U  0  Q  A Vậy trong quá trình đẳng nhiệt, công sinh ra bởi 1 mol khí lý tƣởng bằng nhiệt lƣợng mà nó nhận đƣợc. 8 *Quá trình đoạn nhiệt: Q  0  U   A 1.1.5. Hạn chế và giới hạn áp dụng của nguyên lý I nhiệt động lực học. Nguyên lý I nhiệt động lực học đƣợc áp dụng cho hệ cô lập. Nguyên lý I không cho biết đƣợc chiều diễn biến của một quá trình thực tế xảy ra.Chẳng hạn, trong một hệ xảy ra quá trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh. Nguyên lý I không bị vi phạm song thực tế quá trình truyền nhiệt từ vật lạnh sang vật nóng là không thể xảy ra. Nguyên lý I nêu lên đƣợc sự khác nhau trong quá trình chuyển hóa giữa công và nhiệt. Theo nguyên lý I công và nhiệt lƣợng là tƣơng đƣơng nhau và có thể chuyển hóa lẫn nhau nhƣng thực tế công có thể biến đổi hoàn toàn thành nhiệt còn nhiệt chỉ có thể biến đổi một phần thành công. Nguyên lý một cũng chƣa đề cập tới hiệu suất truyền nhiệt. Trong thực tế hiệu suất của quá trình truyền nhiệt từ môi trƣờng có nhiệt độ cao sang môi trƣờng có nhiệt độ thấp cao hơn quá trình ngƣợc lại. Nguyên lý II sẽ bổ sung và khắc phục những hạn chế ở trên. 1.2. Nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học (NĐLH). Dựa vào nguyên lý thứ nhất NĐLH và phƣơng trình trạng thái (PTTT) ta có thể giải quyết đƣợc nhiều vấn đề của NĐLH. Tuy nhiên nguyên lý thứ nhất hoàn toàn không đề cập đến chiều diễn biến của quá trình. Theo nguyên lý này thì một quá trình bất kỳ không vi phạm định luật bảo toàn năng lƣợng về nguyên tắc có thể xảy ra. Ví dụ: Cho 2 vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau. Theo nguyên lý I thì nhiệt lƣợng vật này nhận đƣợc sẽ bằng nhiệt lƣợng vật kia nhả ra. Nhƣng chiều truyền nhiệt nhƣ thế nào, từ vật nóng sang vật lạnh hay từ vật lạnh sang vật nóng thì không thể suy ra đƣợc từ nguyên lý thứ nhất. Mà trong thực tế chỉ có một chiều truyền nhiệt nhất định là chiều truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh, quá trình diễn biến theo chiều ngƣợc lại không thể tự nó 9 xảy ra đƣợc. Nhƣ vậy tức là các quá trình xảy ra trong thiên nhiên có nhiều diễn biến tuân theo một quy luật nào đó, quy luật đó đƣợc phát biểu thành nguyên lý thứ 2 của “Nhiệt động lực học”. Nguyên lý này là kết quả khái quát hóa các dữ liệu thực nghiệm, đó là định luật về chiều diễn biến của các quá trình trong đó có sự trao đổi nhiệt và công. 1.2.1.Phát biểu nguyên lý II. - Phát biểu của Clausius đƣa ra năm 1850: “Nhiệt không thể truyền tự động từ vật lạnh sang vật nóng”. - Phát biểu của Thomson phát triển tiên đề của Clausius: “Không thể có một quá trình biến đổi chuyển toàn bộ nhiệt lƣợng thành công”. Nói cách khác là không thể có động cơ vĩnh cửu loại II. Theo cách phát biểu này thì hiệu suất hữu ích của quá trình bao giờ cũng nhỏ hơn 1. Điều này có nghĩa trong tự nhiên không có 1 quá trình nào có thể chuyển toàn bộ nhiệt lƣợng đƣợc cung cấp thành công hữu ích. Đối với các quá trình diễn ra trong hệ thống sống có tuân theo cách phát biểu của Thomson hay không? Vấn đề này sẽ đƣợc đề cập đến ở phần sau. Hai cách phát biểu trên là tƣơng đƣơng với nhau. - Cách phát biểu thứ ba trên cơ sở ý kiến của Planck: Cho rằng Entropi là một đại lƣợng đầy đủ và cần thiết để xác định tính thuận nghịch và không thuận nghịch của bất kì quá trình vật lý nào diễn ra trong thiên nhiên.Vậy entropi là gì? Khi đi sâu phân tích sự diễn biến tự nhiên của các quá trình nhiệt động ta thấy rằng các quá trình đó bao giờ cũng diễn biến theo xu hƣớng sao cho tính mất trật tự hay tính ngẫu nhiên ở trạng thái cuối bao giờ cũng lớn hơn tính mất trật tự ở trạng thái đầu. Chúng ta hãy xét một quá trình dãn nở đẳng nhiệt rất nhỏ của chất khí lý tƣởng. Trong quá trình này, chúng ta phải cung cấp cho hệ một lƣợng nhiệt vô cùng bé dQ để làm cho thể tích của hệ dãn nở 10 thêm một lƣợng là dV mà vẫn giữ nguyên ở nhiệt độ T . Vì nội năng của khí chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nó nên trong quá trình này nội năng của khí không thay đổi  U  0  . Theo nguyên lý I ta có: U  dQ  dA  0 hay dQ  dA  pdV . Từ PTTT của khí lí tƣởng (KLT): pV  p M  RT ta suy ra: M dV M RT dV    dQ  dQ  pdV  RT . hay . .   V  V V  MR  T Khi dãn nở, thể tích của chất khí tăng thêm một lƣợng là dV và do đó thể tích ở trạng thái cuối là V  dV  . Các phân tử khí chuyển động trong một không gian lớn hơn do đó tính mất trật tự của chúng đƣợc tăng lên. Từ đó ta định nghĩa sự thay đổi của entropy (dS ) trong quá trình dãn nở đẳng nhiệt ở trên bằng biểu thức: dS  dQ T (I.5) Vì quá trình đẳng nhiệt là một quá trình thuận nghịch nên ta có thể mở rộng định nghĩa trên cho một quá trình thuận nghịch bất kỳ. Ta gọi độ biến thiên S của entropy khi hệ chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 trong một quá trình đẳng nhiệt là: Q S  S  S  2 1 T (I.6) Định nghĩa (I.6) chỉ áp dụng cho quá trình thuận nghịch và đẳng nhiệt mà không áp dụng đƣợc cho một quá trình thuận nghịch trong đó có sự thay đổi của nhiệt độ. Tuy nhiên, ta có thể mở rộng (I.6) cho quá trình thuận nghịch trong đó có sự thay đổi của nhiệt độ bằng cách: Chia nhiệt lƣợng Q mà hệ hấp thụ thành những khoảng nhiệt lƣợng vô cùng bé Q , Q ,..., Qi ,..., Qn sao cho trong những khoảng đó thì nhiệt độ có thể 1 2 coi nhƣ không đổi và áp dụng (I.6) để tính sự thay đổi của entropy trong các 11 khoảng đó, tức là ta có Q Q 1 , 2 ,... sau đó cộng tất cả các sự thay đổi T T 1 2 entropy lại thì ta sẽ đƣợc sự thay đổi của entropy của toàn bộ quá trình, tức là Q 2 dQ  i hay tổng quát hơn ta có: S  S2  S1   i Ti 1 T (I.7) Vậy entropy là một hàm trạng thái của hệ NĐLH mà độ biến thiên khi hệ chuyển từ trạng thái đầu (I) sang trạng thái cuối (F) bằng nhiệt lượng thu gọn mà hệ nhận được trong quá trình thuận nghịch chuyển hệ từ (I) tới (F). Entropy được định nghĩa từ độ biến thiên khi hệ chuyển trạng thái từ trạng thái đầu sang trạng thái cuối, do đó được xác định sai kém một hằng số cộng. Ngoài ra entropy còn có cộng tính. Ta có thể phát biểu định lƣợng nguyên lí thứ II dƣới một hình thức khác,  đó là bất đẳng thức Claudiut 5 :  Q  0 hay T dQ T  0 (I.8a) Hoặc viết dƣới dạng tích phân:  dQ 0 T (I.8b) Nguyên lý tăng của entropy (một cách phát biểu khác của nguyên lý II). Xét một hệ kín, hệ không trao đổi nhiệt và công với bên ngoài. Khi hệ thực hiện một quá trình biến đổi từ trạng thái I đến trạng thái F thì nhiệt lƣợng Q 0 thu gọn mà hệ thu đƣợc bằng 0:  T IF Q  SF  SI Áp dụng công thức (I.8b) t đƣợc:  T IF 12 (I.9)  SF  SI  0  (I.10)  Nếu hệ là một hệ cô lập về nhiệt Q  0 thì từ biểu thức trên ta suy ra: S  0 (f) Dấu “=” nếu quá trình là thuận nghịch, dấu “>” nếu quá trình không thuận nghịch. Vậy entropy của một hệ kín giữ không đổi hoặc tăng tùy theo quá trình xảy ra trong hệ là thuận nghịch hay không thuận nghịch. Đây là nguyên lý về sự tăng entropy. Từ đây ta có thể kết luận: các quá trình nhiệt động xảy ra trong một hệ cô lập không thể làm giảm entropy của hệ. Vì tất cả các quá trình tự nhiên đều là các quá trình không thuận nghịch nên trong các quá trình đó entropy luôn luôn tăng. Vậy ta có thể phát biểu nguyên lý II nhiệt động lực học dƣới dạng sau: Trong một hệ cô lập thì các quá trình tự nhiên xảy ra theo chiều tăng của entropy. Biểu thức S  0 chính là biểu thức định lƣợng biểu diễn nguyên lý II. 1.2.2. Định lý Carnot. 1.2.2.1. Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch. Quá trình thuận nghịch là quá trình có thể diễn biến theo cả chiều thuận và chiều ngƣợc lại. Ngoài ra khi diễn biến theo chiều ngƣợc thì sau khi trở về trạng thái ban đấu sẽ không có sự thay đổi nào trong hệ cũng nhƣ môi trƣờng xung quanh. Quá trình không thuận nghịch là quá trình khi tiến hành theo chiều ngƣợc lại hệ không qua đầy đủ các trạng thái trung gian nhƣ trong quá trình thuận nghịch. 1.2.2.2. Định lý Carnot. Chu trình Carnot là chu trình gồm 2 quá trình đoạn nhiệt và 2 quá trình đẳng nhiệt xen kẽ nhau. 13 Nội dung định lý: Hiệu suất của các động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động theo chu trình Carnot với cùng nguồn nóng và nguồn lạnh thì bằng nhau và không phụ thuộc vào tác nhân cũng nhƣ kết cấu của động cơ. Hiệu suất của các động cơ nhiệt không thuận nghịch thì nhỏ hơn hiệu suất của các động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động với cùng nguồn nóng và nguồn lạnh. 1.2.3. Phát biểu định lƣợng nguyên lý II NĐLH. Từ biểu thức hiệu suất của chu trình Carnot thuận nghịch :  T1  T2 T1  Q1  Q2 Q1 Ta có thể phát biểu một cách định lƣợng nguyên lý II NĐLH đối với chu trình thuận nghịch và không thuận nghịch hoạt động với cùng một nguồn nóng và một nguồn lạnh dƣới dạng bất đẳng thức sau: Q1  Q2 T1  T2  Q1 T1 Trong đó: Q1 là nhiệt lƣợng nhận đƣợc Q2 là nhiệt lƣợng nhả ra. T1 là nhiệt độ nguồn nóng T2 là nhiệt độ nguồn lạnh. Dấu (=) ứng với chu trình Carnot thuận nghịch Dấu (< ) ứng với chu trình không thuận nghịch Từ biểu thức này ta suy ra: Q2  T2 Q1 . T1 14 Đẳng thức này cho phép ta phát biểu định lƣợng nguyên lý thứ hai nhƣ sau: Trong mọi chu trình thực hiện giữa nguồn nóng có nhiệt độ cao nhất là T1 và nguồn lạnh có nhiệt độ thấp nhất là T2 , nếu tác nhân nhận nguồn nóng nhiệt lƣợng là Q1 , sinh công A  Q1  Q2 thì phải truyền cho nguồn lạnh nhiệt lƣợng Q2 có giá trị không bé hơn giá trị T2 Q1 . T1 1.2.4. Hạn chế và giới hạn áp dụng của nguyên lý thứ II nhiêt động lực học. Nguyên lý II biểu diễn các đặc điểm của những quy luật của các hiện tƣợng liên quan đến chuyển động nhiệt, thiết lập sự khác nhau cơ bản giữa sự truyền năng lƣợng nhiệt của vật liệu vi mô với dạng của vật liệu vĩ mô liên quan đến sự biến đổi của thông số ngoài (công) vì chuyển động nhiệt là dạng năng lƣợng của vật liệu vi mô và quá trình thực hiện công là dạng năng lƣợng của vật liệu vĩ mô liên quan tới thông số ngoại. Trong trƣờng hợp các hệ có kích thƣớc nhỏ thì sự khác nhau giữa khái niệm nhiệt và công sẽ biến mất, do đó trong hệ vi mô các thông số nhiệt động lực học không còn ý nghĩa. Vì vậy nguyên lý II không ứng dụng đƣợc cho hệ vi mô và các hệ vô hạn do bản chất thống kê của nó. Ý nghĩa nguyên lý II: Dựa vào nguyên lý II nhiệt động lực học, Bolzmann đã nêu ra khả năng xác định chiều của thời gian nhƣ sau: thời gian tăng theo chiều tăng entropy. Hệ quả nguyên lý II: Nguyên lý II nói tới chiều diễn biến của quá trình: Chiều diễn biến của các quá trình là chiều biến đổi của một hệ kín từ trạng thái có xác suất nhỏ đến trạng thái có xác suất lớn hơn. 15 1.3. Định lý Nerst hay nguyên lý thứ 3 nguyên lý nhiệt động lực học. 1.3.1.Định lý Nerst. Dựa trên các sự kiện thực nghiệm phong phú thu thập đƣợc khi nghiên cứu tính cách của vật chất ở nhiệt độ thấp, Nerst đã tìm thấy rằng: “Đối với các hệ cân bằng trong các quá trình đẳng nhiệt chuẩn tính ở nhiệt độ gần tới độ không tuyệt đối, độ biến thiên của năng lƣợng tự do F2  F1 không còn phụ thuộc vào nhiệt độ nữa” nghĩa là:  ( F2  F1 )  0 Khi T  0 T   F   0 T 0 T Hay: lim  F  Vì  S  0    S nên T  0  S2  S1  0 hay lim T 0  T V Nghĩa là khi T  0 , các quá trình đẳng nhiệt diễn biến với entropi không thay đổi. Vậy “ Khi T  0 , entropi không còn là hàm trạng thái nữa nó dần tới bằng một giá trị không đổi không phụ thuộc vào các thông số trạng thái”.  S   S  lim    lim   0 T 0 P  T T 0  V T Plăng đã đặt cho entropi một điều kiện phụ bằng cách giả thiết khi T  0 không những S  0 mà chính entropi S  0 . Vậy định lý Nerst hay nguyên lý thứ 3 NĐLH đƣợc phát biểu nhƣ sau: “Đƣờng đẳng nhiệt T  0 trùng với đƣờng đoạn nhiệt S  0 ”. 1.3.2. Các hệ quả của định lý Nerst. * Hệ quả 1: Không thể đạt đƣợc nhiệt độ 00 K . Muốn làm lạnh một hệ, ta cho hệ đó giãn đoạn nhiệt. Trong quá trình này nhiệt độ của hệ giảm, sau đó nén đẳng nhiệt cho hệ trở về thể tích cũ. Trong 16 quá trình bị nén hệ tỏa nhiệt còn khi trở về thể tích cũ nhiệt độ của hệ thấp hơn nhiệt độ ban đầu. Cứ lặp lại quá trình trên nhiều lần thì nhiệt độ của hệ sẽ dần dần giảm đi. Tuy nhiên khi gần tới 0O K thì quá trình đoạn nhiệt và đẳng nhiệt trùng nhau. Khi giãn đoạn nhiệt nhiệt độ của hệ không giảm và khi nén đẳng nhiệt hệ cũng không tỏa nhiệt. Vậy chỉ có thể đến rất gần 00 K nhƣng không thể đạt tới nhiệt độ này * Hệ quả 2: Khi T  00 K , các hệ số nhiệt  ,   0 và các nhiệt dung CP , CV  0 Theo định nghĩa hệ số nở đẳng áp  :   tích  :   1  V  , hệ số tăng áp đẳng V  T  p 1  p  và các biểu thức vi phân toàn chỉnh: dG  SdT  Vdp ; p  T V  S   p   S   V  dF  SdT  pdV  2 ta suy ra:     ;     .   T  p  p T  T V  V T Thay hai đẳng thức này vào biểu thức của  và  ta đƣợc: 1  S  1  S  . Theo nguyên lý III thì khi      và    p  V T V  p T T  0K entropy S không phụ thuộc vào các thông số trạng thái p và V. Do đó khi T  0 thì   0 và   0 . * Hệ quả 3: Sự suy biến của khí lý tƣởng ở nhiệt độ thấp. Biểu thức của entropi của khí lý tƣởng cổ điển: S  CV ln T  R ln V  S 0 .  R.T không thỏa ta tìm đƣợc khi vận dụng phƣơng trình Clapeyron PV mãn định lý Nerst vì khi T  0 ta không có S  0 mà có S   . Điều đó chứng tỏ rằng ở nhiệt độ thấp khí lý tƣởng không tuân theo phƣơng trình 17 Clapeyron nữa. Sự sai lệch nhƣ vậy của khí lý tƣởng đối với các định luật khí cổ điển gọi là sự suy biến. Ý nghĩa của nguyên lý III. Nguyên lý III đƣợc áp dụng trực tiếp cho các quá trình ở nhiệt độ thấp. Ngoài ra trong các khoảng nhiệt độ rộng hơn nguyên lý này cũng đóng vai trò quan trọng vì nó cho phép tính hằng số cộng So trong biểu thức của entropy, hằng số này không thể tính đƣợc bằng các phƣơng pháp nhiệt động lƣc học khác. 18 CHƢƠNG 2: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CÁC HỆ SINH VẬT Việc ứng dụng thành công các kết quả của vật lý, toán học, tin học, hóa học,…đã giúp y học rất nhiều. Y học đƣợc hỗ trợ bởi một hệ thống thiết bị kĩ thuật hiện đại, không những nâng cao chất lƣợng công việc bên cạnh đó nhiều khi còn thay đổi cả phƣơng pháp và tổ chức. Đó là những thay đổi có ý nghĩa bản chất khiến cho nhiều khi y học mang dáng vẻ của một ngƣời khoa học chính xác nhƣ: toán học và vật lý học. 2.1. Cơ thể sống là một hệ nhiệt động mở. Không có gì mới hay khó hiểu khi ta nói rằng, cơ thể sống- ở mọi trình độ tổ chức của chúng, luôn đƣợc xem là một hệ nhiệt động mở, và do đó việc ứng dụng các khái niệm nhiệt động học, các phƣơng pháp nhiệt động học và các định luật nhiệt động học là điều tất nhiên. Chúng ta có thể nghiên cứu sự sống ở mức phân tử, mức tế bào, mức mô- các hệ cơ quan, coi cả cơ thể sống nhƣ một toàn bộ, hay ở mức cao hơncác hệ sinh thái, sinh quyển. Cho dù ở mức nào, cơ thể sống ấy vẫn đáp ứng định nghĩa về hệ nhiệt động mở. Cơ thể chúng ta tiếp nhận các chất dinh dƣỡng, không khí từ môi trƣờng và trả về đấy những chất cặn bã hay thải loại ( trao đổi vật chất), một hình thức trao đổi năng lƣợng phổ biến và dễ thấy nhất là trao đổi nhiệt (bức xạ hay hấp thụ). Ngay ở mức độ phân tử, tƣơng tác của các phân tử sống với môi trƣờng quanh nó cũng rất rõ ràng. Màng tế bào vốn đƣợc xem là đơn vị cấu trúc và đơn vị chức năng của sự sống. Trƣớc đây, ngƣời ta xem màng tế bào nhƣ một lớp ngăn cách hay bảo vệ đơn thuần nhƣng bây giờ ai cũng biết, chính trên lớp màng này đã thực hiện những chức phận sống hết sức quan trọng, thể hiện tƣơng tác của tế bào với môi trƣờng ngoài. 19 Sự tƣơng tác của cơ thể sống với môi trƣờng cũng là điều kiện cần thiết để duy trì và phát triển bản thân sự sống. Chính tính “ mở” của các hệ thống sống đã khiến cho sự thể hiện của các nguyên lý nhiệt động có nhiều đặc điểm nổi bật, ví nhƣ việc tiếp nhận năng lƣợng tự do thông qua dinh dƣỡng giúp cho cơ thể tự xây dựng nên những cấu trúc có trật tự rất cao của riêng mình, yếu tố cấu trúc mang đặc trƣng nền tảng của sự sống và từ đó Entropi riêng của hệ sinh vật vẫn có thể giảm. 2.2. Nguyên lý I nhiệt động lực học áp dụng cho hệ thống sống . Về thực chất, nguyên lý I là nguyên lý bảo toàn và chuyển hóa năng lƣợng; nó cho rằng năng lƣợng không mất đi và cũng không tự nhiên sinh ra, nó chỉ biến đổi từ dạng này sang dạng khác và trong quá trình biến đổi ấy nó luôn luôn đảm bảo sự tƣơng đƣơng về lƣợng. Nhƣ vậy tổng năng lƣợng của một hệ vật chất là một đại lƣợng không đổi, độc lập với những thay đổi xảy ra trong hệ này. Sự thay đổi năng lƣợng chỉ có thể xảy ra nhờ sự tƣơng tác của hệ với môi trƣờng xung quanh. Giả sử rằng ta có một hệ kín. Nếu giữa hệ và môi trƣờng có sự trao đổi năng lƣợng kèm theo quá trình sinh công và tỏa nhiệt thì ta có hệ thức: dU  dQ   A Sự thay đổi nội năng của hệ bằng tổng đại số của nhiệt lƣợng trao đổi trong quá trình và công sinh ra ( nếu hệ thực hiện công lên môi trƣờng thì  A mang dấu dƣơng và ngƣợc lại, nếu hệ nhận nhiệt từ môi trƣờng thì  Q mang dấu âm và ngƣợc lại). Để có thể ứng dụng nguyên lý vào cơ thể sống, điều cần thiết là phải biết dạng công, các dạng nhiệt tƣơng ứng cũng nhƣ hiểu về nội năng trong cơ thể. 20 2.2.1. Các dạng công trong cơ thể. Công là độ đo sự chuyển hóa năng lƣợng từ dạng này sang dạng khác. Có bốn dạng công trong cơ thể sống: công hóa học, công cơ học, công thẩm thấu và công điện. Công cơ học là công sinh ra khi dịch chuyển các bộ phận của cơ thể, các cơ quan trong cơ thể hay toàn bộ cơ thể nhờ các lực cơ học. Lực cơ học sinh ra khi cơ co, và đó chính là nguồn gốc của công cơ học. Công hóa học là công sinh ra khi tổng hợp các chất cao phân tử từ các chất có trong lƣợng phân tử thấp và khi thực hiện các phản ứng hóa học xác định. Việc tổng hợp các chất cao phân tử (protit, axit nucleic, đa đƣờng,…) thƣờng đòi hỏi tiêu phí năng lƣợng, Vì vậy quá trình này đƣợc xem là một quá trình thực hiện công. Công thẩm thấu là công vận chuyển các chất khác nhau qua màng hay qua các hệ đa màng từ vùng có nồng độ thấp sang vùng có nồng độ cao hơn. Sự vận chuyển này thực hiện đƣợc nhờ một cơ chế đặc biệt của vận chuyển tích cực chống lại lực khuyếch tán và đòi hỏi tiêu hao năng lƣợng tế bào. Công điện là công dịch chuyển các hạt mang điện (chủ yếu là các ion) trong điện trƣờng, tạo nên các hiệu điện thế và các dòng điện. Trong cơ thể, công điện đƣợc thực hiện khi sinh ra điện thế sinh vật và dẫn truyền kích thích trong tế bào. Nhƣ vậy, ta có thể tóm tắt: Công trong cơ thể = công cơ học + công hóa học + công thẩm thấu + công điện. 2.2.2. Nội năng. Đối với cơ thể, nguồn năng lƣợng để có thể thực hiện tất cả các dạng công kể trên là năng lƣợng hóa học thu đƣợc từ thức ăn (protit, gluxit, lipit) khi bị oxy hóa. Đối với thực vật nguồn năng lƣợng tƣơng ứng chính là năng 21 lƣợng mặt trời tích tụ lại trong quá trình quang hợp. Năng lƣợng này cũng đƣợc động vật sử dụng khi ăn thực vật. Tuy nhiên không thể sử dụng nguồn năng lƣợng đó một cách trực tiếp để thực hiện các dạng công cần thiết cho sự sống của cơ thể. Cơ thể ngƣời không phải là một loại động cơ mà chúng ta vốn quen biết trong nhiệt động học các hệ không sống. Cơ thể vốn biết cách xây dựng cho chính mình một dạng nội năng ƣu việt hơn. Đầu tiên năng lƣợng của mặt trời và đồ ăn đƣợc chuyển thành liên kết cao năng của các chất thích hợp (mà chủ yếu là ATP- Adenozintriphosphat). Sau đó ATP phân hủy trong những tổ chức tƣơng ứng của tế bào và giải phóng tại đây nguồn năng lƣợng cần thiết để sinh công. Lực sinh ra tại cơ để sinh công cơ học là kết quả của việc sử dụng năng lƣợng khi phân hủy ATP khiến phức hợp actomiosin của sợi cơ có thể co ngắn lại. Việc vận chuyển chất qua màng ngƣợc chiều gradient nồng độ chính là nhờ năng lƣợng phân hủy ATP, giúp vận hành các hệ thống “ bơm” khác nhau trong tế bào. Việc tổng hợp chất cũng chỉ có thể xảy ra khi sử dụng năng lƣợng ATP bằng cách phosphorin hóa các sản phẩm đầu tiên và các sản phẩm trung gian của phản ứng. Công điện của tế bào và quá trình vận chuyển thụ động đƣợc thực hiện nhờ sự giải phóng năng lƣợng gradient tế bào, song bản thân các gradient này lại hình thành nhờ quá trình vận chuyển tích cực với việc sử dụng năng lƣợng ATP. Nhƣ vậy tất cả quá trình sinh công trong tế bào chỉ xảy ra khi sử dụng năng lƣợng ATP. Đó chính là nội năng của tế bào, là nhiên liệu vạn năng, là “ bản vị năng lƣợng” trong sinh vật.Chúng ta lƣu ý thêm rằng, năng lƣơng liên kết cao năng ATP đƣợc giải phóng ra không phải nhờ đứt liên kết giữa hai phân tử chứa phosphor mà nhờ chuyển nhóm HPO3 tới phân tử nƣớc: ATP  H 2O  ADP  H 3PO4   7,0 :8,5Kcal  22 2.2.3. Nhiệt sơ cấp và nhiệt thứ cấp. Các phản ứng hóa học liên quan đến ATP, ADP cũng nhƣ các quá trình sinh công trong cơ thể sống đều có liên quan mật thiết với hiệu ứng nhiệt. Sự sống luôn gắn liền với các quá trình trao đổi nhiệt và cơ thể con ngƣời cũng nhƣ nhiều động vật máu nóng khác có thân nhiệt ổn định. Hiện nay, ngƣời ta quy ƣớc chia nhiệt lƣợng sinh ra làm 2 loại: Nhiệt sơ cấp (hay nhiệt cơ bản) và nhiệt thứ cấp (hay nhiệt hoạt động). Nhiệt sơ cấp Q1 đƣợc giải phóng nhƣ một kết quả tất yếu của sự tán xạ nhiệt trong quá trình trao đổi chất, đƣợc quy định bởi tính chất bất thuận nghịch của các quá trình hóa sinh và lí sinh. Trong các quá trình đó, một phần năng lƣợng luôn “ mất đi” dƣới dạng nhiệt năng, khiến cho quá trình “ nghịch” không thể xảy ra. Phần Q1 nhƣ vậy có trong tất cả quá trình thủy phân ATP để thu đƣợc năng lƣợng cần thiết cho quá trình sinh công và nó khiến cho tất cả quá trình sinh công trong cơ thể luôn xảy ra với hiệu suất nhỏ hơn 100%. Cũng tƣơng tự, không phải tất cả năng lƣợng thu đƣợc từ thức ăn và mặt trời đều đƣợc tích lũy lại trong ATP: một phần không nhỏ năng lƣợng ấy đã tán xạ dƣới dạng nhiệt. Ngoài phần năng lƣợng tản mát dƣới dạng nhiệt Q1 , phần năng lƣợng còn lại thực sự là hữu ích (dùng để sinh công), đó là nhiệt hoạt động Q2 . Năng lƣợng này cuối cùng cũng đƣợc chuyển hóa hoàn toàn thành nhiệt. Chẳng hạn năng lƣợng tim dùng để đẩy máu chảy trong hệ mạch (công cơ học) sẽ dùng để thắng lực ma sát trên thành mạch rồi chuyển thành nhiệt năng. Khi có dòng điện chạy qua, điện năng tiêu phí để thắng điện trở của mô cuối cùng cũng chuyển thành nhiệt. Nếu cơ thể thực hiện phần công vật lý ở bên ngoài thì nhiệt thứ cấp cũng chuyển ra bên ngoài chứ không sinh ra ngay trong bản thân cơ thể. Vì trong cơ thể luôn có các quá trình sinh công khác nhau nên cũng thƣờng xuyên diễn ra các quá trình sinh nhiệt sơ cấp và nhiệt 23 thứ cấp khác nhau. Lƣợng nhiệt thứ cấp sinh ra luôn tỷ lệ với hoạt tính của mô, trong đó phần nhiệt thứ cấp tạo ra từ sự co cơ có vai trò quan trọng hơn cả. Sơ đồ tổng quát về sự biến đổi của nội năng, về sự sinh công và tỏa nhiệt trong cơ thể sống đƣợc trình bày tổng quát trong hình 2.1. Có thể nói đấy là chu trình năng lƣợng rộng lớn nhất bao quát cho hoạt động sống. Ta có thể rút ra rằng: cơ thể không hoạt động nhƣ một máy nhiệt, mà nhƣ một máy hóa. Nhiệt sinh ra trong cỗ máy này không phải là động lực, mà chỉ có vai trò nhƣ một hao phí, giống nhƣ nhiệt tạo thành khi có sự ma sát giữa các bộ phận của máy. Nhƣng mặt khác, cũng không thể xem quá trình sinh nhiệt là hoàn toàn vô ích: loài vật máu nóng luôn cần nhiệt lƣợng cần thiết để duy trì hoạt động của cơ thể. Trong trƣờng hợp này, có hai cơ chế điều chỉnh nhiệt lƣợng sinh ra: thay đổi tốc độ tạo thành nhiệt sơ cấp và thay đổi tốc độ tạo thành nhiệt thứ cấp. Chẳng hạn, khi gặp lạnh có thể tăng sinh nhiệt sơ cấp bằng cách chuyển con đƣờng trao đổi oxy hóa cơ bản sang một con đƣờng khác không kinh tế bằng, nghĩa là tạo ra ít ATP hơn, nhƣng lại sinh nhiệt nhiều hơn. Còn khả năng thứ hai là tăng rung cơ để tìm hơi ấm, việc chúng ta đã quá quen thuộc. 24 ATP Công cơ học Năng lượng mặt trời và thức ăn Q1 Công hóa học Q1 Q1 Q2 Q2 ADP+ Q1 Công thẩm thấu Công điện Q1 Q2 P Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát về sự biến đổi của nội năng, về sự sinh công và tỏa nhiệt trong cơ thể sống. 2.2.4. Bảo toàn năng lƣợng trong cơ thể sống. Ta sẽ xét sự bảo toàn năng lƣợng trong cơ thể sống. Ta có thể tiến hành đo đạc để chứng minh rằng, sự oxy hóa thức ăn đƣa vào cơ thể giải phóng ra trong cơ thể một lƣợng năng lƣợng chính bằng công sinh ra bởi cơ thể đó. Nhƣ vậy cũng có nghĩa bản thân cơ thể sống không phải là một nguồn năng lƣợng mới. Phƣơng pháp đo công sinh ra bởi cơ thể đƣợc thực hiện một cách gián tiếp vì cuối cùng tất cả đều chuyển thành nhiệt nên cũng cần đo chính xác lƣợng nhiệt thải ra khỏi cơ thể là đủ. Ngay từ thế kỷ 18, Lavoisier và Laplace khi đo nhiệt lƣợng và khí cacbonic thải ra bởi chuột khoang trong những thiết bị do nhiệt lƣợng đặt ở 0o C đã đi tới kết luận rằng, sự oxy hóa các chất trong cơ thể và sự đốt cháy trực tiếp chất ấy trong nhiệt lƣợng kế cho hiệu ứng nhiệt gần nhƣ nhau 3 . Về sau, các phép đo khác cũng khẳng định kết luận trên và Etuvateur đã đƣa ngƣời vào trong một buồng cô lập đặc biệt và đo toàn bộ lƣợng nhiệt thải ra khỏi cơ thể ( phép đo nhiệt trực tiếp) cũng nhƣ đo lƣợng oxy hấp thụ, lƣợng CO2 , lƣợng nitơ, urê,… thải ra để từ đó tính đƣợc lƣợng protit, gluxit, lipit đã 25 Q2 oxy hóa trong cơ thể, với mục đích cuối cùng là xác định năng lƣợng cơ thể đã thu đƣợc từ đồ ăn. Nếu xem rằng khi oxy hóa đến Cacbonic và nƣớc 1g lipit giải phóng 9,3 Kcal, 1g Gluxit giải phóng 4,2 Kcal và oxy hóa 1g protit tới urê cho ta 4,2 Kcal thì có thể tính đƣợc toàn phần năng lƣợng đƣa vào cơ thể theo thức ăn ( phƣơng pháp đo nhiệt gián tiếp). Kết quả là: Giá trị năng lƣợng đƣa vào theo phƣơng pháp gián tiếp gần nhƣ trùng với giá trị năng lƣợng thải ra theo phƣơng pháp trực tiếp trong thí nghiệm ( chính xác tới 1%). Xét một dẫn chứng đƣợc đƣa ra ở bảng dƣới đây: Cân bằng năng lƣợng của ngƣời trong một đêm: Đƣa vào (Kcal) Thải ra (Kcal) Phƣơng pháp gián tiếp Phƣơng pháp trực tiếp Thức ăn: Nhiệt thải qua da: 56,8g protit - 237 Khí thở ra: 140g lipit Bay hơi (qua đƣờng hô hấp): 181 - 1307 Bay hơi qua da: 79,9g gluxit - 335 Bổ chính: Tổng số: 1879 Tổng số: 1347 43 227 11 1859 Sự tồn tại cân bằng năng lƣợng đã chỉ ra rằng cơ thể thật sự không thể là một nguồn năng lƣợng mới. Sự ứng dụng nguyên lý I trong cơ thể sống là điều hiển nhiên và ta có thể phát triển dƣới dạng sau: “ Tất cả các dạng công trong cơ thể đƣợc thực hiện nhờ một lƣợng tƣơng đƣơng năng lƣợng giải phóng ra khi oxy hóa thức ăn”. 2.2.5. Định luật Hess. Định luật Hess là hệ quả của nguyên lý I nhiệt động lực học và thƣờng dùng để khảo sát các phản ứng hóa học: Hiệu ứng nhiệt của các quá trình hóa học phát triển qua một loạt các giai đoạn trung gian không phụ thuộc vào con 26 đƣờng chuyển hóa mà chỉ đƣợc xác định bởi trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ hóa học. Hình 2.2 cho ta thấy rõ hơn nội dung của định luật này. Q4 Q5 C Q6 D A B Q1 Q2 Q3 E Hình 2.2. Sơ đồ mô phỏng nội dung định luật Hess. Định luật cho phép tính hiệu ứng nhiệt của các phản ứng hoàn toàn không thể xảy ra trong điều kiện thí nghiệm hay cho dù có xảy ra nhƣng ta không thể đo nhiệt trực tiếp. Chẳng hạn, ta không biết hiệu ứng nhiệt của phản ứng oxy hóa Cacbon đến oxit các bon có thể thực hiện theo 2 cách sau: Cách 1: Đốt trực tiếp than nguyên chất thành khí CO2 sẽ giải phóng một nhiệt lƣợng là Q1. Phản ứng xảy ra: C  O2  CO2  Q1 Cách 2: Chuyển than nguyên chất thành CO theo phản ứng: 1 C  O2  CO  Q2 2 Từ CO chuyển tiếp thành CO2 theo phản ứng: 1 CO  O2  CO2  Q3 2 Sơ đồ minh họa: Q1 C CO2 Q2 Q3 CO 27 Theo định luật Heccer chất đầu tham gia phản ứng (C) và sản phẩm của phản ứng (CO2) giống nhau nên có hiệu ứng nhiệt giống nhau: Q1= Q2 +Q3 Trong thực nghiệm, hiệu ứng nhiệt của quá trình đốt than thành CO không thể đo trực tiếp đƣợc vì khi than cháy không bao giờ chỉ cho CO mà còn cho một ít CO2 nữa. Nhƣng thực nghiệm lại đo trực tiếp đƣợc: Q1= 97Kcal/M và Q3= 68Kcal/M. Từ đó dễ dàng suy ra giá trị Q2: Q2= Q1- Q3= 29Kcal/M. Đó chính là hiệu ứng nhiệt của phản ứng mà chúng ta quan tâm. Trong cơ thể có những biến đổi sinh hóa rất phức tạp diễn biến qua nhiều giai đoạn, ta có thể biết hiệu ứng nhiệt của cả dãy phản ứng nếu biết chất ban đầu và sản phẩm cuối cùng. 2.3. Nguyên lý II nhiệt động lực học áp dụng cho hệ thống sống. Nguyên lý II cho ta biết chiều hƣớng phát triển của hệ nhiệt động. Nội dung cơ bản của nguyên lý thể hiện ở chỗ: Tất cả quá trình chuyển hóa năng lƣợng luôn kèm theo một phần phân tán năng lƣợng dƣới dạng nhiệt. Quá trình này là bất thuận nghịch, vì sau đó không thể tập trung trở lại lƣợng nhiệt đã bị phân tán để sinh công. Phần năng lƣợng biến thành nhiệt càng lớn thì tính bất thuận nghịch của quá trình càng cao. Trong thực tế không có quá trình thuận nghịch, đó là trƣờng hợp giới hạn mà ta chỉ có thể tiệm cận tới hay đạt tới khi bỏ qua một số điều kiện nào đó. Tuy nhiên, khi giả định quá trình là thuận nghịch ta sẽ có một số thuận lợi trong tính toán hay lý giải. Mọi quá trình hóa sinh hay lý sinh xảy ra trong cơ thể sống đều bất thuận nghịch. 28 2.3.1. Entropi và năng lƣợng tự do. Khả năng xảy ra các quá trình nhiệt động, chiều hƣớng và giới hạn của chúng đƣợc đặc trƣng bởi các tham số trạng thái nhƣ Entropi và năng lƣợng tự do. Xét với các quá trình xảy ra trong hệ sinh vật thỏa mãn nguyên lý thứ II. Áp dụng (I.5): dS  dQ  dQ  T .dS T Thay giá trị này vào phƣơng trình của nguyên lý I ta có: dU   A  T .dS Công sinh ra  A đƣợc gọi là sự thay đổi của năng lƣợng tự do, kí hiệu qua dF và ta sẽ có: dU  dF  TdS   A  dF  dU  TdS Tuy nhiên ta biết rằng các quá trình thực tiễn thƣờng là bất thuận nghịch. Khi đó công sinh ra nhỏ hơn sự thay đổi của năng lƣợng tự do và chính một phần sự thay đổi của năng lƣợng tự do cũng phát tán thành nhiệt. Tổng quát hóa lại, nguyên lý II cho rằng: Năng lƣợng tự do của hệ cô lập chỉ có thể giảm hay giữ nguyên không đổi. Khi quá trình bất thuận nghịch, năng lƣợng tự do giảm xuống, còn năng lƣợng liên kết sẽ tăng lên, khiến cho tổng năng lƣợng không đổi đúng nhƣ nguyên lý I đã khẳng định. Các quá trình chuyển hóa năng lƣợng sẽ xảy ra cho đến khi năng lƣợng tự do bằng không và Entropi tăng đến giá trị cực đại có thể, trạng thái này đƣợc gọi là cân bằng nhiệt động. Trong trạng thái này, hệ không có khả năng sinh công và hoàn toàn mất trật tự. Hệ không có khả năng tự thoát ra khỏi trạng thái cân bằng nhiệt động, trừ khi cung cấp thêm năng lƣợng từ bên ngoài. Bây giờ ta xét đến hiệu suất của các quá trình. Trong các quá trình lý sinh và hóa sinh, sự biến đổi năng lƣợng tự do giúp cơ thể sinh công, nhƣng 29 bao giờ cũng có một lƣợng nhiệt mất mát nhƣ một hao phí. Hiệu suất ( HS ) quá trình là tỉ số giữa công hữu ích sinh ra và toàn bộ sự thay đổi của năng lƣợng tự do cần thiết để thực hiện công ấy: HS  A 1 dF HS  1 trong quá trình thuận nghịch. HS  1 là trong quá trình bất thuận nghịch  Bảng hiệu suất của một số quá trình sinh vật 3 T Quá trình sinh vật 1 Quá trình glicoliz ( tiêu glucoza) 36% 2 Quá trình co cơ 30% 3 Quá trình ôxy hóa photphorin hóa 55% 4 Quá trình quang hợp 75% 5 Quá trình phát quang của vi khuẩn 90% Hiệu suất ( ) T Nhƣ ta đã biết, quá trình oxy hóa thức ăn trong cơ thể dẫn tới việc hình thành các hợp chất cao năng, nhờ đó cơ thể luôn tiềm trữ năng lƣợng tự do. Sau đó, năng lƣợng hóa học của ATP đƣợc trực tiếp sử dụng để sinh công (chẳng hạn khi co cơ hay tổng hợp cao phân tử), còn trong một số trƣờng hợp khác năng lƣợng này dùng để tạo nên nhiều loại gradient khác nhau, rồi chính sự phân giải các gradient này lại sinh ra công. Sự tồn tại các gradient nhƣ vậy và cơ chế sinh công nhƣ vậy là rất đặc trƣng cho cơ thể sống. Gradient của một đại lƣợng Y nào đó là tỉ số giữa hiệu hai giá trị của đại lƣợng ấy lấy tại hai điểm khác nhau trong không gian và khoảng cách giữa hai điểm ấy: GradientY  G  30 Y x Gradient là một đại lƣợng véc- tơ có hƣớng từ vùng có giá trị cao đến vùng có giá trị thấp đƣợc xét. Một hệ nhiệt động bất kì có thể sinh công khi chứa các gradient, vì xu thế của quá trình là chuyển về cân bằng. Mối quan hệ giữa năng lƣợng tự do và gradient của một đại lƣợng Y nào đó là: F  RT ln Y1 Y2 Y1 , Y2 là giá trị của Y tại hai điểm 1 và 2 đang xét. Nếu Y1  Y2 thì G  0 và F  0 , hệ không thể sinh công. Trong cơ thể sống, có rất nhiều quá trình sinh công gắn với việc giải phóng năng lƣợng của một gradient nào đó. Nêú nói đến chiều hƣớng của quá trình, thì rõ ràng tất cả các quá trình trong hệ nhiệt động xảy ra theo xu hƣớng gradient giảm: Nhiệt luôn truyền từ vật có nhiệt độ cao sang vật nhiệt độ thấp, trong quá trình khuyếch tán vật chất cũng chuyển từ nơi có nồng độ cao sang nơi có nồng độ thấp… để rồi quá trình dừng lại khi đạt tới cân bằng nhiệt độ hay cân bằng nồng độ,… 2.3.2. Entropi và xác suất nhiệt động. Tarusov có một cách trình bày khác về nguyên lý II nhiệt động lực học  dựa trên khái niệm xác suất nhiệt động 1 . Theo đó, xác suất nhiệt động của một hệ là số các trạng thái vi mô khả dĩ ứng với một trạng vĩ mô xác định của hệ đó. Theo cách giải thích Tarusov, ta cũng có biểu thức liên hệ giữa entropi S của hệ và xác suất nhiệt động là: S  k lnW Với k là hằng số Bolzman. Khi W tăng, S cũng tăng và khi W đạt cực đại S cũng đạt cực đại. Ta trở về với kết luận đã quen thuộc ở phần trƣớc; trong các hệ cô lập, entropi tăng đến giá trị cực đại, và đó cũng là nơi kết thúc các quá trình nhiệt động. 31 2.3.3. Nguyên lý II nhiệt động và các hệ thống mở. Nguyên lý II vốn đƣợc xây dựng cho các hệ cô lập, còn hệ thống sống của chúng ta là một hệ mở, luôn trao đổi cả vật chất và năng lƣợng với môi trƣờng bên ngoài. Chính điều đó khiến cơ thể sống khác hẳn những hệ vô sinh. Ta quay lại biểu thức của nguyên lý I: U  F  TS Giả sử quá trình diễn ra trong điều kiện nội năng và nhiệt độ của hệ hằng định. Trong các hệ cô lập, lúc đó giảm năng lƣợng tự do và tăng Entropi là hợp lẽ. Tuy nhiên, trong các hệ thống sống, năng lƣợng tự do luôn có thể duy trì và tăng lên nhờ việc oxy hóa thức ăn đƣa từ bên ngoài vào hệ, và từ đó Entropi của hệ có thể duy trì hay giảm xuống, nghĩa là độ trật tự trong cơ thể sinh vật có thể đƣợc bảo trì hay tăng cƣờng. Trƣớc đây, Schordinger đã từng cho rằng cơ thể sống du nhập độ trật tự từ môi trƣờng ngoài qua thức ăn. Tuy nhiên, Metnhicov đã chỉ ra một cách đúng đắn rằng, mỗi cơ thể không những không du nhập mà thậm chí còn từ chối những trật tự xa lạ với mình. Cái mà cơ thể lấy từ môi trƣờng chính là năng lƣợng tự do, rồi từ năng lƣợng tự do ấy tạo ra cấu trúc của riêng mình. Trong thế giới vô sinh cũng có những hệ thống có độ trật tự cao mà cấu trúc tinh thể là một ví dụ điển hình, tuy nhiên ở hệ thống này năng lƣợng tự do lại ở mức cực tiểu, hệ không có khả năng sinh công và điều đó khác xa với sự sống. Nói tóm lại, có trật tự cao và khả năng sinh công, Entropi không cực đại và năng lƣợng tự do không cực tiểu là một đặc trƣng có tính bản chất của 32 cơ thể sống, và bản chất này có đƣợc là nhờ sự trao đổi liên tục của vật chất và năng lƣợng với môi trƣờng ngoài. Sự thay đổi năng lƣợng tự do dF và Entropi dS của hệ thống mở đƣợc chia thành 2 phần: di F , di S ứng với các quá trình lý sinh và hóa sinh xảy ra trong bản thân hệ và de F , de S ứng kết quả tƣơng tác với môi trƣờng ngoài dF  di F  d e F dS  di S  d e S Đối với bản thân hệ, không kể đến tƣơng tác thì di F  0, di S  0 . Nhƣng trong cơ thể luôn có những quá trình ngƣợc gradient và tăng năng lƣợng tự do, ví dụ việc vận chuyển chất từ nơi có nồng độ thấp đến nơi có nồng độ cao hay sự tổng hợp các chất cao phân tử. Những quá trình này thƣờng có tính cục bộ và luôn kèm theo quá trình thuận Gradient. Ví dụ, sự vận chuyển các ion ngƣợc gradient dẫn tới việc tích lũy năng lƣợng tự do luôn kèm theo việc thủy phân ATP và kết quả là trong khu vực cụ thể đó năng lƣợng tự do của hệ vẫn giảm trong khuôn khổ nguyên lý II. Nếu hệ nhiệt động không mở thì điều này sẽ dẫn đến cân bằng nhiệt động. Tuy nhiên, do hệ sinh vật là mở, sự suy giảm năng lƣợng tự do khi thủy phân ATP lập tức đƣợc đền bù, thậm chí một cách dƣ giả, bằng năng lƣợng tự do mới đƣa từ bên ngoài vào thông qua thức ăn, còn Entropi mới sản sinh trong hệ sẽ đƣợc đƣa vào môi trƣờng, kết quả là de F  0, de S  0 . Lúc này ta nói có lƣợng Entropi âm từ môi trƣờng đi vào cơ thể, ứng với quá trình thực là cơ thể luôn thải chất cặn bã có cấu trúc rất thô sơ cũng nhƣ nhiệt vào môi trƣờng, đồng thời lấy thức ăn từ môi trƣờng. Có thể có 3 trƣờng hợp sau: de S  di S  dS  0 , hệ ổn định. de S  di S  dS  0 , hệ phát triển. 33 de S  di S  dS  0 , hệ suy thoái. Nhƣ vậy Entropi của hệ thống sống có thể không đổi, có thể giảm và cũng có thể tăng tùy theo tƣơng quan giữa lƣợng Entropi âm đi vào cơ thể và lƣợng Entropi dƣơng sinh ra trong bản thân cơ thể. Trong moi trƣờng hợp, Entropi của toàn hệ “cơ thể- môi trƣờng” luôn dƣơng và điều đó không mâu thuẫn với nguyên lý II. 2.3.4. Các trạng thái dừng. Trong vật lý, chúng ta đã biết có 2 trạng thái là trạng thái cân bằng nhiệt động và trạng thái dừng.Giả sử có một thanh kim loại mà hai đầu thanh đƣợc giữ ở hai nhiệt độ xác định và khác nhau. Ta nói rằng trong thanh kim loại có trạng thái dừng chứ không có trạng thái cân bằng vì rằng bên trong thanh kim loại đã xảy ra quá trình truyền nhiệt (vĩ mô) từ phần có nhiệt độ cao hơn đến nhiệt độ thấp hơn. Trạng thái dừng có liên quan đến sự cung cấp nhiệt ổn định từ các nguồn. Vậy có thể rút ra một định nghĩa đầy đủ hơn về trạng thái cân bằng nhiệt động lực học . Ðó là trạng thái của một hệ mà các thông số trạng thái của hệ không thay đổi và trạng thái của hệ không thay đổi, trong hệ không xảy ra các quá trình nhƣ dẫn nhiệt, khuếch tán, phản ứng hóa học, chuyển pha,… Volkenstein đã chỉ ra rằng, trong quá trình phát sinh và phát triển Entropi của các hệ sinh vật giảm xuống còn năng lƣợng tự do của chúng lại  tăng lên 1 , đến một lúc nào đó, độ trật tự của cấu trúc và khả năng sinh công tiềm trữ trong cấu trúc ấy đủ để duy trì sự sống thì các tham số trạng thái của hệ không đổi và ta nói rằng hệ ở trong các trạng thái dừng. Đặc trƣng này thể hiện rất rõ ở cơ thể ngƣời. Nếu điều kiện môi trƣờng không có những thay đổi quá lớn, nhiệt độ của cơ thể, thành phần cấu trúc của máu, thành phần hóa học các dịch nội bào và chất lỏng gian bào, nhịp tim, nhịp hô hấp,… đều có giá trị 34 hằng định. Trạng thái dừng không chỉ thể hiện ở môi trƣờng bên trong cơ thể hay hoạt động của toàn bộ cơ thể mà còn ở tất cả các tế bào của nó và đƣợc đặc trƣng bởi các giá trị không đổi của các Gradient nồng độ, điện, thẩm thấu cũng nhƣ các chỉ tiêu hóa lý khác. Về toán học, các biến đổi theo thời gian có dạng: dS di S de S dF di F de F   ;   dt dt dt dt dt dt Nếu muốn có trạng thái dừng: di S dS dF dF  e ; i  e dt dt dt dt dS  0  S  Const. dt dF  0  F  Const. dt Hay muốn có trạng thái dừng entropi và năng lƣợng tự do của hệ là không đổi. Vậy cân bằng dừng của hệ mở khác với cân bằng nhiệt động của hệ cô lập (mà ta đã biết trƣớc đây) về mặt bản chất. Chúng giống nhau chỉ ở hiện tƣợng (các tham số trạng thái không đổi), song khác nhau ở phƣơng thức duy trì trạng thái ấy (cân bằng nhiệt động: không xảy ra các quá trình, cân bằng dừng: tốc độ và hƣớng của các quá trình cân bằng lẫn nhau). Bảng dƣới đây chỉ ra những sự khác nhau cơ bản đó: 35 Cân bằng nhiệt động Cân bằng dừng Ví dụ: Bình mở, một phần Ví dụ: Ngọn nến đang cháy, cơ thể chứa chất lỏng, một phần chứa hơi. sống. 1.Không có dòng vật chất ra 1.Có dòng vật chất không đổi vào và vào môi trƣờng. hệ và ra khỏi hệ. 2.Không cần tiêu phí năng 2.Luôn cần tiêu thụ năng lƣợng tự lƣợng tự do để duy trì cân bằng. do để duy trì cân bằng. 3.Năng lƣợng tự do và khả 3.Năng lƣợng tự do và khả năng năng sinh công của hệ bằng không. 4. Entropi của hệ có giá trị sinh công của hệ là không đổi. 4.Entropi của hệ không có giá trị cực đại. cực đại. 5.Không có gradient trong hệ. 5.Có gradient không đổi trong hệ. Nguyên nhân của sự khác nhau này rất rõ ràng. Trong hệ cô lập de S  0 do vậy dS  di S và điều kiện dS  0 đồng nhất với điều kiện di S  0 . Hơn nữa, nguyên lý II nhiệt động học nói rằng Entropi ( S ) chỉ có thể tăng, nên điều kiện cân bằng chính là khi S không thể tăng đƣợc nữa: S  Smax . Nếu hệ mở, de S  0 , do vậy điều kiện dS  0 chỉ có nghĩa là de S  di S nghĩa là di S  0 và Entropi của hệ không phải là Smax . Với năng lƣợng tự do ta cũng có lý luận hoàn toàn tƣơng tự để dẫn tới kết luận rằng: trong cân bằng nhiệt động F  Fmin  0 , còn trong cân bằng dừng F  Fmin ( F  0) . Chính hai khác biệt cơ bản này cho phép ta suy ra hay lý giải tất cả sự khác biệt còn lại. Trong các trạng thái dừng nhƣ vậy, luôn xảy ra quá trình bất thuận nghịch ở bản thân hệ, cho nên: di S 0 dt 36 nghĩa là tƣơng tác giữa cơ thể và môi trƣờng thể hiện qua dòng Entropi âm đi từ môi trƣờng vào cơ thể. Nghiên cứu các hệ thống mở, Prigogine đã phát biểu nguyên lý sau: Trong trạng thái dừng, tốc độ tăng Entropi quy định bởi các quá trình bất thuận nghịch là dƣơng và nhận giá trị nhỏ nhất trong các giá trị có thể, tức là trong trạng thái phân tán năng lƣợng tự do là cực tiểu vì Entropi là độ đo sự phân tán của năng lƣợng tự do. Để duy trì trạng thái dừng chỉ cần dòng cực tiểu trong tất cả các giá trị khả dĩ của năng lƣợng tự do. Nếu vì một lý do nào đấy mà hệ lệch ra khỏi trạng thái dừng, là do bản năng của hệ là hƣớng tới sự tăng Entropi cực tiểu nên trong bản thân hệ sẽ xảy ra những thay đổi nội tại đẩy hệ quay dần trở về trạng thái dừng ban đầu. Đây chính là phƣơng thức tự điều chỉnh để duy trì trạng thái dừng của cơ thể mà nhờ đó ta có trạng thái dừng đƣợc xem là ổn định. Khả năng tự ổn định nhƣ vậy là một nét đặc trƣng cho tổ chức sống. Khi sự thay đổi điều kiện sống khá lớn, cơ thể sẽ chuyển sang một trạng thái mới phù hợp với môi trƣờng hơn. Có ba phƣơng pháp chuyển trạng thái dừng: - Chuyển theo hàm e mũ với xu hƣớng tiệm cận (ví dụ: Tần số thở và nhịp đập của tim ngƣời khi tăng cƣờng độ lao động). - Chuyển với độ lệch dƣ (ví dụ: Sự thay đổi áp lực máu ở động mạch khi đột ngột tăng cƣờng độ lao động). - Chuyển với xuất phát giả (ví dụ: Thay đổi đƣờng kính mạch máu khi đột ngột tăng nhiệt độ). 2.4. Ứng dụng các nguyên lý nhiệt động trong y học. Ngành lý sinh cung cấp cho chúng ta hàng loạt các phƣơng pháp để đánh giá trạng thái cũng nhƣ cấu trúc của hệ thống sống, hàng loạt phƣơng pháp tác động có bản chất vật lý để làm thay đổi tình trạng sống. Đó chính là 37 cơ sở tạo nên các thiết bị y tế mới trong chẩn đoán và điều trị, góp nên những đƣờng nét cơ bản tạo ra chuyên ngành vật lý y sinh học. Có thể nói cùng với hóa học và sinh học, vật lý đã góp phần định hình một nền y học mới, nền y học công nghệ cao với nỗ lực ứng dụng mọi thành tựu cuối cùng của khoa học tự nhiên và kĩ thuật phục vụ cho việc chăm sóc sức khỏe con ngƣời. 2.4.1. Cơ thể sống nhƣ một toàn bộ. Chúng ta biết cơ thể con ngƣời có cấu tạo rất chi tiết, chính xác. Từ phân tử AND đến nhiễm sắc thể, từ tế bào tới mô và các hệ cơ quan,… rồi có thể phân tích chi tiết sâu hơn nữa hay mở rộng phạm vi nghiên cứu hơn nữa. Quá trình phân tích đó có thể kéo dài và không có điểm dừng. Nhƣng một mặt khác, mỗi cơ thể sống đều có khả năng thống nhất mọi chi tiết cấu trúc của mình, mọi hoạt động chức năng của mình để thể hiện nhƣ một toàn bộ. Chỉ một cái răng bị sâu mà cả cơ thể cảm thấy đau đớn nhức nhối, trong một ngày oi bức chỉ cần chút gió nhẹ nhành thoáng qua mặt mà cả ngƣời cảm thấy dễ chịu… là những biểu hiện của tính toàn bộ đó. Cho nên bƣớc đầu tiên để đánh giá hệ thống sống là xét xem toàn bộ đó ở trong trạng thái nào? Đó chính là lúc xem cơ thể con ngƣời nhƣ một hệ nhiệt động và khảo sát nó dựa theo những đặc trƣng của toàn hệ mà chƣa cần đi sâu vào những chi tiết cấu trúc. Trong vật lý, chỉ cần biết P,V ,T của một hệ nhiệt động là ta có thể biết chắc hệ đó đang ở trạng thái nào: rắn, lỏng hay khí. Sự sống phức tạp hơn nhiều, và do đó ta không hi vọng có một khái niệm chặt chẽ và đầy đủ nhƣ vậy về tham số nhiệt động của hệ. Tuy nhiên, đối với cơ thể một số đại lƣợng vật lý có thể đóng vai trò tƣơng tự. Nhiệt độ cơ thể là một đại lƣợng vật lý cho phép đánh giá cơ thể nhƣ một toàn bộ theo nghĩa đó. Trong cơ thể con ngƣời có hàng loạt quá trình hóa sinh và lý sinh luôn kèm theo sinh nhiệt, và tùy từng trƣờng hợp có thể tự điều chỉnh để thực hiện các quá trình tƣơng xứng sao cho nhiệt sinh ra nhiều hơn hay ít đi (Rung cơ khi chống lạnh là một ví dụ 38 đơn giản nhất trong trƣờng hợp này). Mặt khác cơ thể cũng thƣờng xuyên thải nhiệt vào môi trƣờng, qua bức xạ nhiệt, qua hơi thở, qua đƣờng mồ hôi,… Tổng hai dòng nhiệt lƣợng sinh ra và thải đi luôn phải cân bằng để giữ cho cơ thể một nhiệt độ không đổi. Thân nhiệt 37o C là một giá trị cho phép ta đánh giá trạng thái cơ bản của cơ thể. Chính vì thế đo nhiệt độ là kĩ thuật phải thực hiện thƣờng xuyên trên bệnh nhân và ngƣời ta đã liên tục nghiên cứu để thay đổi các phƣơng pháp đo nhiệt độ sao cho đơn giản hơn và nhanh chóng hơn. Trƣớc đây nhiệt kế trong bệnh viện thƣờng là nhiệt kế thủy ngân, khi đo phải để trong cơ thể chừng 3-5 phút, nay là các nhiệt kế sử dụng nhiệt điện trở, đo nhanh chóng và quá trình tạo tiếp xúc với cơ thể cũng dễ chịu hơn. Rồi ngƣời ta cũng tìm đƣợc các phƣơng pháp đo nhiệt trên toàn mặt da (đo bằng chất lỏng tinh thể hay bằng bức xạ hồng ngoại) để đánh giá sơ bộ xem cơ thể ở trạng thái bình thƣờng hay bất thƣờng. “Sốt” là khái niệm đầu tiên trong chẩn đoán để nói rằng cơ thể đang “khỏe” hay “ốm”, cho dù sốt có rất nhiều nguyên nhân khác nhau. Đó chính là trạng thái cơ thể xét nhƣ một toàn bộ. Mặt khác, tốc độ hầu hết các quá trình hóa sinh và lý sinh trong cơ thể đều phụ thuộc vào nhiệt độ. Tăng nhiệt cho cơ thể trong một thời gian xác định và ở một phạm vi nhất định là một cách điều chỉnh tốc độ các quá trình và có vai trò quan trọng trong điều trị. Ngƣời ta có thể cấp nhiệt cho cơ thể bằng con đƣờng trực tiếp (đắp paraphin, ngâm chân nƣớc nóng,…) hay gián tiếp (nhờ các loại dòng điện, qua tác dụng của siêu âm,…). Đây là một lĩnh vực quan trọng của vật lý trị liệu. Dƣới tác dụng của nhiệt, các mạch máu sẽ dãn ra, tuần hoàn vi mạch cục bộ đƣợc cải thiện và từ đó tăng cƣờng độ của các quá trình sống (trao đổi chất, phản ứng miễn dịch, phản ứng bảo vệ,…). Huyết áp và nhịp tim là những đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho hệ tuần hoàn chứ không phải cho toàn cơ thể. Nhƣng do hệ tuần hoàn có tác dụng 39 toàn diện đến hoạt động toàn thân, những đại lƣợng vật lý này cũng có ý nghĩa quan trọng để đánh giá trạng thái cơ thể nhƣ một toàn bộ. Huyết áp quá cao hay quá thấp, nhịp tim quá chậm hay quá nhanh đều là những dấu hiệu cho ta thấy toàn bộ cơ thể không ở trong trạng thái dừng thích hợp. Đó có thể là những dấu hiệu đầu tiên mang tính tổng quát cho ta biết cần phải kiểm tra lại cơ thể một cách chi tiết hơn. Thông thƣờng huyết áp đƣợc đo từ bên ngoài thông qua các măng- set bó vào khuỷu tay và đọc kết quả trên những đồng hồ áp lực khí hay cột thủy ngân. Hiện cũng có những dụng cụ đo huyết áp điện tử, và trân mặt số đồng hồ đo sẽ hiện lên huyết áp tối đa (huyết áp thì tâm thu), huyết áp tối thiểu (huyết áp thì tâm trƣơng) và nhịp tim. Trong những trƣờng hợp cần thiết, có thể đo huyết áp thông qua những ống thông luồn vào bên trong cơ thể, nhƣ đo huyết áp ở từng đoạn mạch, ở từng buồng tim (khi thực hiện những phép kiểm tra điện sinh lý). Đơn vị đo huyết áp trong y tế là mmHg. Hơn nữa việc đo nhiệt độ và huyết áp cũng đƣợc thực hiện khá đơn giản khiến cho ai ai cũng có thể tự đo và tự kiểm tra tham số của chính mình. Trạng thái “khỏe” của cơ thể còn đƣợc đặc trƣng bởi nhiều tham số khác, đặc biệt là những tham số thể hiến sự cân bằng nội môi, trong đó có sự hằng định của áp suất thẩm thấu, của cân bằng điện giải,…(rất qua trọng với quá trình vận chuyển nƣớc trong cơ thể). 40 Hình 2.5. Các thiết bị đo huyết áp. 2.4.2. Tác nhân vật lý, vật lý trị liệu. Tác nhân vật lý là những tác động mang bản chất vật lý nhằm thay đổi cơ thể sống về mặt cấu trúc, về mặt chức năng hay về mặt trạng thái. Trong đó, tác động thay đổi trạng thái có ý nghĩa quan trọng khi ta khảo sát hệ thống sống trên quan điểm nhiệt động. Đây chính là cơ sở vật lý của vật lý trị liệu, một chuyên ngành của y học phát triển mạnh trong những năm gần đây, vừa do sự phát triển mạnh mẽ của vật lý và kĩ thuật, lại vừa do yêu cầu ngày càng cao và tính thuyết phục của những phƣơng pháp chữa bệnh không dùng thuốc. Có một số phƣơng pháp điều trị cơ bản sau: điều trị bằng thuốc, điều trị bằng can thiệp ngoại khoa (phẫu thuật cắt bỏ hay thay thế, kể cả những thủ thuật can thiệp tối thiểu), điều trị bằng các phƣơng pháp cổ truyền, điều trị bằng tác nhân vật lý. Vật lý trị liệu là chữa bệnh thông qua những quá trình điều khiển- điều hòa của riêng cơ thể, dựa trên phản ứng trả lời đối với các kích thích mang bản chất vật lý từ bên ngoài. Trong dạng điều trị này, cho dù bản chất vật lý 41 của từng chất rất khác nhau, song hầu nhƣ tất cả các tác nhân đó đều gây nên những hiệu ứng kích thích sinh học. Chính kích thích đó là nguyên nhân cơ bản giúp cơ thể chuyển từ trạng thái “bệnh” sang trạng thái “khỏe”. Có thể coi sự sống chính là sự cân bằng của trao đổi chất và chuyển hóa năng lƣợng, đƣợc xác định bằng con đƣờng phức tạp và đƣợc điều chỉnh bởi các quá trình tự điều khiển trong cơ thể, với mục đích của hệ thống là duy trì tính hằng định của nội môi. Kích thích là một trong những khả năng để tạo ra sự điều hòa nhƣ thế, để duy trì và thực hiện sự cân bằng nội môi nhƣ thế. Có ba quá trình điều hòa quan trọng: điều hòa nhiệt độ và hàm lƣợng nhiệt, điều hòa huyết áp và điều hòa trao đổi chất. Một trong những khả năng sống đặc trƣng là khả năng có thể bị kích thích, thể hiện ở chỗ chúng có thể phản ứng lại với những tác động từ bên ngoài. Trên cơ sở kích thích sẽ có phản ứng và thích nghi. Trong cơ thể chúng ta có cả một hệ thống hoàn chỉnh cho việc tiếp nhận kích thích, truyền kích thích (nhƣ truyền tin), xử lý tin để cuối cùng dẫn tới một hành xử thích đáng. Trong vật lý trị liệu, chu trình nhắc lại kích thích-phản ứng sẽ chuyển cơ thể sang những trạng thái mới. Hầu nhƣ tất cả các tác nhân vật lý đều có thể sử dụng thành công trong vật lý trị liệu chính là nhờ cơ thể có thể hiểu tác dụng của các tác nhân đó nhƣ một kích thích và có phản ứng thích hợp. Đó có thể là dòng điện, song điện hay từ trƣờng, đó cũng có thể là ánh sáng hay nƣớc, là laser hay siêu âm, có thể các tác nhân đó vốn có sẵn trong tự nhiên hay sinh ra từ những thiết bị chuyên dụng… Vật lý trị liệu có thể xem là dùng ngay những yếu tố của tự nhiên để chữa bệnh, khi những yếu tố tự nhiên ấy đƣợc khảo sát thấu đáo về mặt vật lý, đƣợc điều chỉnh chặt chẽ, chính xác về mặt định lƣợng. Tác dụng kích thích của điện trị liệu đƣợc phân theo tần số và ta có điện trị liệu tần số thấp, tần số trung bình và tần số cao. Trong mỗi dải tần số ta lại 42 có những tham số cụ thể cho từng xung điện: biên độ xung, độ dài xung, khoảng cách giữa hai xung,… Với bức xạ laser, chỉ có bức xạ công suất thấp (dải mW) là đƣợc sử dụng trong vật lý trị liệu, bao gồm cả laser vùng ánh sáng đỏ, ánh sáng xanh và vùng hồng ngoại, trong đó các thông số về công suất và mật độ công suất có ý nghĩa quyết định hiệu quả trị liệu. Trong y học, thiết bị vật lý trị liệu là một phần quan trọng của hệ thống thiết bị điều trị. Các thiết bị vật lý cũng thƣờng đƣợc sử dụng trong y học phục hồi. Hình 2.6.Giới thiệu một số thiết bị thƣờng sử dụng trong bệnh viện. Y học với tƣ cách là một ngành khoa học mang đặc trƣng liên ngành còn rất non trẻ, mục đích cuối cùng của vật lý y sinh học là đƣa ra những ứng dụng cụ thể, mới mẻ trong y học sau khi đã tiếp cận sinh học bằng con đƣờng vật lý, sau khi nghiên cứu bản chất vật lý của sự sống và sau khi tìm ra cách sử dụng những phƣơng pháp vật lý để khảo sát sự sống và tác động lên sự sống Y học là một ngành khoa học có nội dung hết sức rộng rãi, tuy nhiên trên quan điểm ứng dụng các ngành khoa học khác trong lĩnh vực này, ta có thể quan tâm đến hai phạm vi nổi bật nhất là chẩn đoán và điều trị. 43 KẾT LUẬN Luận văn về cơ bản đã hoàn thành đƣợc các nhiệm vụ nghiên cứu đề ra. Tuy nhiên, với tính chất là báo cáo khóa luận tốt nghiệp nên đề tài này chƣa đi sâu vào tính toán chi tiết mà chỉ tập trung làm nổi bật những nguyên lý cơ bản của nhiệt động lực học và ý nghĩa vật lý của nội dung trình bày, chỉ dừng lại ở một cách nhìn tổng thể. Em hi vọng tất cả các bạn yêu thích môn học này sẽ tiếp tục nghiên cứu đề tài để vấn đề đƣa ra đƣợc trình bày một cách rộng hơn, sâu hơn và cụ thể hơn. Mặc dù em đã cố gắng nhiều nhƣng vẫn không thể nào tránh đƣợc những thiếu xót và hạn chế, em hi vọng thầy cô và các bạn sẽ bổ sung và góp ý thêm để luận văn hoàn thiện hơn. 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 . Bùi Văn Thiện, Nguyễn Quang Đông, Nguyễn Xuân Hòa- Giáo trình Vật lý_Lý sinh y học- Trƣờng Đại học Y Dƣợc Thái Nguyên 2011.  2  . Phạm Quý Tƣ- Giáo trình Nhiệt động lực học - NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội 1998. 3 . Vũ Công Lập, Trần Công Duyệt, Đỗ Kiên Cƣờng, Hà Viết Hiền, Nguyễn Đông Sơn, Lê Mạnh Hải, Nguyễn Thanh Phƣơng, Huỳnh Việt DũngCác tác nhân vật lý thƣờng dùng trong vật lý trị liệu- NXB Y học 2005.  4  . Vũ Thanh Khiết- Nhiệt động lực học và vật lý thống kê - NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội 1996. 5 . Lê Văn- Vật lý phân tử và Nhiệt học – NXB Giáo Dục 1978. 45 [...]... toán học và vật lý học 2.1 Cơ thể sống là một hệ nhiệt động mở Không có gì mới hay khó hiểu khi ta nói rằng, cơ thể sống- ở mọi trình độ tổ chức của chúng, luôn đƣợc xem là một hệ nhiệt động mở, và do đó việc ứng dụng các khái niệm nhiệt động học, các phƣơng pháp nhiệt động học và các định luật nhiệt động học là điều tất nhiên Chúng ta có thể nghiên cứu sự sống ở mức phân tử, mức tế bào, mức mô- các hệ. .. nhiệt độ hay cân bằng nồng độ,… 2.3.2 Entropi và xác suất nhiệt động Tarusov có một cách trình bày khác về nguyên lý II nhiệt động lực học  dựa trên khái niệm xác suất nhiệt động 1 Theo đó, xác suất nhiệt động của một hệ là số các trạng thái vi mô khả dĩ ứng với một trạng vĩ mô xác định của hệ đó Theo cách giải thích Tarusov, ta cũng có biểu thức liên hệ giữa entropi S của hệ và xác suất nhiệt động. .. truyền một nhiệt lƣợng  Q cho một vật thì nhiệt độ của vật ấy tăng lên Gọi dT là độ tăng nhiệt độ, khi đó nhiệt dung c của vật đƣợc định nghĩa là tỷ số: c Q T Nhiệt dung riêng c của chất tạo nên vật là nhiệt dung của vật nếu vật đồng chất và có khối lƣợng bằng đơn vị Nhiệt dung mol C của chất tạo nên vật là nhiệt dung của vật nếu vật đồng chất và có khối lƣợng bằng 1mol - Hệ thức liên hệ giữa c... và công điện Công cơ học là công sinh ra khi dịch chuyển các bộ phận của cơ thể, các cơ quan trong cơ thể hay toàn bộ cơ thể nhờ các lực cơ học Lực cơ học sinh ra khi cơ co, và đó chính là nguồn gốc của công cơ học Công hóa học là công sinh ra khi tổng hợp các chất cao phân tử từ các chất có trong lƣợng phân tử thấp và khi thực hiện các phản ứng hóa học xác định Việc tổng hợp các chất cao phân tử (protit,... một hệ, ta cho hệ đó giãn đoạn nhiệt Trong quá trình này nhiệt độ của hệ giảm, sau đó nén đẳng nhiệt cho hệ trở về thể tích cũ Trong 16 quá trình bị nén hệ tỏa nhiệt còn khi trở về thể tích cũ nhiệt độ của hệ thấp hơn nhiệt độ ban đầu Cứ lặp lại quá trình trên nhiều lần thì nhiệt độ của hệ sẽ dần dần giảm đi Tuy nhiên khi gần tới 0O K thì quá trình đoạn nhiệt và đẳng nhiệt trùng nhau Khi giãn đoạn nhiệt. .. cấp và nhiệt thứ cấp Các phản ứng hóa học liên quan đến ATP, ADP cũng nhƣ các quá trình sinh công trong cơ thể sống đều có liên quan mật thiết với hiệu ứng nhiệt Sự sống luôn gắn liền với các quá trình trao đổi nhiệt và cơ thể con ngƣời cũng nhƣ nhiều động vật máu nóng khác có thân nhiệt ổn định Hiện nay, ngƣời ta quy ƣớc chia nhiệt lƣợng sinh ra làm 2 loại: Nhiệt sơ cấp (hay nhiệt cơ bản) và nhiệt. .. nhiệt độ nên U  0  Q  A Vậy trong quá trình đẳng nhiệt, công sinh ra bởi 1 mol khí lý tƣởng bằng nhiệt lƣợng mà nó nhận đƣợc 8 *Quá trình đoạn nhiệt: Q  0  U   A 1.1.5 Hạn chế và giới hạn áp dụng của nguyên lý I nhiệt động lực học Nguyên lý I nhiệt động lực học đƣợc áp dụng cho hệ cô lập Nguyên lý I không cho biết đƣợc chiều diễn biến của một quá trình thực tế xảy ra.Chẳng hạn, trong một hệ. .. nhiệt trùng nhau Khi giãn đoạn nhiệt nhiệt độ của hệ không giảm và khi nén đẳng nhiệt hệ cũng không tỏa nhiệt Vậy chỉ có thể đến rất gần 00 K nhƣng không thể đạt tới nhiệt độ này * Hệ quả 2: Khi T  00 K , các hệ số nhiệt  ,   0 và các nhiệt dung CP , CV  0 Theo định nghĩa hệ số nở đẳng áp  :   tích  :   1  V  , hệ số tăng áp đẳng V  T  p 1  p  và các biểu thức vi phân toàn chỉnh:... ra Ví dụ: Cho 2 vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau Theo nguyên lý I thì nhiệt lƣợng vật này nhận đƣợc sẽ bằng nhiệt lƣợng vật kia nhả ra Nhƣng chiều truyền nhiệt nhƣ thế nào, từ vật nóng sang vật lạnh hay từ vật lạnh sang vật nóng thì không thể suy ra đƣợc từ nguyên lý thứ nhất Mà trong thực tế chỉ có một chiều truyền nhiệt nhất định là chiều truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh, quá trình... biến của các quá trình là chiều biến đổi của một hệ kín từ trạng thái có xác suất nhỏ đến trạng thái có xác suất lớn hơn 15 1.3 Định lý Nerst hay nguyên lý thứ 3 nguyên lý nhiệt động lực học 1.3.1.Định lý Nerst Dựa trên các sự kiện thực nghiệm phong phú thu thập đƣợc khi nghiên cứu tính cách của vật chất ở nhiệt độ thấp, Nerst đã tìm thấy rằng: “Đối với các hệ cân bằng trong các quá trình đẳng nhiệt chuẩn ... nhiệt động lực học - Áp dụng nhiệt động lực học hệ sinh vật thực 1.3 Đối tƣợng nghiên cứu - Các nguyên lí nhiệt động lực học - Nhiệt động lực học áp dụng cho hệ thống sống 1.4 Phƣơng pháp nghiên... y học, việc hiểu rõ tính chất vật lý vật thể sống điều quan trọng chọn đề tài: “ Nhiệt động lực học hệ sinh vật 1.2 Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu nguyên lí nhiệt động lực học - Áp dụng nhiệt. .. nghĩa chất khiến cho nhiều y học mang dáng vẻ ngƣời khoa học xác nhƣ: toán học vật lý học Nhiệt động lực học môn học nghiên cứu quy luật tính chuyển động nhiệt hệ cân hệ chuyển trạng thái cân Đồng