Nhiệt động lực học các hệ sinh vật

Nguyên lý thứ nhất của Nhiệt động lực học chính là định luật bảo toàn năng lượng phát biểu cho một hệ NĐLH: “Tổng năng lượng Q A mà hệ nhận được trong một quá trình bằng độ tăng nội nă

HÀ NỘI - 2015

Em xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đến cô giáo

Th.S Nguyễn Thị Phương Lan người đã tận tình hướng 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 trường ĐHSP Hà Nội 2 cùng các thầy cô giáo khoa Vật lý đã giúp đỡ em trong quá trình học tập tại trường và tạo điều kiện thuận lợi cho em được thực hiện khóa luận tốt nghiệp

Trong quá trình nghiên cứu, không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế Kính mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn

Em xin trân trọng cảm ơn cảm ơn!

Hà Nội, ngày 5 tháng 5 năm 2015

Người 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 tượng nghiên cứu 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

1.5 Cấu trúc 2

PHẦN II: NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 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 lượng 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 lượng 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

CHƯƠNG 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 lượng 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 lượng 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 như một toàn bộ 38

2.4.2 Tác nhân vật lý, vật lý trị liệu 41

KẾT LUẬN 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

1

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 lưu

ý là sự phát triển của y học theo hướng 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 được hỗ trợ bởi một hệ thống thiết bị kĩ thuật hiện đại, không những nâng cao chất lượng công việc bên cạnh đó nhiều khi còn thay đổi cả phương 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 người khoa học chính xác như: 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 người 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 được xác nhận bằng thực nghiệm chính

vì thế việc tìm kiếm và đưa ra cách tiếp cận môn học để có hiệu quả là rất cần thiết

Sự phát triển thành công trong y học như ngày nay đương nhiên cũng kèm theo không ít thách thức mà thách thức trước hết nằm ở bản thân khoa học và đào tạo cán bộ khoa học Trên thế giới đã hình thành những chuyên ngành mới như: 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 như kĩ thuật trong y học

Đó là ngành khoa học độc lập mang tính chất liên ngành và giao ngành với: đối tượng riêng, có phương 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

2

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 tượng 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 Phương pháp nghiên cứu

- Đọc tài liệu tham khảo

- Tìm hiểu các bài nghiên cứu khoa học có liên quan

1.5 Cấu trúc

3

PHẦN II: NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA

Trong đó: A là lực suy rộng ứng với thông số ngoài i a i

Khi a là thể tích V , i A là áp suất i P thì công sinh ra làm dãn nở

khối khí từ V  V dV sẽ là:

Khi a là chiều dài của dây l , i A là lực ngược chiều với lực kéo i

F thì công sinh ra khi dây dãn từ l l dl sẽ là:

Khi a là diện tích mặt ngoài S , i A lực chống lại sức căng mặt i

ngoài  thì công sinh ra khi diện tích mặt ngoài biến thiên từ S S dS sẽ

- Quy ước:

4

âm nếu hệ nhận công từ các vật bên ngoài

nhiệt lượng 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 được xác định hoàn toàn bởi một số các thông số vĩ

mô độc lập với nhau được gọi là hệ vĩ mô hay hệ nhiệt động Tất cả các vật ở

bên ngoài hệ được gọi là môi trường 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 trường bên ngoài

Hệ không cô lập gồm hệ kín và hệ mở: Hệ kín là hệ không trao đổi

“vật chất” nhưng trao đổi năng lượng với môi trường bên ngoài Hệ mở là hệ

trao đổi cả “vật chất" và năng lượng với môi trường xung quanh

Xét một hệ nhiệt động tương tác với

môi trường xung quanh và chuyển từ trạng thái ban

đầu I đến trạng thái cuối F

không chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng

thái cuối mà còn phụ thuộc vào quá trình cụ thể

chuyển hệ từ I tới F

FI

VP

Hình 1.1 Giản đồ (P,V) biểu diễn quá trình chuyển trạng thái từ I đến

F

P

5

- Xét đại lượng Q A (năng lượng mà hệ nhận được khi chuyển từ I tới

F ) thì đại lượng 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

  

Trong đó: U là độ tăng nội năng của hệ

U I là nội năng của hệ ở trạng thái   I

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 lượng phát biểu cho một hệ NĐLH: “Tổng năng

lượng Q A mà hệ nhận được 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 như 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 được động cơ vĩnh cửu loại 1- máy làm việc tuần hoàn sinh công mà lại không nhận thêm

năng lượng từ bên ngoài hoặc sinh công lớn hơn năng lương truyền cho nó

6

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

(U2 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 U2 U1 Q A Nếu A  0, vì hệ nhận nhiệt lƣợng nên Q 0 U2 U1  Q 0 U2 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 U2 U1  Q A Khi Q 0 U2U1 A hay

7

1.1.3 Nhiệt dung Liên hệ giữa các nhiệt dung

Nếu truyền một nhiệt lượng 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 được định

nghĩa là tỷ số:

Q c T

Trong đó : m là khối lượng,  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 tương ứng là:

V

Q C

Từ biểu thức giải tích của nguyên lý thứ nhất NĐLH: dU QAta

suy ra biểu thức của nhiệt lượng Q mà hệ nhận được:

*Quá trình đẳng nhiệt T const đối với khí lý tưởng

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 tưởng bằng nhiệt lượng mà nó nhận được

9

*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 được áp dụng cho hệ cô lập

Nguyên lý I không cho biết được 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 được sự khác nhau trong quá trình chuyển hóa giữa công và nhiệt Theo nguyên lý I công và nhiệt lượng là tương đương nhau và có thể chuyển hóa lẫn nhau nhưng 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 chưa đề cập tới hiệu suất truyền nhiệt Trong thực tế hiệu suất của quá trình truyền nhiệt từ môi trường có nhiệt độ cao sang môi trường có nhiệt độ thấp cao hơn quá trình ngược 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 phương trình trạng thái (PTTT) ta

có thể giải quyết được 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 lượng 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 lượng vật này nhận được sẽ bằng nhiệt lượng vật kia nhả ra Nhưng chiều truyền nhiệt như thế nào, từ vật nóng sang vật lạnh hay từ vật lạnh sang vật nóng thì không thể suy ra được 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 ngược lại không thể tự nó

10

xảy ra được Như 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 được 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 đưa 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 lượng 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 lượng được 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 được đề cập đến ở phần sau

Hai cách phát biểu trên là tương đương với nhau

- Cách phát biểu thứ ba trên cơ sở ý kiến của Planck:

Cho rằng Entropi là một đại lượng 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 hướng 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 tưởng Trong quá trình này, chúng ta phải cung cấp cho hệ một lượng nhiệt vô cùng bé dQ để làm cho thể tích của hệ dãn nở

11

thêm một lượng 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 tưởng (KLT): pV  M RT ta suy ra:

M RT p

Khi dãn nở, thể tích của chất khí tăng thêm một lượng 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 được tăng lên Từ đó ta định nghĩa sự thay đổi của entropy (dS trong quá trình dãn nở đẳng nhiệt ở )

mà không áp dụng được 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 lượng Q

mà hệ hấp thụ thành những khoảng nhiệt lượng vô cùng bé

, , , , ,

coi như không đổi và áp dụng (I.6) để tính sự thay đổi của entropy trong các

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 lượng nguyên lí thứ II dưới một hình thức khác,

T IF

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 dưới 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 lượng 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 ngược lại Ngoài ra khi diễn biến theo chiều ngược thì sau khi trở về trạng thái ban đấu sẽ không có sự thay đổi nào trong hệ cũng như môi trường xung quanh

Quá trình không thuận nghịch là quá trình khi tiến hành theo chiều ngược lại hệ không qua đầy đủ các trạng thái trung gian như 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

14

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 :

1 2 1

Dấu (< ) ứng với chu trình không thuận nghịch

15

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

1

T và nguồn lạnh có nhiệt độ thấp nhất là T , nếu tác nhân nhận nguồn nóng 2

nhiệt lƣợng là Q , sinh công 1 A Q 1Q2thì phải truyền cho nguồn lạnh nhiệt lƣợng Q có giá trị không bé hơn giá trị 2 2

1 1

T Q

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

độ không tuyệt đối, độ biến thiên của năng lượng tự do F2 F1 không còn phụ thuộc vào nhiệt độ nữa” nghĩa là:

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”

Vậy định lý Nerst hay nguyên lý thứ 3 NĐLH được phát biểu như sau:

“Đường đẳng nhiệt T 0 trùng với đường đoạn nhiệt S 0”

1.3.2 Các hệ quả của định lý Nerst

* Hệ quả 1: Không thể đạt được nhiệt độ 0 K 0

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

17

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 0 K nhưng không thể đạt tới nhiệt độ này 0

* Hệ quả 2: Khi T 00K, các hệ số nhiệt  , 0 và các nhiệt dung

 Theo nguyên lý III thì khi T 0K

entropy S không phụ thuộc vào các thông số trạng thái p và V Do đó khi

0

T  thì 0 và  0

* Hệ quả 3: Sự suy biến của khí lý tưởng ở nhiệt độ thấp

Biểu thức của entropi của khí lý tưởng cổ điển:

18

Clapeyron nữa Sự sai lệch như vậy của khí lý tưởng đối với các định luật khí

cổ điển gọi là sự suy biến

Ý nghĩa của nguyên lý III

Nguyên lý III được 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 S trong biểu thức của entropy, o

hằng số này không thể tính được bằng các phương pháp nhiệt động lưc học

khác

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 được xem là một hệ nhiệt động mở, và do đó việc ứng dụng các khái niệm nhiệt động học, các phương 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 như một toàn bộ, hay ở mức cao hơn- các 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 dưỡng, không khí từ môi trường và trả về đấy những chất cặn bã hay thải loại ( trao đổi vật chất), một hình thức trao đổi năng lượng phổ biến và dễ thấy nhất là trao đổi nhiệt (bức xạ hay hấp thụ) Ngay ở mức độ phân tử, tương tác của các phân tử sống với môi trường quanh nó cũng rất rõ ràng Màng tế bào vốn được xem là đơn vị cấu trúc và đơn vị chức năng của sự sống Trước đây, người ta xem màng tế bào như một lớp ngăn cách hay bảo vệ đơn thuần nhưng bây giờ ai cũng biết, chính trên lớp màng này đã thực hiện những chức phận sống hết sức quan trọng, thể hiện tương tác của tế bào với môi trường ngoài

20

Sự tương tác của cơ thể sống với môi trường 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 như việc tiếp nhận năng lượng tự do thông qua dinh dưỡng 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 trưng 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 lượng; nó cho rằng năng lượng 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 tương đương về lượng Như vậy tổng năng lượng của một hệ vật chất là một đại lượng không đổi, độc lập với những thay đổi xảy ra trong hệ này Sự thay đổi năng lượng chỉ có thể xảy ra nhờ sự tương tác của

hệ với môi trường xung quanh

Giả sử rằng ta có một hệ kín Nếu giữa hệ và môi trường có sự trao đổi năng lượng 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 lượng trao đổi

trong quá trình và công sinh ra ( nếu hệ thực hiện công lên môi trường thì A

mang dấu dương và ngược lại, nếu hệ nhận nhiệt từ môi trường thì Q mang dấu âm và ngược lại)

Để có thể ứng dụng nguyên lý vào cơ thể sống, điều cần thiết là phải biết dạng công, các dạng nhiệt tương ứng cũng như hiểu về nội năng trong cơ thể