Bài giảng nhiệt động học các hệ sinh vật ths đặng vũ hoàng

NHIỆT ĐỘNG HỌC CÁC HỆ SINH VẬT ThS Đặng Vũ Hoàng Phân viện Vật lý Y Sinh học NHIỆT ĐỘNG HỌC CÁC HỆ SINH VẬT Tài liệu : Giáo trình Vật lý Lý sinh (Học viện quân y 1986)– 1986)– Vũ Công Lập Lý sinh Y học (Đại học Y HN 1998) –Phan Sỹ An Медицинская биофизика 1978 – Губанов Н Н И Краткий справочник по физике 1978 – Карякин Н Н И Nguyên lý I : dU = dQ + dA Nguyên lý II : khả xảy chiều hướng diễn biến trình nhiệt động NHIỆT ĐỘNG HỌC CÁC HỆ SINH VẬT Hiệu ứng lượng Sự chuyển hóa Chiều hướng Tùy đặc tính tương tác với mơi trường: Hệ lập Hệ mở Hệ kín Ngun lý I “Trong trình, lượng dạng biến lượng dạng khác xuất với lượng hoàn toàn tương đương với giá trị lượng dạng ban đầu” dU = dQ + dA Năng lượng? Cơng? • Cơng hóa học • Cơng học • Cơng thẩm thấu • Cơng điện Nhiệt? 1.Sơ cấp 1.Sơ 2.Thứ Thứ cấp ATP Ai E Mặt trời, Q1 Q1 Q2 Đồ ăn ADP + ~ P Bảo toàn lượng thể sống: Cơ thể nguồn lượng Thức ăn oxy hố Năng lượng = Cơng sinh thể Cô lập – Đo nhiệt lượng thải Thế kỷ 18: Lavoadie – Laplace Đo chuột; E (oxy hoá thức ăn thể) = E (đốt thức ăn nhiệt lượng kế) Etuvatơ: E thải (đo nhiệt trực tiếp) E vào (oxy hấp thụ, CO2, Nitơ, Urê … thải)  E vào =  E Đưa vào (Kcal) Thức ăn: 56,8g protit 237 140g lipit 1307 79,9g glucit 335 Thải (Kcal) : 1879 1g lipit glucit protit → 9,3 Kcal → 4,2 Kcal → 4,2 Kcal Q qua da Khí thở Phân nước tiểu Bay đường hô hấp Bay qua da Bổ 1374 43 23 181 227 11  1859 Định luật Herz: Q4 C Q5 D Q6 A B Q2 E Q3 Q1 = Q2 + Q3 Ví dụ: C (-) CO + O2 = CO2 + 97 Kcal/mol + ½ O2 = CO2 + 68 Kcal/mol C = Q4 + Q5 + Q6 + ½ O2 = CO + 29 Kcal/mol NGUYÊN LÝ II “Nhiệt tự động truyền từ vật lạnh sang vật nóng” “Khơng thể có q trình biến đổi chuyển tồn nhiệt lượng thành cơng” “Tự nhiên có xu hướng từ trạng thái có xác suất nhỏ đến trạng thái có xác suất lớn hơn” Mơ tả hoạt động máy nhiệt : • Cả chu trình kín thực cơng ΔA • • • • • • = diện tích hình A1B2A U1 lượng hệ A U2 lượng hệ B Khi dãn nở hệ nhận nhiệt lượng Q1 để thực cơng A1 Ta có Q1=U2-U1+A1 Khi nén hệ tỏa nhiệt lượng –Q2 thực công A2 Ta có –Q2=U1-U2+A2 Cơng ΔA chu trình thực hiên = Q1-Q2 Hiệu suất máy = ΔA/Q1=(Q1Q2)/Q1=1 =1 Q2/Q1 Gradien • Gradien hàm f : véc tơ cho ta biết mức độ • • thay đổi đại lượng f Trong không gian chiều : grad(f) vec tơ gồm thành phần [∂ [∂f/ f/∂ ∂x; ∂f/ f/∂ ∂y; ∂f/ f/∂ ∂z] cho ta biết mức độ thay đổi f không gian độ lớn hướng Ví dụ: hệ sinh vật có nhiều gradien như: gradien nồng độ gây phân phối không đồng vật chất khác tế bào, gradien điện màng tế bào nồng độ khác ion K Na… Entropi • Định nghĩa : S = k.lnW • Xác suất nhiệt động W: số trạng thái vi mô ứng với trạng thái vĩ mô hệ k số Boltzman = R/N) R: số khí = 8.314 472 J·KJ·K-1·mol 1·mol N: số Avơgadrơ = 6.022 1415 × 1023 k = 1.380 6505 × 10 10 23 J·KJ·K-1 Định nghĩa : S = Q/T “Trong hệ lập q trình nhiệt động tự diễn tiến ln đưa hệ từ trạng thái có W nhỏ tới trạng thái có W lớn cuối dẫn tới trạng thái cân nhiệt động có W S cực đại” • Entropi hàm trạng thái • Entropi cộng tương tự nội • Entropi đại lượng cho ta thấy mức độ hỗn loạn hệ • Giả sử hệ lập có phần nhiệt độ T1 T2 truyền nhiệt lượng dQ cho (T1 Như sau trình truyền nhiệt S tăng lên Năng lượng tự • • • • • • • Ta có S = Q/T dS = dQ/T dQ = T.dS Thay vào biểu thức ng lý I (dU = dQ + dA) dU = dA + T.dS dA công sinh đc gọi thay đổi lượng tự dF, ta có dU = dF + T.dS Dưới dạng giá trị tuyệt đối U = F + T.S • Ng lý II cho rằng: trình xảy • hệ lập thuận nghịch hay bất thuận nghịch Quá trình thuận nghịch : lượng tự khơng đổi Q trình bất thuận nghịch : lượng tự giảm xuống F tăng lên? hệ nhận thêm E từ bên Các q trình chuyển hóa hệ lập xảy lượng tự giảm không Entropi đạt cực đại Trạng thái đc gọi trạng thái cân nhiệt động : hệ hồn tồn khơng có khả sinh công trật tự Trong thể, q trình lý sinh hóa sinh ln có phần lượng tự bị dạng nhiệt Hiệu suất trình = A/dF ≤1 (=1 trình thuận nghịch) Hiệu suất số trình : Glucoliz: 0,36 Oxy hố – Photphorin hố 0,55 Co cơ: 0,40 Quang hợp: 0,75 Hệ thống sinh vật – Mâu thuẫn với nguyên lý II ? • Hệ sinh vật hệ cô lập, hệ mở, trao đổi chất lượng với môi trường Vì mà có trật tự cao, có cấu trúc đặc thù đc bảo toàn phát triển, gradien ln trì, khả sinh cơng ln dồi dào; tức S không tăng mà cịn giảm F khơng tiến tới ko Điều không mâu thuẫn với ng lý II, hệ thống sinh vật khơng lập mà nhận F từ môi trường Sự thay đổi dF dS thể có thành phần: diF diS ứng với q trình lý sinh hóa sinh thể (diF0 tuân theo ng lý II); deF deS quy định tương tác hệ với môi trường (deF>0 deS0 (S thải môi trường nhỏ S sinh hệ thống) |deS| > |diS| dS