Nhiệt động học hệ sinh học

Trường Đại học công nghiệp Hà Nội MỤC LỤC Trang I Một số khái niệm đại lượng …………………………… II Định luật I…………………………………………………………… 2.1 Định luật I nhiệt động học ………………………………… 2.3 Định luật I nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật ………… 2.3 Nhu cầu lượng thể………………………………… 2.4 Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp nguyên tắc hoạt động 10 thể sống…………………………………………………………… III Định luật II ………………………………………………………… 11 3.1 Định luật II nhiệt động học…………………………………… 11 3.2 Định luật II nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật ………… 16 3.3 Phân biệt nguyên tắc hoạt động thể sống với máy nhiệt……………………………………………………………………… 19 NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘNG HỌC CHO CƠ THỂ SỐNG Nhiệt động học hệ sinh vật lĩnh vực nghiên cứu hiệu ứng lượng, chuyển hoá dạng lượng, khả tiến triển, chiều hướng giới hạn tự diễn biến trình xảy hệ thống sống Cơ thể sống trình sinh trưởng phát triển có sử dụng lượng nhiệt động học hệ sinh vật lĩnh vực cần nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu nhiệt động học hệ sinh vật thể sống, hệ mở xảy trao đổi vật chất lượng với môi trường xung quanh, có Học viên: Nguyễn Thị Hà Trường Đại học công nghiệp Hà Nội khả tự điều chỉnh, tự sinh sản nên khác với hệ vật lí chất rắn, chất lỏng hay chất khí Hiện nhiệt động học hệ sinh vật có hướng nghiên cứu chủ yếu sau: - Nghiên cứu chuyển biến lượng mức độ phân tử, tế bào, mô, quan hay toàn thể trạng thái sinh lý bình thường trạng thái hoạt động Xác định hiệu suất sử dụng lượng trình sinh vật lượng liên kết liên kết cao phân tử sinh học - Nghiên cứu tính chất nhiệt động trình diễn thể sống trình khuyếch tán, thẩm thấu, vận chuyển tích cực - Nghiên cứu chế tác động thay đổi yếu tốmôi trường lên trình chuyển hoá lượng trao đổi lượng thể sống với môi trường I Một số khái niệm đại lượng - Hệ: Hệ vật thể hay nhóm vật thể dùng làm đối tượng để nghiên cứu Ví dụ chọn cá thể để nghiên cứu cá thể hệ chọn quần thể để nghiên cứu quần thể hệ - Hệ cô lập: Là hệ trao đổi vật chất lượng hệ với môi trường xung quanh Trên thực tế khó xác định hệ cô lập hoàn toàn qui mô thí nghiệm nhà khoa học thiết kế hệ cô lập bom nhiệt lượng dùng để nghiên cứu hiệu ứng nhiệt phản ứng oxy hóa - Hệ kín: Là hệ không trao đổi vật chất với môi trường xung quanh có trao đổi lượng với môi trường xung quanh - Hệ mở: Là hệ có trao đổi cảvật chất lượng với môi trường xung quanh Ví dụ: thể sống hệ mở - Tham số trạng thái: Là đại lượng đặc trưng cho trạng thái hệ, ví dụ nhiệt độ, áp suất, thể tích, nội năng, entropi - Trạng thái cân bằng: Là trạng thái tham số trạng thái đạt giá trị định không đổi theo thời gian - Quá trình cân bằng: Là trình tham sốtrạng thái thay đổi với tốc độ chậm tới mức cho thời điểm có thểxem nhưtrạng thái hệlà trạng thái cân Học viên: Nguyễn Thị Hà Trường Đại học công nghiệp Hà Nội - Quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp, đẳng tích trình diễn nhiệt độ, áp suất thểtích không đổi suốt trình diễn - Quá trình thuận nghịch: Là trình biến đổi mà trởvềtrạng thái ban đầu không kèm theo biến đổi môi trường xung quanh - Quá trình bất thuận nghịch: Là trình biến đổi mà trởvềtrạng thái ban đầu làm thay đổi môi trường xung quanh - Hàm trạng thái: Một đại lượng xem hàm trạng thái, đặc trưng cho trạng thái hệ, sựbiến thiên giá trịcủa bất cứquá trình chỉphụthuộc vào giá trị đầu giá trịcuối mà không phụthuộc vào đường chuyển biến Nội (U), lượng tựdo (F), thếnhiệt động (Z hay G), entanpi (H), entropi (S) hàm trạng thái - Năng lượng: Năng lượng đại lượng đo được, có thểbiến đổi cách định lượng theo tỉlệthành nhiệt lượng Năng lượng phản ánh khảnăng sinh công hệ Đơn vịdùng để đo lượng Calo (Cal) hay Joule (J) - Công nhiệt: Đó hai hình thức truyền lượng từhệnày sang hệ khác Nếu truyền lượng từ hệ sang hệ khác gắn liền với di chuyển vịtrí hệ truyền thực dạng công Ví dụ chạy 100 mét lượng tiêu tốn dùng vào thực công để di chuyển vị trí Nếu truyền lượng từ hệ sang hệ khác làm tăng tốc độ chuyển động phân tử hệ nhận lượng truyền thực dạng nhiệt Công nhiệt hàm số trình chúng phụ thuộc vào cách chuyển biến - Nội năng: Nội vật thể bao gồm động phân tử chuyển động tương tác hút đẩy lẫn phân tử với lượng hạt nhân nguyên tử lượng điện tử II Định luật I 2.1 Định luật I nhiệt động học Định luật I nhiệt động học hình thành qua công trình nghiên cứu tác giảnhưM V Lomonoxob (1744), G I Heccer(1836), R Majo (1842), Học viên: Nguyễn Thị Hà Trường Đại học công nghiệp Hà Nội Helmholtz (1849), Joule (1877) Định luật I nhiệt động học phát biểu sau: "Trong trình lượng dạng biến lượng dạng khác xuất với lượng hoàn toàn tương đương với giá trị lượng dạng ban đầu" Định luật I nhiệt động học bao gồm hai phần: - Phần định tính khẳng định lượng không mà chuyển từ dạng sang dạng khác - Phần định lượng khẳng định giá trị lượng bảo toàn (tức giữ nguyên giá trị qui đổi thành nhiệt lượng) chuyển từ dạng lượng sang dạng lượng khác Giá trị lượng bảo toàn trình xảy trình thuận nghịch hiệu suất trình đạt 100% Đối với trình bất thuận nghịch, hiệu suất trình nhỏ 100% phần lượng truyền cho hệ phải cộng thêm phần lượng toảra môi trường xung quanh Biểu thức toán học định luật I nhiệt động học: Một hệ cô lập trạng thái ban đầu có nội U1, cung cấp cho hệmột nhiệt lượng Q phần nhiệt lượng hệ sử dụng để thực công A, phần lại làm thay đổi trạng thái hệ từ trạng thái ban đầu có nội U1 sang trạng thái có nội U2(U2>U1) Từnhận xét ta có biểu thức: Q = ΔU + A (1.1) Trong ΔU = U2- U1 Công thức (1.1) có thểviết dạng: ΔU = U1- U1= Q - A (1.2) Đối với trình biến đổi vô nhỏ, phương trình (1.2) có thểviết dạng: dU = δQ - δA (1.3) dU: Chỉ biến đổi nội năng, hàm số trạng thái δQ δA: Chỉ biến đổi nhiệt công, hàm số trình Từ biểu thức (1.2), định luật I nhiệt động học phát biểu sau: "Sự biến thiên nội hệ nhiệt lượng hệ nhận trừ công hệ thực hiện" Từ định luật I nhiệt động học dẫn đến hệ sau đây: Học viên: Nguyễn Thị Hà Trường Đại học công nghiệp Hà Nội - Nếu hệ biến đổi theo chu trình kín (có trạng thái đầu trạng thái cuối trùng nhau) nội hệ không thay đổi (U2= U1→ΔU = 0) - Khi cung cấp cho hệ nhiệt lượng, hệ không thực công toàn nhiệt lượng mà hệ nhận làm tăng nội hệ Theo (1.2) ΔU = U2- U1= Q - A, A = →U2- U1= Q Hệ nhận nhiệt nên Q > →U2- U1= Q > →U2> U1 - Khi không cung cấp nhiệt lượng cho hệ mà hệ muốn thực công có cách làm giảm nội hệ Theo (1.2) ΔU = U2- U1= Q - A, Nếu Q = →U2- U1= -A →A = U1- U2 Hệ muốn thực công, tức A > →U1- U2> →U1> U2 Sau thực công (tức A > 0), nội hệ giảm từ U1 xuống U2 nhỏ - Hệ thực theo chu trình kín, không cung cấp nhiệt lượng cho hệ hệ khả sinh công ΔU = Q - A, Nếu hệ thực theo chu trình kín, theo hệquả ΔU = →Q - A = →Q = A Do vậy, Q = 0, tức không cung cấp nhiệt lượng cho hệ hệ khả sinh công, tức A = Hệ này, phát biểu dạng: "Không thể chế tạo động vĩnh cửu loại một, loại động không cần cung cấp lượng có khả sinh công" 2.2 Định luật I nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật Người tiến hành thí nghiệm đểchứng minh tính đắn định luật I nhiệt động học áp dụng vào hệthống sống hai nhà khoa học Pháp Lavoisier Laplace vào năm 1780 Đối tượng thí nghiệm chuột khoang Thí nghiệm cách ly thể khỏi môi trường bên cách nuôi chuột nhiệt lượng kế nhiệt độ 0oC Dùng lượng thức ăn xác định trước đểnuôi chuột thí nghiệm Học viên: Nguyễn Thị Hà Trường Đại học công nghiệp Hà Nội Trong thể chuột diễn phản ứng phân huỷthức ăn tới sản phẩm cuối khí CO2và H2O, đồng thời giải phóng nhiệt lượng Q1 Nếu coi điều kiện 0oC, chuột đứng yên, không thực công mà sử dụng nhiệt lượng giải phóng oxy hoá thức ăn để cung cấp nhiệt lượng cho thể tỏa nhiệt môi trường, qua nhiệt kế đo tăng nhiệt độ, theo công thức tính nhiệt lượng Q1 Đồng thời lấy lượng thức ăn tương đương với lượng thức ăn cho chuột ăn trước thí nghiệm đem đốt cháy bom nhiệt lượng kế tới khí CO2và H2O, giải phóng nhiệt lượng Q2 So sánh hai kết thí nghiệm thấy giá trị Q1tương đương với Q2 Điều chứng tỏ nhiệt lượng giải phóng từcác phản ứng hoá sinh diễn cơthể sống hoàn toàn tương đương với nhiệt lượng giải phóng từ phản ứng ôxy hoá diễn ởngoài thể sống Nói cách khác, hiệu ứng nhiệt trình ôxy hoá chất diễn ởtrong cơthể sống hiệu ứng nhiệt trình ôxy hoá chất diễn ởngoài thể sống hoàn toàn tương đương Để tăng độ xác thí nghiệm, sau có nhiều mô hình thí nghiệm nhiều nhà nghiên cứu tiến hành đáng ý Atwater Rosa vào năm 1904 Đối tượng thí nghiệm người thời gian thí nghiệm ngày đêm (24 giờ) Trong thời gian thí nghiệm, cho người tiêu thụmột lượng thức ăn định, thông qua đo lượng khí ôxy hít vào (hay khí CO2thởra), nhiệt thải từ phân nước tiểu tính hiệu ứng nhiệt phản ứng phân huỷthức ăn diễn thể người 24 Đồng thời đốt lượng thức ăn tương đương với lượng thức ăn mà người tiêu thụ bom nhiệt lượng kế đo nhiệt lượng toả Kết thí nghiệm: Hiệu ứng nhiệt phản ứng diễn thể người 24 Nhiệt lượng toảra xung quanh : 1374 KCal Nhiệt lượng toảra thởra : 181 KCal Nhiệt lượng toảra bốc qua da: 227 KCal Nhiệt khí thải : 43 KCal Nhiệt toảra từphân nước tiểu : 23 KCal Học viên: Nguyễn Thị Hà Nhiệt lượng thức ăn cung cấp 56,8 gam Protein : 237 KCal 79,9 gam Gluxit : 335 KCal 140,0 gam Lipit : 1307 KCal Trường Đại học công nghiệp Hà Nội Hiệu đính (do sai số) : 31 KCal Tổng cộng nhiệt lượng thải : 1879 KCal Tổng cộng : 1879 KCal Lưu ý: Khi ôxy hoá gam Protein bom nhiệt lượng kế tới khí CO2và H2O, giải phóng 5,4 KCal thể sống phân giải gam Protein tới urê giải phóng khoảng 4,2 KCal Khi oxy hoá hoàn toàn gam Gluxit, giải phóng khoảng 4,2 KCal ôxy hoá hoàn toàn gam Lipit giải phóng từ 9,3 đến 9,5 KCal Kết thí nghiệm Atwater Rosa khẳng định lượng chứa thức ăn sau thể tiêu thụ chuyển thành lượng giải phóng thông qua trình phân giải phản ứng hoá sinh diễn thể sống Năng lượng chứa thức ăn lượng giải phóng sau thể phân giải thức ăn hoàn toàn tương đương Nhiệt lượng thể người chia làm hai loại nhiệt lượng (hay nhiệt lượng sơ cấp) nhiệt lượng tích cực (hay nhiệt lượng thứ cấp) Nhiệt lượng xuất sau thể hấp thụ thức ăn tiêu thụ ôxy để thực phản ứng ôxy hoá đồng thời giải phóng nhiệt lượng Ví dụ thể hấp thụ1 phân tử gam (tức 1M) glucose, xảy phản ứng ôxy hoá đường giải phóng 678 KCal (nhiệt lượng cơbản) Cơ thể sử dụng nhiệt lượng vào hoạt động sống, dư tích luỹvào ATP Phần nhiệt lượng tích luỹ vào hợp chất cao gọi nhiệt lượng tích cực Trong thể sống, nhiệt lượng cơbản nhiệt lượng tích cực có liên quan với Nếu nhiệt lượng nhiều mà thể sử dụng nhiệt lượng tích cực tăng lên Nếu nhiệt lượng nhiệt lượng tích cực không mà thể phải phân giải ATP, giải phóng lượng để cung cấp cho hoạt động sống Ở trạng thái sinh lý bình thường, thể sống trì mối tương quan định nhiệt lượng nhiệt lượng tích cực Ở mức độ tế bào, có khoảng 50% lượng chất dinh dưỡng tích luỹ vào ATP 2.3 Nhu cầu lượng thể Học viên: Nguyễn Thị Hà Trường Đại học công nghiệp Hà Nội Cơ thể cần lượng để tái tạo mơ thể, trì thân nhiệt, tăng trưởng cho hoạt động Cơ thể người sử dụng hình thức cung cấp nhiệt cho hoạt động sau: + Năng lượng hoá học cho trình chuyển hoá + Năng lượng học cho hoạt động + Năng lượng nhiệt để giữ cân nhiệt thể + Năng lượng điện cho hoạt động não mô thần kinh Thực phẩm nguồn cung cấp lượng: Glucid Lipid nguồn lượng chính, nguồn khác Protein rược Etylic - Đơn vị lượng thể kí lô calo, viết tắt kcal: kcal = 1000 calo Trong thể, đốt 1g Glucid cho kcal, 1g Lipid cho kcal; 1g Protein cho kcal Để đảm bảo mức liên kết tối ưu chất sinh lượng, tỉ lệ lượng Protid : Lipid : Glucid 12 : 18 : 70 tiến tới 14 : 20: 66 Tỉ lệ Lipid không nên vượt 30 % lượng phần - Tiêu hao lượng thể ngày xác định tổng số lượng thể sử dụng cho phần sau: + Năng lượng sử dụng cho chuyển hoá (CHCB) + Năng lượng tác động nhiệt thức ăn + Năng lượng cho hoạt động thể lực - Năng lượng cho CHCB: lượng cần thiết để trì sống người điều kiện nhịn đói, hoàn toàn nghỉ ngơi nhiệt độ môi trường sống thích hợp Học viên: Nguyễn Thị Hà Trường Đại học công nghiệp Hà Nội Đó lượng tối thiểu để trì chức phận sinh lý tuần hoàn, hô hấp, hoạt động tuyến nội tiết, trì thân nhiệt Có nhiều yếu tố có ảnh hưởng tới CHCB bao gồm: cấu trúc thể, nữ thấp nam, tuổi mức CHCB cao, cường giáp làm tăng CHCB, suy giáp làm giảm CHCB, thân nhiệt tăng 1oC CHCB tăng 10% Để tính CHCB, phòng thí nghiệm sinh lý người ta đo trực tiếp thông qua lượng oxy tiêu thụ Trong dinh dưỡng thực hành công thức tổng quát tính lượng cho CHCB cho người trưởng thành sau: + Đối với nam: CHCB = kcal x CN (kg) X 24 + Đối với nữ: CHCB = 0,9 kcal x CN (kg) X 24 */ Chỉ sổ BMR Bằng cách tính BMR, ta tính toán lượng calo nạp vào thể hàng ngày để giảm cân, tăng cân hay giữ cân Công thức nghiên cứu chứng minh gần xác với thực tế Công thức Harris-Benedict sửa đổi năm 1984 từ công thức gốc năm 1919 lối sống thể trạng người thay đổi sau nhiều năm: a Công thức BMR: Basal metabolic rate (BMR): Tỷ lệ trao đổi chất ( lượng lượng tiêu thụ tối thiểu trọng lượng đợn vị thời gian động vật máu nóng BMR lượng lượng tiêu thụ tối thiểu để trì sống Nó bao gồm lượng bỏ để trì hoạt động sống thể như: Hoạt động não bộ, tuần hoàn, hô hấp, Nam: [ (13.397 x Trọng lượng kg) + (4.799 x Chiều cao cm) - (5.677 x Tuổi năm) + 88.362 ] Nữ : [ (9.247 x Trọng lượng kg) + (3.098 x Chiều cao cm) - (4.330 x Tuổi năm) + 447.593 ] Học viên: Nguyễn Thị Hà Trường Đại học công nghiệp Hà Nội Từ kết lượng calo tiêu thụ ngày trạng thái nghỉ ngơi, ta cần tính toán thêm để biết lượng calo tiêu thụ phù hợp với cường độ vận động người: b Lượng calo cần thiết để trì cân nặng bạn: Kiểu người: • Nhóm Ít không vận động: BMR x 1.2 • Nhóm Vận động nhẹ: 1-3 lần/1 tuần: BMR x 1.375 • Nhóm Vận động vừa phải: 3-5 lần/ tuần: BMR x 1.55 • Nhóm Vận động nhiều: 6-7 lần/1 tuần: BMR x 1.725 • Nhóm Vận động nặng: Trên lần tuần: BMR x 1.9 - Kết tính số lượng calo cần thiết nạp vào hàng ngày để trì cân nặng bạn - Nếu bạn muốn giảm cân, giảm lượng calo tiêu thụ hàng ngày xuống kết hợp với tập luyện để đốt cháy lượng mỡ thừa thể Lời khuyên chuyên gia bạn nên cắt giảm 200-500 calo ngày để giảm 0.9-1.81 kg tháng Bạn không nên cắt giảm nhiều việc giảm cân nhanh ảnh hưởng đến sức khỏe - Nếu bạn muốn tăng cân, cung cấp thêm calo cho thể Nên nhớ phải có lượng dư ngày bạn tăng cân Nhưng có khuyến cáo cho việc tăng cân nhanh việc giảm cân Tăng 10% lượng calo ngày để giữ cân an toàn Nếu tăng 20% tạm Không khuyến khích việc tăng 20% lượng calo hàng ngày 2.4 Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp nguyên tắc hoạt động thể sống Phương pháp đo nhiệt lượng Lavoadie Laplace dùng thí nghiệm chứng minh tính đắn định luật I nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật, gọi phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp Cơ sở phương pháp dựa vào lượng khí ôxy tiêu thụhoặc lượng khí CO2 cơthểthải động vật máu nóng (động vật có vú người), có liên quan chặt chẽvới nhiệt lượng chứa thức ăn Ví dụ: Quá trình ôxy hóa glucose, phản ứng diễn sau: C6H12O6 + 6O2 = 6CO2+ 6H2O + 678 KCal (180gam) (134,4l) (134,4l) 10 Học viên: Nguyễn Thị Hà Trường Đại học công nghiệp Hà Nội Từ phản ứng cho thấy ôxy hoá hoàn toàn phân tử gam glucose cần phải tiêu thụ6 phân tử gam ôxy đồng thời thải phân tử gam khí CO2và giải phóng 678 KCal Ở điều kiện tiêu chuẩn, phân tử gam chất khí chứa 22,4 lít Do phân tửgam ôxy CO2 chứa: x 22,4 lít = 134,4 lít Từ suy ra, thể tiêu thụ lít O2 để ôxy hoá hoàn toàn phân tử gam glucose đồng thời thải lít CO2 kèm theo giải phóng nhiệt lượng là: 678 KCal: 134,4 lít = 5,047 KCal/lít gọi đương lượng nhiệt ôxy Dựa vào phương pháp nhiệt lượng kếgián tiếp, có thểxác định sựthải nhiệt động vật máu nóng thông qua sốlít ôxy tiêu thụ(hoặc sốlít CO2thải ra) Từphản ứng ôxy hóa glucose ởtrên sau áp dụng chung cho Gluxit ôxy hoá hoàn toàn sẽgiải phóng nhiệt lượng tính theo công thức: Q(KCal) = số lít O2( số lít CO2) x 5,047 (1.4) Khi ôxy hóa Protein, nhiệt lượng giải phóng tính theo công thức: Q(KCal) = số lít O2 x 4,46 (1.5) Khi ôxy hoá Lipit, nhiệt lượng giải phóng tính theo công thức: Q(KCal) = số lít O2 x 4,74 (1.6) Mối quan hệgiữa thức ăn, sốlít O2 tiêu thụ số lít CO2 thải đương lượng nhiệt ôxy thểhiện qua bảng 1.1 Bảng 1.1: Đương lượng nhiệt ôxy loại thức ăn Thức ăn Số lít O2 cần để số lít CO2 thải Đương lượng ôxy hoá gam sau ôxy hoá nhiệt ôxy thức ăn 1g thức ăn Gluxit 0,83 0,83 5,047 Protein 0,97 0,77 4,46 Lipit 2,03 1,42 4,74 Đối với thức ăn hỗn hợp gồm Gluxit, Protein Lipit bị ôxy hoá, nhiệt lượng giải phóng tính theo công thức: Q(KCal) = sốlít O2x 4,825 (1.7) Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp có thểxác định nhiệt lượng giải phóng ôxy hoá thức ăn thông qua: Thương số hô hấp tỉ lệ khí CO2 khí O2 Thương số hô hấp thay đổi tuỳ thuộc vào loại thức ăn ôxy hoá 11 Học viên: Nguyễn Thị Hà Trường Đại học công nghiệp Hà Nội - Đối với phản ứng ôxy hoá glucose Thương số hô hấp glucose sử dụng cho Gluxit - Đối với phản ứng ôxy hóa Lipit có thương sốhô hấp 0,7, Protein 0,8 với thức ăn hỗn hợp có giá trịnằm khoảng từ0,85 đến 0,9 Thương số hô hấp có liên quan với đương lượng nhiệt ôxy, thểhiện qua bảng 1.2 Bảng 1.2: Thương sốhô hấp (TS hô hấp) đương lượng nhiệt ôxy (ĐLN ôxy) TS hô hấp 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 ĐLN ôxy 4,686 4,739 4,801 4,862 4,924 4,985 5,05 Khi ôxy hoá thức ăn, cách đo lượng khí O2tiêu thụvà lượng khí CO2thải (đơn vị lít), tính thương sốhô hấp Dựa vào bảng 1.2, lấy giá trị đương lượng nhiệt ôxy tương ứng với thương sốhô hấp nhân với sốlít O2tiêu thụ biết nhiệt lượng giải phóng (còn gọi lượng nhiệt trao đổi hay trị số trao đổi lượng) Ví dụ: Nếu thương số hô hấp 0,85 có đương lượng nhiệt ôxy 4,862 biết thể tiêu thụ 20 lít O2 trị số trao đổi lượng là: 4,862 x 20 lít O2= 97,24 KCal III Định luật II 3.1 Định luật II nhiệt động học Định luật I nhiệt động học cho biết biến đổi dạng lượng khác nhau, cho phép xác định biểu thức rõ liên quan lượng dạng lượng khác xuất trình cho trước Song định luật I nhiệt động học không cho biết trình xảy không xảy chiều hướng diễn biến trình xảy theo chiều hướng nào? 12 Học viên: Nguyễn Thị Hà Trường Đại học công nghiệp Hà Nội Định luật II nhiệt động học xác định chiều hướng tự diễn biến trình cho biết trình tự diễn biến đến dừng lại cho phép đánh giá khả sinh công hệ nhiệt động khác Định luật II nhiệt động học có ba cách phát biểu Cách phát biểu thứ gọi tiên đề Clausius đưa 1850: "Nhiệt tự động truyền từ vật lạnh sang vật nóng" Từ suy nhiệt nói riêng trình nhiệt động nói chung tự diễn xảy truyền lượng từ mức độ cao đến mức độ thấp, tức theo chiều gradien Gradien thông số đặc trưng cho tính chất trạng thái hệ(như nồng độ) xác định hiệu số giá trịcủa thông số hai điểm chia cho khoảng cách hai điểm Khi so sánh tế bào sống với vật vô sinh hạt cát ta thấy rõ tế bào sống trì nhiều loại gradien khác Gradien màng để trì điện tĩnh điện hoạt động, gradien nồng độ để trì nồng độ, gradien áp suất thẩm thấu để trì lượng nước tế bào Nếu tế bào chết loại gradien bị triệt tiêu Nếu xét mức độ gradien sống tế bào kèm theo tồn loại gradien Cách phát biểu thứ hai Thomson phát triển tiên đề Clausius "Không thể có trình biến đổi chuyển toàn nhiệt lượng thành công" Theo cách phát biểu Thomson hiệu suất hữu ích trình nhỏ (tức η< 1) Điều có nghĩa tự nhiên trình chuyển toàn nhiệt lượng cung cấp thành công hữu ích Đối với trình diễn hệ thống sống có tuân theo cách phát biểu Thomson hay không? Vấn đề đề cập đến phần sau Cách phát biểu thứ ba sở ý kiến Planck, cho Entropi tiêu chuẩn đầy đủvà cần thiết đểxác định tính thuận nghịch không thuận nghịch bất cứquá trình vật lí diễn thiên nhiên Định luật II nhiệt động học phát biểu nhưsau: "Đối với hệ cô lập, trình tựnhiên diễn biến theo chiều tăng entropi" Vậy entropi gì? Để hiểu rõ đại lượng ta xét ví dụ nguyên lý hoạt động máy nhiệt 13 Học viên: Nguyễn Thị Hà Trường Đại học công nghiệp Hà Nội Theo hình 1.1, nguyên lý hoạt động máy nổ sau: Máy có khả sinh công A (tức bánh quay) cung cấp lượng xăng Khi xăng bị đốt cháy có nhiệt độ T1và giải phóng nhiệt lượng Q1 Một phần nhiệt lượng Q1dùng để sinh công, phần lại truyền cho nguồn nước làm lạnh máy Q2, dẫn đến làm tăng nhiệt độ nước T2 Ở Q1>Q2 T1>T2 Theo (1.8) hiệu suất hữu ích trình thuận nghịch xác định theo công thức: Nguồn cung cấp nhiệt ( T1) Q1 Máy sinh công Q2 Nguồn thu nhiệt ( T2) Hình 1.1: Nguyên lý hoạt động máy nổ Từ vật lý học cho biết thay đổi entropi hệ xác định theo công thức: ΔS = Q/T (1.13) ΔS: thay đổi entropi hệ Q: Nhiệt lượng cung cấp cho hệ(calo) T: Nhiệt độ Kelvin (oK) hệ Đối với trình biến thiên vô nhỏ, ta có: 14 Học viên: Nguyễn Thị Hà Trường Đại học công nghiệp Hà Nội Đơn vị entropi Cal/M.độ Entropi hàm trạng thái nên phụ thuộc vào trạng thái đầu trạng thái cuối hệ Công thức (1.12) có thểbiểu diễn qua hàm entropi nhưsau: S1: Entropi trạng thái đầu S2: Entropi trạng thái cuối Đối với trình thuận nghịch theo công thức (1.12) ta có: S1=S2 →S = Const (hằng số) (1.15) Trong hệ xảy trình thuận nghịch hệ trì trạng thái cân nên entropi hệ không đổi Đối với trình không thuận nghịch ΔS > Q/T nhiệt lượng cung cấp cho hệ không làm thay đổi entropi hệ mà làm thay đổi entropi môi trường xung quanh ma sát tỏa nhiệt Thực nghiệm xác định trình không thuận nghịch entropi hệ trạng cuối (tức S2) lớn so với entropi hệ trạng thái đầu (tức S1) Do vậy: S2-S1>0 (1.16) Trong hệ xảy trình không thuận nghịch entropi hệ tăng lên Do vậy, hệ cô lập trình xảy hệ tiến triển theo chiều tăng entropi entropi hệ đạt giá trị cực đại ởtrạng thái cân nhiệt động Tính chung cho trình thuận nghịch không thuận nghịch thay đổi entropi hệcó thể viết nhưsau: ΔS ≥0 (1.17) 3.2 Định luật II nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật 15 Học viên: Nguyễn Thị Hà Trường Đại học công nghiệp Hà Nội Hệ thống sống hệ thống mở, xảy trình trao đổi vật chất lượng với môi trường Theo cách phát biểu Thomson: "Không thể chế tạo động vĩnh cửu loại hai" động có hiệu suất hữu ích 100%, áp dụng vào hệ thống sống hoàn toàn đắn Thực nghiệm xác định trình diễn hệ thống sống có hiệu suất hữu ích nhỏ 100% (xem bảng 1.4) Bảng 1.4: Hiệu suất số trình sinh vật Quá trình quang hợp thực vật có hiệu suất 75% có nghĩa xanh hấp thụ 100 calo từ lượng ánh sáng mặt trời có 75 calo sử dụng vào tổng hợp chất (phần lượng có ích) 25 calo tỏa nhiệt sởi ấm thể hay phát tán nhiệt môi trường xung quanh (phần lượng vô ích) * Vai trò entropi Đối với hệ cô lập, định luật II nhiệt động học khẳng định trình diễn biến diễn theo chiều tăng entropi đạt giá trị cực đại đạt đến trạng thái cân nhiệt động dừng hẳn Cơ thể sống hệ mở áp dụng định luật II nhiệt động học trực tiếp lên thể sống Định luật II nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật xem hệ bao gồm thể sống môi trường sống Về mối liên quan entropi độ trật tự cấu trúc thể sống, Schrodinger cho rằng: "Sự sống hấp thụ entropi âm" Giải thích quan điểm này, theo tác giả thể sống luôn trì độ trật tự cao cách hấp thụ chất dinh dưỡng có độ trật tự cao protit, Gluxit, Lipit qua thức ăn Thực ra, tiêu thụ chất dinh dưỡng, thể sống không sử dụng chúng 16 Học viên: Nguyễn Thị Hà Trường Đại học công nghiệp Hà Nội nguồn trật tự (để nguyên dùng làm nguyên liệu để xây dựng nên thể sống) mà chất dinh dưỡng sau hấp thụ phân giải thành chất để tế bào hấp thu Chẳng hạn Protein thịt gà có độ trật tự cao (tức entropi thấp) thể hấp thụ bị phân giải thành axit amin nên có độ trật tự (tức entropi cao) Do vậy, quan điểm Schrodinger hoàn toàn không phản ánh chất trình tiêu hóa hấp thu thể sống Độ trật tự cấu trúc độ trật tự trình sinh học diễn thể sống entropi định mà thể sử dụng nguồn lượng tự từ nguồn thức ăn để trì tồn phát triển thể sống Trong trình phát sinh hình thành sống trái đất, trải qua thời gian tiến hóa với chọn lọc tự nhiên hình thành nên loài sinh vật có thích nghi cao với loại môi trường sống Do nguyên lí trình sinh học định làm cho thể sống thích nghi mặt cấu trúc thích nghi mặt chức hoàn toàn entropi định hệ lý hóa Tuy nhiên trình sinh lý, sinh hóa diễn thể sống kèm theo thay đổi entropi Khi xét entropi riêng cơthể sống mà không gắn với entropi môi trường sống thể ởtrạng thái cân dừng, entropi có giá trị xác định cực đại không đổi Khi thể sống nhiễm phóng xạ, nhiễm chất độc hại, nhiễm virut entropi tăng có giá trị lớn so với entropi trạng thái cân dừng Khi thể sống có trình sinh tổng hợp chất (nhưquá trình quang hợp thực vật) diễn mạnh so với trình phân hủy chất entropi giảm có giá trị nhỏ so với entropi ởtrạng thái cân dừng trạng thái có tốc độ phản ứng tổng hợp cân với tốc độ phản ứng phân hủy Sự thay đổi entropi diễn thể sống không vi phạm định luật II nhiệt động học thể sống hệ mở hệ cô lập 3.3 Phân biệt nguyên tắc hoạt động thể sống với máy nhiệt 17 Học viên: Nguyễn Thị Hà Trường Đại học công nghiệp Hà Nội Máy nhiệt động dùng nhiên liệu đốt dầu Diedel, xăng để sinh công máy nổ ôtô, xe máy, máy bơm nước Trong học, hiệu suất sử dụng lượng máy nhiệt, tính theo công thức: Công thức chuyển đổi nhiệt độKelvin nhiệt độbách phân (oC): T(oK) = t(oC) + 273 (1.9) Giả sử hiệu suất sử dụng lượng máy nhiệt đạt trung bình 33% = 33/100 ≈1/3 Nếu ta giả sử thể sống hoạt động giống máy nhiệt, tức có hiệu suất sử dụng lượng 33% ? Nhiệt độ ban đầu thể người 37oC, theo công thức (1.9) tính ra: T1= 37 + 273 = 310oK Thay η= 33% ≈31và T1= 310oK vào công thức (1.8) được: Kết cho thấy thể sống hoạt động không giống máy nhiệt Đối với thể sống, Protein bị biến tính nhiệt độ từ40 oC đến 60oC ở192oC sinh vật nhân chuẩn sống Điều khẳng định thể sống hoạt động không giống máy nhiệt mà hoạt động theo nguyên lý trình sinh học 18 Học viên: Nguyễn Thị Hà Trường Đại học công nghiệp Hà Nội Tài liệu tham khảo Giáo trình nhiệt động học cho hệ sinh vật – trường đại học Thái Nguyên Hóa lý (tập 1) – Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế Nhà xuất giáo dục Vật lý đại cương – Lương Duyên Bình - Nhà xuất giáo dục Vật lý phân tử nhiệt học – Lê Văn- Nhà xuất giáo dục Nguyên lý động đốt – Nguyễn Tất Tiến - Nhà xuất giáo dục Nhiệt động học kỹ thuật hóa học – La Văn Bình – Nhà xuất khoa học kỹ thuật 19 Học viên: Nguyễn Thị Hà [...]... Protein bị biến tính ngay ở nhiệt độ từ40 oC đến 60oC còn ở192oC thì không có một sinh vật nhân chuẩn nào có thể sống được Điều đó khẳng định cơ thể sống hoạt động không giống như một máy nhiệt mà hoạt động theo nguyên lý của các quá trình sinh học 18 Học viên: Nguyễn Thị Hà Trường Đại học công nghiệp Hà Nội Tài liệu tham khảo 1 Giáo trình nhiệt động học cho hệ sinh vật – trường đại học Thái Nguyên 2 Hóa... vậy, nếu là hệ cô lập thì các quá trình xảy ra trong hệ sẽ tiến triển theo chiều tăng của entropi và entropi của hệ sẽ đạt giá trị cực đại ởtrạng thái cân bằng nhiệt động Tính chung cho cả quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch thì sự thay đổi entropi của hệcó thể viết nhưsau: ΔS ≥0 (1.17) 3.2 Định luật II nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật 15 Học viên: Nguyễn Thị Hà Trường Đại học công nghiệp... phải là một hệ cô lập 3.3 Phân biệt nguyên tắc hoạt động của cơ thể sống với máy nhiệt 17 Học viên: Nguyễn Thị Hà Trường Đại học công nghiệp Hà Nội Máy nhiệt là động cơ dùng nhiên liệu đốt như dầu Diedel, xăng để sinh công như máy nổ ôtô, xe máy, máy bơm nước Trong cơ học, hiệu suất sử dụng năng lượng của một cái máy nhiệt, được tính theo công thức: Công thức chuyển đổi giữa nhiệt độKelvin và nhiệt độbách... biến đều diễn ra theo chiều tăng của entropi và đạt giá trị cực đại khi đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt động thì dừng hẳn Cơ thể sống là một hệ mở cho nên không thể áp dụng định luật II nhiệt động học trực tiếp lên cơ thể sống Định luật II nhiệt động học chỉ có thể áp dụng vào hệ sinh vật nếu xem hệ bao gồm cả cơ thể sống và môi trường sống Về mối liên quan giữa entropi và độ trật tự cấu trúc của... đến khi nào thì dừng lại và cho phép đánh giá khả năng sinh công của các hệ nhiệt động khác nhau Định luật II nhiệt động học có ba cách phát biểu Cách phát biểu thứ nhất còn gọi là tiên đề Clausius đưa ra 1850: "Nhiệt không thể tự động truyền từ vật lạnh sang vật nóng" Từ đó suy ra rằng nhiệt nói riêng còn những quá trình nhiệt động nói chung chỉ có thể tự diễn ra nếu xảy ra sự truyền năng lượng từ... thiên nhiên Định luật II nhiệt động học phát biểu nhưsau: "Đối với hệ cô lập, mọi quá trình trong tựnhiên đều diễn biến theo chiều tăng của entropi" Vậy entropi là gì? Để hiểu rõ đại lượng này ta xét ví dụ về nguyên lý hoạt động của máy nhiệt 13 Học viên: Nguyễn Thị Hà Trường Đại học công nghiệp Hà Nội Theo hình 1.1, nguyên lý hoạt động của máy nổ như sau: Máy chỉ có khả năng sinh công A (tức bánh đã... có nhiệt độ là T1và giải phóng nhiệt lượng là Q1 Một phần của nhiệt lượng Q1dùng để sinh công, phần còn lại đã truyền cho nguồn nước làm lạnh máy là Q2, dẫn đến làm tăng nhiệt độ của nước là T2 Ở đây Q1>Q2 và T1>T2 Theo (1.8) thì hiệu suất hữu ích của quá trình thuận nghịch được xác định theo công thức: Nguồn cung cấp nhiệt ( T1) Q1 Máy sinh công Q2 Nguồn thu nhiệt ( T2) Hình 1.1: Nguyên lý hoạt động. .. nhiệt ( T2) Hình 1.1: Nguyên lý hoạt động của máy nổ Từ vật lý học cho biết sự thay đổi entropi của một hệ được xác định theo công thức: ΔS = Q/T (1.13) ΔS: sự thay đổi entropi của hệ Q: Nhiệt lượng cung cấp cho hệ( calo) T: Nhiệt độ Kelvin (oK) của hệ Đối với quá trình biến thiên vô cùng nhỏ, ta có: 14 Học viên: Nguyễn Thị Hà Trường Đại học công nghiệp Hà Nội Đơn vị của entropi là Cal/M.độ Entropi là... I nhiệt động học không cho biết quá trình khi nào có thể xảy ra hoặc không xảy ra và chiều hướng diễn biến của quá trình nếu xảy ra thì theo chiều hướng nào? 12 Học viên: Nguyễn Thị Hà Trường Đại học công nghiệp Hà Nội Định luật II nhiệt động học xác định được chiều hướng tự diễn biến của một quá trình cũng như cho biết quá trình tự diễn biến đến khi nào thì dừng lại và cho phép đánh giá khả năng sinh. .. xuất bản giáo dục 3 Vật lý đại cương – Lương Duyên Bình - Nhà xuất bản giáo dục 4 Vật lý phân tử và nhiệt học – Lê Văn- Nhà xuất bản giáo dục 5 Nguyên lý động cơ đốt trong – Nguyễn Tất Tiến - Nhà xuất bản giáo dục 6 Nhiệt động học trong kỹ thuật hóa học – La Văn Bình – Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật 19 Học viên: Nguyễn Thị Hà