Nhiệt động học

NHIỆT ĐỘNG HỌC CÁC HỆ SINH VẬT Viện Vật lý Y Sinh • • • • Yêu cầu: nắm vững nguyên lý nhiệt động học Đối tượng: hệ nhiệt động Mục đích: nghiên cứu chuyển hóa khác dạng lượng Phương pháp: tiên đề + Đối tượng không cấu trúc Viện Vật lý Y Sinh • • Nội dung: + Nguyên lý nguyên lý Áp dụng vào sinh học: + Cơ thể sống có phải hệ nhiệt động không + Năng lượng có phải P,V,T không + Có bảo toàn lượng không + Có chiều biến thiên không Viện Vật lý Y Sinh • Ứng dụng y học + Chẩn đoán đánh giá trạng thái + Vai trò nhiệt y học + Tác nhân vật lý Viện Vật lý Y Sinh * Nhiệt động học: ngành KH nghiên cứu quy luật chuyển hóa lượng từ dạng sang dạng khác * Các hệ nhiệt động: - Hệ cô lập - Hệ kín - Hệ mở Viện Vật lý Y Sinh Viện Vật lý Y Sinh NGUYÊN LÝ Trong trình, lượng dạng biến lượng dạng khác xuất với lượng hoàn toàn tương đương với giá trị lượng ban đầu dU = dQ + dA Viện Vật lý Y Sinh NGUYÊN LÝ - Công: + Công học + Công hóa học + Công thẩm thấu + Công điện Viện Vật lý Y Sinh NGUYÊN LÝ - - Năng lượng: ADP + P + W -> ATP ATP + H2O = ADP + H3PO4 + (7 – 8,5 Kcal) Nhiệt: + Sơ cấp + Thứ cấp Viện Vật lý Y Sinh NGUYÊN LÝ Viện Vật lý Y Sinh NGUYÊN LÝ Xác suất nhiệt động: - Xác suất nhiệt động hệ số trạng thái vi mô ứng với trạng thái vĩ mô hệ S = k lnW k: số Bolzman - Trong hệ cô lập, trình nhiệt động tự diễn tiến 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 • Viện Vật lý Y Sinh HỆ THỐNG SINH VẬT MÂU THUẪN VỚI NGUYÊN LÝ ? • • Có thể áp dụng nguyên lý cho hệ thống sống không ? Hệ thống sống hệ có trình độ tổ chức cao, trật tự đạt tới mức gần hoàn chỉnh, cấu trúc đặc thù trì phát triển, gradient tồn thường xuyên tái sinh, khả sinh công dồi dào, nghĩa entropi không tăng mà giảm, lượng tự chẳng không Viện Vật lý Y Sinh HỆ THỐNG SINH VẬT MÂU THUẪN VỚI NGUYÊN LÝ ? Hệ thống sống hệ mở, trao đổi vật chất lượng với môi trường - Sự thay đổi dF dS thể có thành phần: diF diS ứng với trình lý sinh hóa sinh thể (diF0 theo nguyên lý 2), deF deS ứng với kết tương tác với môi trường (deF>0, deS |diS| dS0, hệ suy thoái Biểu thức toán học nguyên lý với thể sống: dS/dt = diS/dt + deS/dt Viện Vật lý Y Sinh CÁC TRẠNG THÁI DỪNG Dừng hoàn toàn nghĩa đứng lại, trạng thái dừng diễn hàng loạt trình, biến đổi cân lẫn - Về toán học: diS/dt = -deS/dt ; diF/dt = -deF/dt dS/dt = -> S = const dF/dt = -> F = const Viện Vật lý Y Sinh CÁC TRẠNG THÁI DỪNG Cân dừng hệ mở - cân nhiệt động hệ cô lập - Giống: tham số trạng thái không đổi - Khác: phương thức trì trạng thái Viện Vật lý Y Sinh CÁC TRẠNG THÁI DỪNG - Khi điều kiện sống thay đổi lớn thể chuyển sang trạng thái dừng phù hợp ( trạng thái nghỉ ngơi # tập thể thao) - Có phương thức chuyển trạng thái dừng: Tiệm tiến Độ lệch dư Xuất phát giả Viện Vật lý Y Sinh CÁC TRẠNG THÁI DỪNG Viện Vật lý Y Sinh ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC - Hệ nhiệt động thường: P, V, T - Hệ thống sinh vật: số đại lượng làm tham số trạng thái nhiều, có độ biến thiên rộng độ đặc trưng cá thể lớn - Trong y học, với bệnh cụ thể, ta quan tâm đến tham số trạng thái định Ví dụ, bệnh xơ vữa mạch máu, tham số quan trọng Triglycerid, Cholesterol, HDL-Cholestrol, LDLCholestrol - vài tham số xét phổ biến hầu hết bệnh nhiệt độ, nhịp tim, huyết áp Viện Vật lý Y Sinh ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC - Trong vật lý trị liệu: Trên quan điểm nhiệt động, sử dụng tác nhân vật lý làm thay đổi trạng thái thể sống Kích thích Tác nhân vật lý Cơ thể Phản ứng Viện Vật lý Y Sinh ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC Viện Vật lý Y Sinh ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC Viện Vật lý Y Sinh ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC Viện Vật lý Y Sinh ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC Viện Vật lý Y Sinh ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC Viện Vật lý Y Sinh [...]... LÝ 1 - - Cơ thể hoạt động như 1 máy hóa, nhiệt sinh ra đóng vai trò như 1 hao phí Tuy nhiên, không thể xem quá trình sinh nhiệt là hoàn toàn vô ích Có 2 cơ chế điều chỉnh nhiệt lượng sinh ra: thay đổi tốc độ tạo thành nhiệt sơ cấp và thứ cấp Viện Vật lý Y Sinh NGUYÊN LÝ 1 - Bảo toàn năng lượng trong cơ thể sống: Thức ăn Năng lượng = Công sinh ra bởi cơ thể oxy hóa Cô lập – Đo nhiệt lượng thải ra Viện... ra Sự chuyển hóa giữa công và nhiệt Viện Vật lý Y Sinh NGUYÊN LÝ 2 - Nhiệt không thể tự động truyền từ vật lạnh sang vật nóng Không thể có một quá trình biến đổi chuyển toàn bộ nhiệt lượng thành công Tự nhiên có xu hướng đi từ trạng thái có xác suất nhỏ đến xác suất lớn Viện Vật lý Y Sinh NGUYÊN LÝ 2 • Phương pháp năng lượng tự do: - Khả năng xảy ra các quá trình nhiệt động, chiều hướng và giới hạn... - Gradient là 1 vecto hướng từ vùng cao tới vùng thấp - Một hệ nhiệt động có thể sinh công khi chứa các gradient, hệ tiềm chứa 1 lượng năng lượng tự do F = RTln(Y1/Y2) R: hằng số khí = 8,314472 J/K.mol - Chiều hướng của quá trình: giảm gradient, dừng lại khi cân bằng Viện Vật lý Y Sinh NGUYÊN LÝ 2 Xác suất nhiệt động: - Xác suất nhiệt động của 1 hệ là số các trạng thái vi mô khả dĩ ứng với 1 trạng... LDLCholestrol - 1 vài tham số được xét phổ biến trong hầu hết các bệnh là nhiệt độ, nhịp tim, huyết áp Viện Vật lý Y Sinh ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC - Trong vật lý trị liệu: Trên quan điểm nhiệt động, sử dụng tác nhân vật lý làm thay đổi trạng thái cơ thể sống Kích thích Tác nhân vật lý Cơ thể Phản ứng Viện Vật lý Y Sinh ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC Viện Vật lý Y Sinh ... dừng: Tiệm tiến Độ lệch dư Xuất phát giả Viện Vật lý Y Sinh CÁC TRẠNG THÁI DỪNG Viện Vật lý Y Sinh ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC - Hệ nhiệt động thường: P, V, T - Hệ thống sinh vật: số đại lượng có thể làm tham số trạng thái rất nhiều, có độ biến thiên rộng và độ đặc trưng cá thể lớn - Trong y học, với từng bệnh cụ thể, ta chỉ quan tâm đến những tham số trạng thái nhất định Ví dụ, bệnh xơ vữa mạch máu, các tham... hệ là số các trạng thái vi mô khả dĩ ứng với 1 trạng thái vĩ mô của hệ đó S = k lnW k: hằng số Bolzman - Trong hệ cô lập, các quá trình nhiệt động tự diễn tiến luôn đưa hệ từ trạng thái có W nhỏ tới trạng thái có W lớn và cuối cùng dẫn tới trạng thái cân bằng nhiệt động có W và S cực đại • Viện Vật lý Y Sinh HỆ THỐNG SINH VẬT MÂU THUẪN VỚI NGUYÊN LÝ 2 ? • • Có thể áp dụng nguyên lý 2 cho các hệ thống... cho đến khi năng lượng tự do bằng không và entropi tăng đến cực đại Trạng thái này gọi là cân bằng nhiệt động, hệ không có khả năng sinh công và hoàn toàn mất trật tự Viện Vật lý Y Sinh NGUYÊN LÝ 2 -Trong cơ thể, trong các quá trình lý sinh và hóa sinh luôn có 1 phần năng lượng tự do bị mất dưới dạng nhiệt Hiệu suất của quá trình: HS = A/dF ≤ 1 (HS=1 trong qtr thuận nghịch) - Giá trị HS cực đại của... các biến đổi cân bằng lẫn nhau - Về toán học: diS/dt = -deS/dt ; diF/dt = -deF/dt dS/dt = 0 -> S = const dF/dt = 0 -> F = const Viện Vật lý Y Sinh CÁC TRẠNG THÁI DỪNG Cân bằng dừng hệ mở - cân bằng nhiệt động hệ cô lập - Giống: các tham số trạng thái không đổi - Khác: phương thức duy trì trạng thái Viện Vật lý Y Sinh CÁC TRẠNG THÁI DỪNG - Khi điều kiện sống thay đổi quá lớn thì cơ thể sẽ chuyển sang... thể oxy hóa Cô lập – Đo nhiệt lượng thải ra Viện Vật lý Y Sinh NGUYÊN LÝ 1 - - Thế kỷ 18: Lavoisier – Laplace: đo trên chuột E (oxy hóa thức ăn trong cơ thể) = E (đốt thức ăn trong nhiệt lượng kế) Etuvateur: Ethải ra (đo nhiệt trực tiếp) Evào (oxy hấp thụ, CO2, nitơ, ure,…thải ra) ΣEvào = ΣEra Viện Vật lý Y Sinh NGUYÊN LÝ 1 1g lipit – 9,3 Kcal gluxit – 4,2 Kcal protit – 4,2 Kcal Đưa vào (Kcal) Thức... |deS| > |diS| dS0, hệ suy thoái Biểu thức toán học của nguyên lý 2 với cơ thể sống: dS/dt = diS/dt + deS/dt Viện Vật lý Y Sinh CÁC TRẠNG THÁI DỪNG Dừng hoàn toàn không có nghĩa là đứng lại, trong trạng thái dừng luôn diễn ra hàng loạt các quá trình, các biến đổi cân bằng lẫn nhau - Về toán học: diS/dt = -deS/dt ; diF/dt = -deF/dt dS/dt = 0 -> S = const dF/dt = 0 -> F