Nhiệt động học

• Áp dụng vào sinh học: + Cơ thể sống có phải hệ nhiệt động không + Năng lượng có phải là P,V,T không + Có bảo toàn năng lượng không + Có chiều biến thiên không... NGUYÊN LÝ 2• Phươn

NHIỆT ĐỘNG HỌC

CÁC HỆ SINH VẬT

• Yêu cầu: nắm vững các nguyên lý của nhiệt

động học

• Đối tượng: các hệ nhiệt động

• Mục đích: nghiên cứu sự chuyển hóa khác nhau của các dạng năng lượng

• Phương pháp: tiên đề

+ Đối tượng không cấu trúc

• Nội dung:

+ Nguyên lý 1 và nguyên lý 2

• Áp dụng vào sinh học:

+ Cơ thể sống có phải hệ nhiệt động không

+ Năng lượng có phải là P,V,T không

+ Có bảo toàn năng lượng không

+ Có chiều biến thiên không

• Ứng dụng trong y học

+ Vai trò của nhiệt trong y học

+ Tác nhân vật lý

* Nhiệt động học: ngành KH nghiên cứu các quy luật chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác

NGUYÊN LÝ 1

Trong một quá trình, nếu năng lượng ở

dạng này biến đi thì năng lượng ở dạng

khác sẽ xuất hiện với lượng hoàn toàn

tương đương với giá trị năng lượng ban

đầu

dU = dQ + dA

NGUYÊN LÝ 1

NGUYÊN LÝ 1

ATP

E Mặt trời,

NGUYÊN 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

NGUYÊN LÝ 1

đo trên chuột

E (oxy hóa thức ăn trong cơ thể) = E (đốt

kế)

Evào (oxy hấp thụ, CO2, nitơ, ure,…thải ra)

Σ Evào = Σ Era

79,9g glucit 335 Phân và nước tiểu 23

Bay hơi đường hô hấp 181 Bay hơi qua da 227

NGUYÊN LÝ 2

• Phương pháp năng lượng tự do:

- Khả năng xảy ra các quá trình nhiệt động, chiều hướng và giới hạn của chúng được đặc trưng bởi những tham số trạng thái như entropi và năng

NGUYÊN LÝ 2

- Năng lượng tự do:

dU = dF + TdS

Dưới dạng giá trị tuyệt đối: U= F + TS

Năng lượng tự do của hệ là phần năng lượng sử dụng sinh công;

Năng lượng liên kết là năng lượng được phát tán dưới dạng nhiệt

NGUYÊN LÝ 2

- Nguyên lý 2 cho rằng: một quá trình xảy ra trong 1

hệ cô lập có thể thuận nghịch hay bất thuận nghịch Quá trình thuận nghịch: năng lượng tự do không

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

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 HS = A/dF ≤ 1 (HS=1 trong qtr thuận nghịch)

- Giá trị HS cực đại của 1 số quá trình:

Glucoliz 0,36

Oxy hóa-Phosphorin hóa 0,55

Co cơ 0,40

Quang hợp 0,75

NGUYÊN LÝ 2

• Gradient

- Năng lượng hóa học của ATP tạo nên gradient, sự phân giải các gradient sinh công Sự tồn tại gradient đặc trưng cho cơ thể sống

Gradient trong cơ thể: gradient nồng độ gây ra bởi

sự phân phối không đồng đều các vật chất khác

nhau trong và ngoài tế bào, gradient điện trên màng

tế bào do nồng độ khác nhau của các ion K, Na,…

NGUYÊN LÝ 2

- Gradient của đại lượng Y:

Gradient Y = G = ΔY/ΔxGradient Y = G =

- Gradient là 1 vecto hướng từ vùng cao tới vùng

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 thái vĩ mô của hệ đó

HỆ THỐNG SINH VẬT MÂU THUẪN VỚI NGUYÊN LÝ 2 ?

• Có thể áp dụng nguyên lý 2 cho các hệ thống sống không ?

• Hệ thống sống là 1 hệ có trình độ tổ chức rất cao, trật tự đạt tới mức gần như hoàn chỉnh, các cấu trúc đặc thù được duy trì và phát triển, các gradient luôn tồn tại và thường xuyên tái sinh, khả năng sinh

công vẫn dồi dào, nghĩa là entropi không những

không tăng mà còn có thể giảm, năng lượng tự do cũng chẳng bằng không

HỆ THỐNG SINH VẬT MÂU THUẪN VỚI NGUYÊN LÝ 2 ?

Hệ thống sống là 1 hệ mở, luôn trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường ngoài.

- Sự thay đổi dF và dS trong cơ thể có 2 thành phần: diF và diS ứng với các quá trình lý sinh

và hóa sinh trong cơ thể (diF<0, diS>0 theo nguyên lý 2), deF và deS ứng với kết quả

tương tác với môi trường ngoài (deF>0,

deS<0)

HỆ THỐNG SINH VẬT MÂU THUẪN VỚI NGUYÊN LÝ 2 ?

dF = diF + deF

dS = diS + deS

Có thể có 3 trường hợp:

|deS| = |diS| dS=0 , hệ ổn định

|deS| > |diS| dS<0, hệ phát triển

|deS| < |diS| dS>0, hệ suy thoái

Biểu thức toán học của nguyên lý 2 với cơ thể sống: dS/dt = diS/dt + deS/dt

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 = const

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

CÁC TRẠNG THÁI DỪNG

- Khi điều kiện sống thay đổi quá lớn thì cơ thể sẽ

chuyển sang 1 trạng thái dừng mới phù hợp hơn ( trạng thái nghỉ ngơi # tập thể thao).

- Có 3 phương thức chuyển trạng thái dừng:

Tiệm tiến

Độ lệch dư

Xuất phát giả

CÁC TRẠNG THÁI DỪNG

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 số quan trọng là

Triglycerid, Cholesterol, HDL-Cholestrol,

LDL-Cholestrol

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

ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC

ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC

ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC

ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC

ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC