ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ ĐH Y DƯỢC TP HCM

Đây là bài giảng được biên soạn của giáo viên tại trường mình đang học ( ĐH Y Dược TP.HCM) . Bài giảng nói về thuyết động học phân tử và các hiện tượng vận chuyển trao dổi chất . Đảm bảo chất lượng nên mọi người cứ tham khảo thoải mái nhé . Chúc mọi người thành công.

THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ

VÀ CÁC HIỆN TƯỢNG VẬN CHUYỂN TRAO ĐỔI CHẤT

• Hiểu được Thuyết động học phân tử về khí lý

tưởng Từ phương trình cơ bản suy ra được các hệ quả của nó

• Nắm vững ý nghĩa biểu thức nội năng của khí lý tưởng

• Nêu được bản chất, nguyên nhân của các hiện tượng khuếch tán, ma sát nhớt Vận dụng để giải thích các

quá trình vận chuyển trao đổi ch́ất trong cơ thể.

• Nêu được bản chất, nguyên nhân của các trạng thái căng mặt ngoài chất lỏng, hiện tượng mao dẫn Vận dụng và giải thích được một số hiện tượng liên quan trong thực tế, đời sống và trong y học

MỤC TIÊU

 HIỆN TƯỢNG MAO DẪN

 CÁC HIỆN TƯỢNG VẬN CHUYỂN TRONG

CHẤT LỎNG

I -THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ VỀ CHẤT KHÍ

1 CÁC ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM VỀ CHẤT KHÍ

a Các khái niệm

độ chuyển động hỗn loạn phân tử của các vật

- Nguyên lý thứ không (zero) nhiệt động lực học

Từ thực nghiệm cho ta kết luận :

“ Khi đặt hai vật (hệ) A và B tiếp xúc với nhau và coi

hệ hai vật này là cô lập Năng lượng E được truyền từ

vật có nhiệt độ cao (nóng hơn) sang vật có nhiệt độ

thấp,cho đến khi hai vật có nhiệt độ bằng nhau và

không trao đổi năng lượng nữa Lúc đó, hai vật ở

trạng thái cân bằng về nhiệt ”

(Hệ cô lập)

Phát biểu :

“ Nếu hai vật A và B cân bằng nhiệt với vật thứ ba C thì chúng (A và B ) cũng cân bằng nhiệt với nhau “

- Dựa vào nguyên lý trên người ta đưa ra một dụng

cụ đo nhiệt gọi là Nhiệt biểu Nhiệt biểu đóng vai

trò vật được vật kéo theo sự cân bằng nhiệt cùng với vật và đạt đến nhiệt độ bằng nhiệt độ của vật.

Nhiệt biểu + chia độ = Nhiệt kế

- Nhiệt độ của vật được xác định qua phép đo của

một đại lượng vật lý (chiều dài, thể tích, điện

trở ) có tương quan đơn trị với nhiệt độ

VD: Nhiệt kế thủy ngân , điện trở …

• t o F = 9/5 t o C + 32 (1)

• TK = t o C + 273 (2)

T = 0K = -273oC ( = - 460oF)

Là giới hạn dưới chung của nhiệt độ

* Định luật Boyle – Marriotte (1660)(quá trình đẳng nhiệt )

Với một khối lượng khí nhất định Nếu nhiệt độ của khối khí được giữ không đổi thì tích số giữa áp suất và thể tích của khối khí là một hằng số

T = const  p 1 V 1 = p 2 V 2 Hay pV = const

Các định luật thực nghiệm trên mang tính gần đúng

Ở điều kiện bình thường (phòng thí nghiệm) và chất

khí càng đơn giản như He, Ne, H2, O2, thì các định luật trên càng chính xác

Khí lý tưởng : Là các chất khí hoàn toàn

tuân theo 3 định luật trên

c Phương trình trạng thái của khí lý tưởng

pV p V

R

Định luật Dalton :

Nếu nhiều loại khí được đặt trong một bình chứa thì áp suất của hỗn hợp khí bằng tổng các áp suất riêng

phần của mỗi loại chất khí

(Áp suất riêng phần của mỗi loại chất khí chính là áp

suất của chất khí đó, khi mình nó chiếm toàn bộ bình

chứa.)

(17)

Với p : áp suất của hỗn hợp khí

pi : áp suất riêng phần của chất khí thứ i.

2 THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ VỀ CHẤT KHÍ

Một số giả thuyết

• Các chất khí có cấu tạo gián đoạn và gồm

một số rất lớn các phân tử.

• Kích thước của các phân tử là không đáng

kể so với khoảng cách giữa chúng với

nhau.

• Các phân tử là các quả cầu chuyển động

hỗn loạn, không ngừng Năng lượng

nhiệt của khối khí chỉ phụ thuộc vào

b Phương trình cơ bản của Thuyết động học phân tử

(Áp suất khí lý tưởng)- Hệ quả

Theo quan điểm Động học phân tử Áp suất của khối khí gây ra trên thành bình chính là do lực tác dụng của các phân tử khí khi va chạm với thành bình

Tính được theo biểu thức: (18)

n : mật độ phân tử

: là động năng tịnh tiến trung bình của phân tử

m : khối lượng của phân tử

: trung bình của bình phương vận tốc

Áp suất của chất khí tỷ lệ với mật độ phân tử và động năng tịnh tiến trung bình của các phân tử.

2

3

3 HỆ QUẢ

- Nhiệt độ: Từ phương trình trạng thái đối với một kilomol khí lý

tưởng Thay vào (18) :

Vµ

=

W

n V

2 3

T N

R W

- Vận tốc căn quân phương v c

µ

=

• VD: Ở T = 300K (nhiệt độ phòng) ta có:

p

2

3 3

2

=

p n

kT

=

- Số bậc tự do i:

Số bậc tự do của một vật (hay một hệ) là

số toạ độ độc lập cần thiết để xác định vị trí của vật đó trong không gian

X Y

Z

Phân tử 2 nguyên tư û(O2, N2, ) : i = 5

X Y

- Định luật phân bố đều động năng theo số bậc tự do

“ Động năng trung bình của phân tử được phân bố đều cho các bậc tự do và mỗi bậc tự do ứng với

VD: Động năng tịnh tiến trung bình của phân tử khí Nitơ ở 300K là :

A 5,17 10-23 J.

B 0,62 10-20 J

C 1,55 10-20 J

D 4,85 10-23 J

- Nội năng U của khí lý tưởng

Nội năng của một hệ là tất cả các dạng năng

lượng ứng với các chuyển động và tương tác bên

trong hệ

Đối với khí lý tưởng W t = 0

→ Nội năng của khí lý tưởng bằng tổng động năng trung bình của các phân tử.

U =∑W

( t)

U =∑ W W+

- Đối với 1 kilomol khí lý tưởng thì:

No = 6,023.1026 pt/kmol

Từ (33) có: i: Số bậc tự do

Vì (34)

W N

U= 0

2

- Đối với một khối lượng khí lý tưởng m (kg) gồm N phân

tử, ta có:

 (35)

Nội năng U của khối khí lý tưởng nhất định chỉ biến

5 CHUYỂN ĐỘNG BROWN

(Hạt Brown)

(Chuyển động hổn loạn, không ngừng, quỹ đạo gấp khúc bất kỳ)

“Rất nhiều thí nghiệm có thể chứng minh tôi đúng và chỉ cần thực nghiệm để có

( Einstein)

- Do các điện tích trong các phân tử gây ra

- Phụ thuộc khoảng cách r giữa các phân tử (lực có thế):Khi r > ro (ro = 3.10-10m) : f < 0 (quy ước) lực hút

Khi r = ro : f = 0 cân bằng.

Khi r < ro : f > 0 lực đẩy

Khi r ~10-8m thì lực f không còn tác dụng nữa (Phạm vi hẹp)

* Thế năng tương tác W t

Công của lực f trong dịch chuyển ∆r là : ∆A = f ∆r

Biết ∆A = W1-W2 = - ∆Wt ( độ giảm thế năng)

 (40) Khi r = ∞, f = 0 Ta chọn Wt (r = ∞) = 0

Khi r  ro < r < ∞ : ∆r < 0 , f < 0 (lực hút)

- ∆Wt = -(Wt2 – Wt1) > 0 , Wt2 < Wt1 Thế năng giảm Khi r  0 < r < r0 : ∆r < 0 , f > 0 (lực đẩy)

-∆Wt = -(Wt2 – Wt1) < 0 , Wt2 > Wt1 Thế năng tăng

t

W f

r

−∆

=

∆

2 Phương trình trạng thái của khí thực

Từ phương trình trạng thái đối với một kilomol khí lý

Hiệu chỉnh thể tích:

Vµ: là khoảng không gian mà các phân tử chuyển động tự

do Vậy đối với khí thực ,thể tích khối khí :

Vµ = Vµ - b

b : thể tích riêng của phân tử

Hiệu chỉnh áp suất:

p : áp suất đo được ở thành bình (do sự

va chạm của các phân tử với thành bình )

- Các phân tử ở trong lòng khối khí:

pi: gọi là áp suất phân tử

(áp lực hướng vào phía trong lòng khối

khí và không đo được)

(a) (b)

Người ta tính được

a : là hệ số tỷ lệ phụ thuộc bản chất của từng loại khí

Vậy phương trình trạng thái đối với 1 Kmol khí thực là:

(41)

Xét m(kg) khí thực bất kỳ tương ứng thể tích V ta có:

Thay V µ vào (41) ta được :

bV

(

)V

aP

3 Nội năng của khí thực

Nội năng của khí thực

Đối với một kilomol khí lý tưởng : U =

Đối với một kilomol khí thực : Thế năng tương tác giữa các phân tử Wt ≠ 0 :

Do đó U = Wđ + Wt



Chú ý : khi thay đổi thể tích V  r  Wt thay đổi

Vậy nội năng của khí thực không những phụ thuộc

III CÁC HIỆN TƯỢNG VẬN CHUYỂN

TRONG CHẤT KHÍ

1 Quảng đường tự do trung bình

của các phân tử

đường giữa hai lần va chạm liên

tiếp (có độ dài khác nhau)

- Là quảng đường lấy trung bình

Thuyết động học phân tử, đã thiết lập được :

d : đường kính phân tử, n : mật độ phân tử.

VD: Với Oxy có đường kính d = 2,9.10-10m đã công bố a/ Quãng đừơng tự do trung bình của Oxy ở nhiệt độ T =

3000K và áp suất 1 atm (khí quyển ) là bao nhiêu ?

b/ Nếu tốc độ trung bình của phân tử Oxy là 450m/s thì tốc độ va chạm trung bình (số va chạm trong một giây)

450 /

4.101,1.10

2 Hiện tượng khuyếch tán

Là hiện tượng vận chuyển khối lượng của phân tử

kèm theo sự dời chỗ phân tử.

- Điều kiện: - môi trường tĩnh

- có sự chênh lệch về khối lượng riêng

(kể cả môi trường đồng chất )

Định luật Fick (Thực nghiệm)

∆S trong khoảng thời gian ∆t, thì tỷ lệ với ∆S, ∆t và

gradient của khối lượng riêng theo phương x vuông góc với ∆S theo biểu thức:

- : là gradient của ρ theo phương x

- Dấu (-): quá trình vận chuyển theo chiều khối lượng riêng ρ giảm.

- D : là hệ số khuyếch tán phụ thuộc vào bản chất và trạng thái của khối khí.

d

0

d dx

3 Sự trao đổi khí ở phổi

- Định luật Henry

Lượng khí khuyếch tán được vào chất lỏng tỷ lệ với áp suất riêng phần của chất khí đó trên bề mặt chất lỏng theo biểu thức:

Kết quả đo đạc áp suất riêng phần (đơn vị: tor) của

khí trong cơ thể như sau:

Dựa vào định luật Henry, chúng ta hiểu được chiều vận

chuyển O2,và CO2 trong cơ thể theo chu kỳ :

O2 khuyếch tán : Từ phế nang ¨ máu ở các tĩnh mạch

→ máu động mạch → các mô, tế bào

CO2 ngược lại: Từ các mô, tế bào → máu động mạch →

máu ở các tĩnh mạch → phế nang

• Theo định luật Fick , lượng khí khuyếch tán còn tỷ lệ

thuận với diện tích mặt tiếp xúc ∆S Vì vậy, đối với

cơ thể người, diện tích chung đối với phế nang

khoảng 50m2 và đối với mao mạch người ta đã biết là

500  700 m2 việc trao đổi khí rất thuận lợi

• Chú ý rằng,bên cạnh quy luật khuyếch tán trên còn

có một cơ chế khác mà qua nghiên cứu người ta thấy các thành phần trong máu đã đóng vai trò quan trọng trong quá trình vận chuyển khi trong cơ thể

4 Những yếu tố ảnh hưởng tới sự vận chuyển khí

trong cơ thể

Yếu tố bên trong cơ thể

- Hoạt động thở, hoạt động của các phế nang,sự lưu

thông không khí

- Vai trò tuần hoàn máu , khối lượng lẫn chất lượng máu

- Hoạt động chuyển hóa ở tế bào, mô

- Hoạt động điều khiển của hệ thần kinh cao cấp liên quan với hô hấp

Yếu tố bên ngoài cơ thể

- Ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần khí cuả O2 và CO2 cần thiết cho cơ thể

- Ảnh hưởng của trọng lực: gây ra lực cản đối với các cơ khi hít vào và làm giảm thể tích lồng ngực khi thở ra

1 ÁP SUẤT PHÂN TỬ CỦA CHẤT

phân tử này gây ra áp suất gọi là áp

suất phân tử của chất lỏng ( không đo

Vµ

=

2 TRẠNG THÁI CĂNG MẶT NGOÀI CỦA

CHẤT LỎNG

Xét định tính, theo phương nằm ngang

Lực (hút) của các phân tử xung quanh là

bằng nhau và đối xứng , khử lẫn nhau

Lực (hút) của các phân tử xung quanh là

không đều , phía trong nhiều phân tử hơn

Nên chịu tác dụng lực tổng hợp theo phương

nằm ngang , hướng từ ngoài vào trong (xu

hướng làm giảm diện tích mặt ngoài chất

lỏng ) Tổng lực tác dụng lên các phân tử A

nằm trên dường ranh giới gây ra trạng thái

căng mặt ngoài của chất lỏng

B

A

Thí nghiệm chứng tỏ lực căng mặt ngoài vuông góc với đường ranh giới (chu vi

bề mặt ngoài ) và tiếp xúc với

bề mặt ngoài chất lỏng

A B

Năng lượng mặt ngoài W

Nếu ta loại trừ được tác dụng

Tính F :

Công dA của lực F ’ làm đoạn chu vi MN = l

dịch chuyển một đoạn dx bằng độ giảm

năng lượng mặt ngoài – dW :

3 Lực căng mặt ngoài của các dung dịch chứa các chất có mặt hoạt tính (có tính hoạt động bề mặt )

f dm-ht : lực hút giữa các phân tử chất hòa tan và dung môi

f dm-dm lực hút giữa các phân tử dung môi với nhau.

Phân tử hòa tan

(a) Có tính hoạt động bề mặt

Phân tử Dung môi (b) Không có tính hoạt

động bề mặt

- Nếu F hướng về phía thành bình : Lõm (a)

- Nếu F hướng về phía chất lỏng : Lồi (b)

IV HIỆN TƯỢNG MAO DẪN

O

chu vi bề mặt ngoài chất lỏng

Bề mặt ngoài chất lỏng

3 Hiện tượng mao dẫn

xuống trong ống có tiết diện bé

- Nguyên nhân : Do trong ống tiết diện bé (hoặc giữa hai vách phẳng đặt sát nhau) mặt cong chiếm toàn bộ bề mặt ngoài chất lỏng, từ đó áp suất phụ lớn, kéo chất

lỏng dâng hoặc hạ xuống

h

h

R θ r

p h

• Đối với trường hợp hai vách sát nhau cũng tính tương

=

VD : Hiệu mức nước trong hai nhánh của ống

mao dẫn hình chữ U có đường kính trong d1 =

1mm và d2 = 2 mm là ∆h = 1,4cm Xác định

hệ số căng mặt ngoài của nước Cho biết khối

lượng riêng của nước là 103 kg/m3 , g =

9,81m/s2 Xem nước làm ướt hoàn toàn thành

ống

Lưu ý : Nước làm ướt thành ống thì mức

nước trong nhánh tiết diện bé cao hơn mức

nước trong nhánh lớn và có dạng lõm

d1 d2

B A

∆h

p0 : áp suất khí quyển , ∆ p : áp suất phụ

ρ g ∆ h : áp suất thủy lực (do chiều cao cột nước )

Thế vào (1) được : p0 + ∆ pA + ρ g ∆ h = p0 + ∆ pB

ρg ∆ h = - ∆ pA + ∆ pB

d1 d2

B A

∆ h

4( )

10 9,81.1, 4.10 1.10 2.10

4( 2.10 1.10 ) 0,073 /

4 Giải thích một số hiện tượng thường gặp

a Ống đếm giọt : Giọt chất lỏng to dần

lên đến khi trọng lượng giọt chất lỏng bằng

lực căng mặt ngồi thì giọt chất lỏng bắt

đầu rơi khỏi ống

P = F (Định luật Taste)

( mg = σ l )

Với một ống đếm và chất lỏng nhất định thì

lực căng mặt ngồi khơng đổi nên trọng

lượng giọt chất lỏng là khơng đổi Đây là lý

do người ta lấy số giọt thuốc làm đơn vị liều

lượng cho người bệnh

P

F

VD: Trong một đơn thuốc có ghi : Mỗi ngày uống 2 lần , mỗi lần 15 giọt Cho biết hệ số căng mặt ngoài của thuốc là 8,5 10-2 N/m và đầu mút ống nhỏ giọt có đường kính bằng 2 mm Khối lượng thuốc bệnh nhân phải uống trong một ngày là:

A 3,20 g

B 2,14 g

C 1,63 g

D 0,75 g

Áp suất phụ cực đại mà bọt khí chịu được khi mặt bên trái là mặt lồi, phía bên phải là mặt lõm có bán kính cong bằng bán kính r của ống mao dẫn.

Vậy,ống mao dẫn chứa chất lỏng có bọt khí thì cần

phải tác dụng một áp suất lớn hơn áp suất phụ cực

đại , chất lỏng mới chuyển dịch được

Khi trong ống càng nhiều bọt khí hoặc có chỗ phân nhánh thì áp suất phụ cực đại mà các bọt khí này chịu sẽ càng lớn

Đây là lý do gây ra tai biến trong các trường hợp như cơ thể bị giảm áp suất đột ngột hoặc khi đưa thuốc vào cơ thể qua tĩnh mạch đã tạo các bọt khí trong lòng mạch máu, nhất là các mạch máu ở tim, não,làm cho máu khó lưu thông ,gây tắc mạch máu

1 Hiện tượng khuyếch tán :

a Khuyếch tán không qua màng

V CÁC HIỆN TƯỢNG VẬN CHUYỂN CHẤT

b Khuyếch tán qua màng xốp thấm tự do

so đường kính phân tử khuyếch tán (Tương tự như không có

màng chắn, nhưng phần diện tích để các phân tử đi qua bị giảm đi nên quá trình khuyếch tán xảy ra chậm hơn.)

Giả sử ở mỗi phía của màng luôn duy trì nồng độ đồng nhất C1 và

C2 ,phần bên trong giữa hai mặt của màng có nồng độ biến đổi tuyến tính ( GradxC có giá trị không đổi)

S l

C

C D

c Hiện tượng khuyếch tán và sự vận chuyển vật chất

trong cơ thể

Các quá trình vận chuyển thụ động vật chất qua

màng có động lực là sự tồn tại các gradient khác nhau

ở hai phía của màng mà khuyếch tán là cơ chế chủ yếu

Các loại gradient thông thường tồn tại ở màng tế

bào sống như: Gradient nồng độ, gradient thẩm thấu,

gradient màng, gradient độ hòa tan, gradien điện hóa

- Chiều vận chuyển : Do tổng các vectơ gradient ở vùng màng quyết định

- Năng lượng vận chuyển : Năng lượng dự trữ ngay

trong các gradient

Có 3 dạng khuyếch tán

Là dạng khuyếch tán dưới tác dụng của gradient

nồng độ (Các phân tử nước và các anion thường vận

chuyển theo cơ chế này) tuân theo công thức :

Δn = -P (C2 – C1) ∆S ∆t

Mật độ dòng vật chất khuyếch tán :

Tương tự khuyếch tán đơn giản , song các phân tử vật

chất (cơ chất) lọt được qua màng khi được gắn vào các

phân tử khác gọi là chất mang (các chất glucose,

glycerin, acid amin và số chất hữu cơ khác vận chuyển theo cơ chế này.)