Giáo trình Vật lý - Sinh học - GV Trần Văn Tuấn

Giáo trình Vật lý - sinh học gồm các nội dung sau: Sự biến đổi năng lượng trên cơ thể sống, Sự vận chuyển chất trong cơ thể sống, các hiện tượng điện trong cơ thể sống, các hiện tượng âm trong cơ thể sống, bức xạ ion hóa và cơ thể sống.

Giáo trình Vật lý – Sinh học                                         GV: Trần Văn  Tuẩn MỤC LỤC Trang Giáo trình Vật lý – Sinh học                                         GV: Trần Văn  Tuẩn Bài 1  SỰ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG TRÊN CƠ THỂ SỐNG I Nhiệt độ và nhiệt lượng Nhiệt độ là một đại lượng vật lý được xây dựng để phản ảnh đặc trưng của  trạng thái nóng hay lạnh của một đối tượng một cách khách quan, mà khơng phụ thuộc  vào cảm giác chủ quan Cảm giác nóng lạnh cho chúng ta biết một vật nào đó có nhiệt độ cao hơn hay  thấp hơn so với nhiệt độ của bộ phận tiếp xúc, nó phụ thuộc vào độ chênh lệch nhiệt  độ và độ dẫn nhiệt của vật. Ví dụ:  tất cả các vật trong mơi trường tự nhiên có nhiệt độ  giống nhau (bằng nhiệt độ mơi trường), nhưng nếu ta tiếp xúc với kim loại thì cảm giác  nóng lạnh sẽ khác so với tiếp xúc với gỗ… Đo nhiệt độ của vật thì ta có nhiều dụng cụ khác nhau, tùy vào nhu cầu ta chọn  dụng cụ thích hợp:  II Các loại nhiệt kế­nhiệt giai 2.1 Các loại nhiệt kế ­ Nhiệt kế thủy ngân ( dựa vào hiện tượng giãn nở vì nhiệt);  ­ Nhiệt kế áp điện (dựa vào hiện tượng áp điện giữa hai kim loại tiếp xúc  nhau);  ­ Nhiệt kế điện trở (sự biến đổi điện trở theo nhiệt độ)… 2.2 Nhiệt giai Nhiệt giai Celsius là độ C, lấy chuẩn 00C là nhiệt độ nước đá đang tan ở  điều kiện bình trường, lấy nhiệt độ sơi của nước là 1000C ­ Nhiệt giai Fahreinheit là độ F, lấy chuẩn 320F là nhiệt độ nước đá đang tan  ở điều kiện bình trường, lấy nhiệt độ sơi của nước là 2120F ­ N0C=(1.8n+32)0F Nhiệt giai Kelvin: theo nghiên cứu người ta chứng minh được nhiệt độ  thực tế thấp nhất có thể đạt được là ­273.160C. Nhiệt giai Kelvin lấy đó làm chuẩn 00K  và có giai đo trùng với giai đo độ C ­ T0K=t0C+273,16 Trang Giáo trình Vật lý – Sinh học                                         GV: Trần Văn  Tuẩn III Nhiệt lượng Mọi vật đều được cấu tạo từ các ngun tử, phân tử. Các ngun tử, phân tử này  ln ln chuyển động hỗn độn, trong q trình chuyển động chúng va chạm với nhau.  Cộng tất cả các năng lượng chuyển động nhiệt và năng lượng tương tác giữa các  ngun tử, phân tử đó cho ta nội năng của vật. Nhiệt độ của vật càng cao thì chuyển  động của chúng càng nhanh, do đó nội năng của vật cũng cao Nhiệt lượng là phần năng lượng mà vật nhận được hay truyền đi là thay đổi nội  năng của vật. Nhiệt lượng để vật thay đổi từ t1 đến t2 được tính bằng cơng thức: ∆Q=mc∆t m: là khối lượng (kg) c: nhiệt dung riêng (j/kg.độ) ∆t=t2­t1: độ chênh lệch nhiệt độ IV Ngun lý thứ nhất nhiệt động lực học Nhiệt lượng truyền cho hệ bằng tổng cơng mà hệ thực hiện đối với mơi trường  bên ngồi và độ biến thiên nội năng dQ=dU+dA Trong đó:  dQ là nhiệt lượng cung cấp dU là độ biến thiên nội năng   dA là cơng hệ thực hiện  Theo ngun lý I thì nếu cơ thể hoạt đọng như một máy nhiệt thì cần có  một nguồn nhiệt để cung cấp nhiệt lượng, muốn vậy thì nguồn nhiệt phải đạt 1740C  theo tính tốn. Thực tế khơng thể được, vậy muốn hoạt động cơ thể cịn cách thay đổi  nội năng của các cơ. Áp dụng ngun lý I cho hệ thống sống thì ta có thể viết phương  trình như sau:  ∆Q=∆E+∆A+∆M Trang Giáo trình Vật lý – Sinh học                                         GV: Trần Văn  Tuẩn Trong đó ∆Q là nhiệt lượng sinh ra trong q trình đồng hóa thức ăn ∆E là phần năng lượng tiêu hao vào mơi trường ∆A là cơng mà cơ thể thực hiện ∆M là năng lượng dự trữ dạng hóa năng (các sản phẩm cuối) Phương trình trên cịn gọi là phương trình cân bằng nhiệt đối với cơ thể V Một số q trình biến đổi năng lượng trên cơ thể sống 4.1 Năng lượng trong q trình co cơ Cơng trực hiện trong q trình co cơ được tính bằng cơng thức sau: Trong đó x là độ dài cơ Hiệu suất cơng của q trình co cơ  là cơng thực hiện với mơi trường ngồi  là cơng mà cơ thực hiện ứng với năng lượng cung cấp Thơng thường hiệu suất này chỉ đạt khoảng 20­30% Năng lượng dung trong q trình co cơ được lấy trực tiếp từ ATP có trong cơ.  Lượng ATP có sẵn trong cơ khơng nhiều nên trong q trình hoạt động ATP phải được  tổng hợp một cách lien tục, nhanh chóng nhờ một loại protein giàu năng lượng là  phosphocreatin qua phản ứng sau: Phosphocreatin + ADP → ATP + creatin Tuy nhiên lượng ATP tổng hợp trong q trình này chỉ đủ để cơ hoạt động trong  thời gian ngắn. để có đủ năng lượng làm việc trong thời gian dài ATP được tổng hợp từ  một phản ứng khác là phân hủy glycogen Glucose+3H3PO4+2ADP → 2lactat+2ATP+2H2O Q trình này tạo nhiều lactate sẽ kìm hãm q trình tổng hợp ATP 4.2 Cơng trong hơ hấp Trang Giáo trình Vật lý – Sinh học                                         GV: Trần Văn  Tuẩn Khi hít thở, khơng khí được đưa vào phổi và đẩy ra liên tục. Cơng này được tính  bằng cơng thức Vì áp suất này thay đổi liên tục nên cơng này khó có thể tính bằng lý thuyết.  Dụng cụ đo đại lượng này gọi là phế dung kế, kết quả đo được cơng  A khoảng 1­ 2J/phút 4.3 Năng lượng ở tim Tim hoạt động như một bơm cơ học, lien tục tạo ra áp suất để đẩy máu đến  các cơ quan. Cơng suất cơ học của tim vào khoảng 1,3­1,4W, trong khi tồn  bộ giá  trị chuyển hóa của cơ thể là 100W.  Cũng như các cơ khác, hoạt động của tim địi hỏi phải cung cấp năng lượng,  năng lượng này cũng lấy từ việc tổng hợp ATP VI Ngun lý thứ hai nhiệt động lực học 5.1 Hàm entropy  Entropy là một hàm trạng thái của hệ, ký hiệu là S sao  cho độ biến thiên của hàm S đó trong một q trình thuận nghịch trao đối nhiệt của hệ  với mơi trường ngồi được tính theo cơng thức:  Nếu hệ biến đổi theo một q trình cân bằng thuận  nghịch bất kỳ từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 thì độ biến thiên của hàm entropy của hệ  trong q trình đó:  5.2 Phát biểu thứ nhất của ngun lý thú hai nhiệt động lực học Khi có sự trao đổi nhiệt giữa hai vật khác nhiệt độ tiếp xúc nhau trong một bình  kín cách nhiệt so với mơi trường ngồi thì nhiệt chỉ truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn  đến vật có nhiệt độ thấp hơn 5.3  Phát biểu thứ hai của ngun lý thứ hai nhiệt động lực học Xét hệ cơ lập về nhiệt : Trang Giáo trình Vật lý – Sinh học                                         GV: Trần Văn  Tuẩn  nhiệt giữa hai vật: Độ biến thiên entropy của hệ trong q trình trao đổi  Nếu  T2  T1 : vật 2 tỏa nhiệt Với một hệ kín biến đổi theo q trình khơng thuận  nghịch, entropy của hệ là một hàm ln ln tăng  Đối với một hệ kín biến đổi theo một q trình bất kỳ,  qua đó độ biến thiên entropy của hệ là  thì ngun lý tăng entropy được viết dưới dạng:    5.4 Áp dụng ngun lý thứ hai nhiệt động lực học Ở hệ thống sống, vật chất, năng lượng được trao đổi khơng ngừng và q trình  biến đổi năng lượng cũng ln ln xảy ra. Vì vậy, hệ thống sống khơng thể nằm ở  trạng thái cân bằng nhiệt động. hay ta nói sự tồn tại của trạng thái khơng cân bằng  chính là điều kiện sống của cơ thể sống. Tuy nhiên, trong cơ thể sống khơng phải được  đặc trưng bởi trạng thái khơng cân bằng bất kỳ mà sự vận động của nó đảm bảo các  thơng số quan trọng khơng thay đổi. Ví dụ, ở tế bào sống thì độ pH và gradient nồng độ  ion ln ln khơng đổi, các trạng thái vừa nói trên gọi là các trạng thái dừng.    Mức trạng thái dừng của hệ thống sống dễ dàng bị dao động, nó phụ thuộc lớn  vào điều kiện mơi trường bên ngồi cũng như bên trong. Ví dụ khi hoạt động, nghỉ ngơi,  q trình phát triển…đều có các mức trạng thái dừng khác nhau. Việc thay đổi mức  trạng thái dừng khơng phải xảy ra tức thì mà là q trình biến đổi chậm chạp. Ví dụ:   khi đi từ sang vào tối, người làm việc nặng chuyển sang nghỉ ngơi… 5.5 Biến đổi entropy ở hệ thống sống Cơ thể sống là hệ mở trao đổi chất và năng lượng với mơi trường xung quanh, vì  vậy sự thay đổi entropy của hệ được chia thành hai phần. Ta gọi dSe là phần thay đổi  entropy do sự trao đổi vật chất và năng lượng  với mơi trường xung quanh, dSi là phần  thay đổi entropy do sự biến đổi bên trong hệ dS= dSe+ dSi Trang Giáo trình Vật lý – Sinh học                                         GV: Trần Văn  Tuẩn Giả sử xét hệ cơ lập, dSe=0 (khơng trao đổi chất với mơi trường), lúc này chỉ cịn  dSi thay đổi. đối với cơ thể sống, q trình biến đổi bên trong cơ thể xảy ra khơng  thuận nghịch nên chúng gắn liền với sự tăng entropy Đại lượng dSe có thể nhận giá trị bất kỳ: âm, dương, bằng 0. Vì cơ thể có thể  trao đổi chất với mơi trường bên ngồi theo cả 2 chiều. Nhưng do q trình sử dụng  thức ăn và thải loại các chất thứ cấp khỏi cơ thể nên hầu như dSe mang giá trị âm.  Bài tập ơn tập:   Bài 2  SỰ VẬN CHUYỂN CHẤT TRONG CƠ THỂ Thuyết động học phân tử 1.1 Các giả thiết để xây dựng thuyết động học phân tử Để xây xựng được các phương tiện để khảo sát tính chất của chất khí người ta  phải đưa ra các giả thiết về cấu tạo và tính chất của chất khí để đơn giản hóa cho q  trình tính tốn, các chất khí thỏa mãn các giả thiết này được coi như chất khí lí tưởng I Chất khí có cấu tạo gián đoạn và gồm số rất lớn các phân tử Các phân tử chuyển động hỗn độn khơng ngừng, chúng va chạm nhau và  va chạm vào thành bình Cường độ chuyển động thể hiện nhiệt độ của hệ Kích thước phân tử rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng Các phân tử khơng tương tác nhau, chỉ tương tác khi va chạm, và va chạm  là va chạm đàn hồi + Số mol: là khối lượng của 6,05.1023 hạt (gam) - Định luật phân bố Maxoen Thực nghiệm cho thấy vận tốc của phân tử khí có giá trị từ 0 đến các giá trị rất  lớn, nhưng sự phân bố số phân tử theo vận tốc là khơng đều.  1.2 0