SỰ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG TRÊN CƠ THỂ SỐNG

dQ=dU+dA Trong đó: dQ là nhiệt lượng cung cấp dU là độ biến thiên nội năng dA là công hệ thực hiện Theo nguyên lý I thì nếu cơ thể hoạt đọng như một máy nhiệt thì cần có một nguồn nhiệt

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 không 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 môi trường tự nhiên có nhiệt độ giống nhau (bằng nhiệt độ môi 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 kế-nhiệt 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 sôi 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 sôi 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

III. Nhiệt lượng

Mọi vật đều được cấu tạo từ các nguyên tử, phân tử Các nguyên tử, phân tử này luôn luôn chuyển động hỗn độn, trong quá trình chuyển động chúng va chạm với nhau Cộng tất cả các năng lượng chuyển động nhiệt và năng lượng tương tác giữa các nguyên 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 công thức:

∆Q=mc∆t

m: là khối lượng (kg)

c: nhiệt dung riêng (j/kg.độ)

∆t=t2-t1: độ chênh lệch nhiệt độ

IV. Nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học

Nhiệt lượng truyền cho hệ bằng tổng công mà hệ thực hiện đối với môi trường bên ngoài 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 công hệ thực hiện

Theo nguyên 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 toán Thực tế không thể được, vậy muốn hoạt động cơ thể còn cách thay đổi nội năng của các cơ Áp dụng nguyên lý I cho hệ thống sống thì ta có thể viết phương trình như sau:

∆Q=∆E+∆A+∆M

Trong đó ∆Q là nhiệt lượng sinh ra trong quá trình đồng hóa thức ăn

∆E là phần năng lượng tiêu hao vào môi trường

∆A là công mà cơ thể thực hiện

∆M là năng lượng dự trữ dạng hóa năng (các sản phẩm cuối)

Phương trình trên còn gọi là phương trình cân bằng nhiệt đối với cơ thể

V. Một số quá trình biến đổi năng lượng trên cơ thể sống

4.1.Năng lượng trong quá trình co cơ

Công trực hiện trong quá trình co cơ được tính bằng công thức sau:

2 1

( ) x

x

x

Trong đó x là độ dài cơ

Hiệu suất công của quá trình co cơ

ax

c m

A H

A

=

c

A

là công thực hiện với môi trường ngoài

ax

m

A

là công mà cơ thực hiện ứng với năng lượng cung cấp

Thông thường hiệu suất này chỉ đạt khoảng 20-30%

Năng lượng dung trong quá trình co cơ được lấy trực tiếp từ ATP có trong cơ Lượng ATP có sẵn trong cơ không nhiều nên trong quá 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 quá 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

Quá trình này tạo nhiều lactate sẽ kìm hãm quá trình tổng hợp ATP

4.2.Công trong hô hấp

Khi hít thở, không khí được đưa vào phổi và đẩy ra liên tục Công này được tính bằng công thức

2 1

V

V

A= ∫ pdv

Vì áp suất này thay đổi liên tục nên công này khó có thể tính bằng lý thuyết Dụng

cụ đo đại lượng này gọi là phế dung kế, kết quả đo được công 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 Công suất cơ học của tim vào khoảng 1,3-1,4W, trong khi toàn bộ giá trị chuyển hóa của cơ thể là 100W

Cũng như các cơ khác, hoạt động của tim đòi hỏi phải cung cấp năng lượng, năng lượng này cũng lấy từ việc tổng hợp ATP

VI. Nguyên 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 quá trình thuận nghịch trao đối nhiệt

Q

d

của hệ với môi trường ngoài được tính theo công thức:

Q dS

T

d

=

 Nếu hệ biến đổi theo một quá 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 quá trình đó:

2

1

Q

T

d

5.2. Phát biểu thứ nhất của nguyên 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 môi trường ngoài 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 nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học

 Xét hệ cô lập về nhiệt :

 Độ biến thiên entropy của hệ trong quá trình trao đổi nhiệt giữa hai vật:

2

dS

d

 Nếu

 T2 < T1 : vật 2 nhận nhiệt

 T2 > T1 : vật 2 tỏa nhiệt

 Với một hệ kín biến đổi theo quá trình không thuận nghịch, entropy của hệ là một hàm luôn luôn tăng

 Đối với một hệ kín biến đổi theo một quá trình bất kỳ, qua đó độ biến thiên entropy của hệ

là DS thì nguyên lý tăng entropy được viết dưới dạng:

0

S

D ³

5.4. Áp dụng nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học

Ở hệ thống sống, vật chất, năng lượng được trao đổi không ngừng và quá trình biến đổi năng lượng cũng luôn luôn xảy ra Vì vậy, hệ thống sống không thể nằm ở trạng thái cân bằng nhiệt động hay ta nói sự tồn tại của trạng thái không cân bằng chính là điều kiện sống của cơ thể sống Tuy nhiên, trong cơ thể sống không phải được đặc trưng bởi trạng thái không cân bằng bất kỳ mà sự vận động của nó đảm bảo các thông số quan trọng không thay đổi Ví dụ, ở tế bào sống thì độ pH và gradient nồng độ ion luôn luôn không 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 môi trường bên ngoài cũng như bên trong Ví dụ khi hoạt động, nghỉ ngơi, quá trình phát triển…đều có các mức trạng thái dừng khác nhau Việc thay đổi mức trạng thái dừng không phải xảy ra tức thì mà là quá 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 môi 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 môi trường xung quanh, dSi là phần thay đổi entropy do sự biến đổi bên trong hệ

dS= dSe+ dSi

Giả sử xét hệ cô lập, dSe=0 (không trao đổi chất với môi trường), lúc này chỉ còn dSi thay đổi đối với cơ thể sống, quá trình biến đổi bên trong cơ thể xảy ra không 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 môi trường bên ngoài theo cả 2 chiều Nhưng do quá 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 ôn tập: