nhiệt động lực học các hệ thống sống

BÀI 4. NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CÁC HỆ THỐNG SỐNG Mục Mục tiêu tiêu 1 Trình Trình bày bày được các dạng dạng năng lượng lượng tồn tồn tại trong cơ thể thể sống sống 2 Hiểu Hiểu rõ rõ nội nội dung dung và ýý nghĩa nghĩa các nguyên nguyên lílí nhiệt nhiệt động động 3 Vận Vận dụng dụng để để giải giải thích thích được chiều chiều hướng hướng biến biến đổi đổi năng lượng lượng trong các tổ tổ chức chức và hoạt hoạt động động sống sống I Các dạng lượng tồn thể sống Các dạng lượng thể sống 1.1 Cơ - Cơ năng lượng chuyển động tương tác học vật phần vật Cơ hệ vật tổng động hệ - Động số đo phần vận tốc định - Trong thể, động gặp nơi có chuyển động chuyển động thể, máu hệ tuần hồn, khí hơ hấp, thức ăn ống tiêu hoá, vật chất qua màng tế bào… - Thế phần hệ quy định tương tác phần hệ với với trường lực ngồi Thế cơng mà lực thực chuyển hệ từ vị trí (cấu hình) xét tới vị trí (cấu hình) quy ước - Đối với thể, xét toàn bộ, tồn trường hấp dẫn Trái Đất có Giữa quan, phận thể tồn chúng di chuyển vị trí tương đối nhau, thay đổi cấu hình trình thực chức thể sống 1.2 Điện Điện năng lượng liên quan tới tồn điện trường chuyển động phần tử mang điện Trong thể, điện có vận chuyển thành dịng ion qua màng tế bào, phát loại sóng điện từ vào khơng gian xung quanh Điện làm cho hưng phấn dẫn truyền đến tế bào, đảm bảo cho hoạt động tế bào Không có thể khơng thể tồn 1.3 Hoá Hoá năng lượng giữ cho ngun tử, nhóm hố chức có vị trí, khơng gian định phân tử Năng lượng giải phóng phân tử bị phá vỡ Độ lớn lượng giải phóng tuỳ thuộc liên kết Hố có khắp thể Hoá thể tồn nhiều hình thức: hố chất tạo hình, hoá chất dự trữ (như glycogen, lipit, protid), hoá chất đảm bảo hoạt động chức năng, hoá hợp chất giàu lượng… 1.4 Quang Quang dạng lượng liên quan đến ánh sáng Cơ thể tiếp nhận lượng từ phân tử ánh sáng, sử dụng phản ứng quang - hố nhằm tạo lượng cho thể, tiếp nhận xử lí thơng tin, thực q trình sinh tổng hợp… 1.5 Nhiệt Nhiệt dạng lượng gắn với chuyển động nhiệt hỗn loạn phần tử cấu tạo nên vật chất Vì nhiệt cịn có tên gọi lượng chuyển động nhiệt Sự biến đổi từ dạng lượng khác sang nhiệt ngược lại đóng vai trị quan trọng tự nhiên Nhiệt tồn toàn thể, đảm bảo cho thể có nhiệt độ bên cần thiết cho phản ứng hoá diễn bình thường để trì hoạt động giữ cho thể trạng thái cân Trong thể ln đồng thời tồn hai q trình: tạo nhiệt cần thiết loại phần nhiệt khỏi thể 1.6 Năng lượng hạt nhân Năng lượng hạt nhân dự trữ hạt nhân nguyên tử, bị phá vỡ lượng giải phóng Ở thể, kể đến lượng xét tương tác xạ hạt nhân, tia vũ trụ với thể Sự biến đổi lượng thể sống Xét theo biến đổi lượng thể ta chia thành phần: lượng vào thể - lượng chuyển hoá thể - lượng rời thể - Năng lượng vào thể: Chủ yếu hố thức ăn, có chất cung cấp lượng cho thể protid, lipid, gluxid Ngồi cịn có lượng nhiệt, lượng sóng điện từ… - Chuyển hố lượng thể: Không giống với chức khác, thể khơng có riêng máy chuyển hố lượng chung cho thể Các chất hấp thụ vận chuyển tới tế bào, chúng tham gia vào phản ứng chuyển hoá phức tạp Khi ấy, hoá chất hấp thụ chuyển thành dạng lượng cần thiết cho thể Chuyển hoá lượng kèm với chuyển hoá chất hấp thụ diễn theo ba bước, ba khu vực tế bào: bào tương, ty lạp thể chất bào quan khác Trong tất phản ứng chuyển hố có phần lượng chất tham gia biến đổi thành nhiệt - Năng lượng rời thể: Năng lượng rời thể dạng hoá chất tiết, động năng, điện nhiệt Người ta chia nguyên nhân tiêu hao lượng thể thành loại lớn: - Tiêu hao lượng cho trì thể Tiêu hao lượng cho trì thể số lượng cần thiết thể tồn hoạt động bình thường, khơng thay đổi thể trọng, khơng sinh sản Năng lượng tiêu hao cho trì thể gồm tiêu hao chuyển hoá sở, vận cơ, điều nhiệt tiêu hoá - Tiêu hao lượng chuyển hoá sở Định nghĩa chuyển hoá sở: Chuyển hoá sở (CHCS) mức chuyển hoá lượng cần thiết cho thể tồn điều kiện sở: Không vận cơ, khơng tiêu hố, khơng điều nhiệt Chuyển hố sở chiếm 1/2 lượng để trì thể  Đơn vị đo chuyển hoá sở: Chuyển hố sở tính theo:  Kcal/m2 da/giờ (tính theo đơn vị này, chuyển hố sở khơng thay đổi theo trọng lượng thể, nghề nghiệp, nên thuận tiện cho chẩn đoán điều trị)  KJ/m2 da/giờ (tính theo hệ "SI" từ 1-1-1978)  Các yếu tố ảnh hưởng tới chuyển hoá sở:  Tuổi: Tuổi cao CHCS giảm Tuy nhiên, tuổi dậy trước dậy CHCS giảm  Giới: Với lớp tuổi CHCS nam cao nữ Điều liên quan với tỷ lệ mỡ thể với hormon sinh dục  Nhịp ngày - đêm: CHCS cao lúc 13 - 16 ngày, thấp lúc - sáng  Theo chu kỳ kinh nguyệt phụ nữ có thai: Nửa sau chu kỳ kinh nguyệt có thai CHCS cao bình thường (do tác dụng progesteron)  Ngủ CHCS giảm  Tình trạng bệnh lý: • Sốt làm tăng CHCS Khi thân nhiệt tăng 1° C CHCS tăng lên 10% • Bệnh tuyến giáp: Ưu tuyến giáp làm tăng CHCS ngược lại • Suy dinh dưỡng protein lượng: Giảm CHCS - Tiêu hao lượng vận Khi vận cơ, hoá tích trữ (ATP) bị dạng cơng nhiệt, 25% chuyển thành cơng học co cơ, 75% cịn lại tỏa dạng nhiệt Đơn vị tính lượng tiêu hao vận là: Kcal/Kg thể trọng/1 phút Vận làm tiêu hao lượng chung thể Sự tiêu hao lượng thay đổi theo mức độ lao động thể lực nghề, mức tiêu hao lượng vận thường dùng làm sở để xác định phần ăn cho loại nghề nghiệp Trong vận cơ, yếu tố ảnh hưởng tới tiêu hao lượng bao gồm:  Cường độ vận cơ: Cường độ vận lớn tiêu hao lượng lớn Đây sở để phân loại lao động thể lực thành loại nhẹ, trung bình, nặng cực nặng  Tư vận cơ: Năng lượng tiêu hao không tạo cơng mà cịn phải co để giữ cho thể tư định lúc vận Số co nhiều tiêu hao lượng lớn Tư thoải mái dễ chịu số co lượng tiêu hao Đây sở để chế tạo công cụ lao động phù hợp với kích thước thân thể người lao động  Mức độ thông thạo: Càng thông thạo công việc tiêu hao lượng cho vận thấp, thơng thạo số co khơng cần thiết bớt - Tiêu hao lượng điều nhiệt Điều nhiệt hoạt động thể nhằm trì thân nhiệt mức định, không thay đổi nhiều theo nhiệt độ môi trường bên ngồi Và vậy, đảm bảo cho tốc độ phản ứng hoá học thể diễn bình thường, tức đảm bảo mức chuyển hố thể không bị thay đổi Trong môi trường lạnh, tiêu hao lượng phải tăng lên để bù cho số nhiệt bị khuếch tán môi trường xung quanh Trong mơi trường nóng, lúc đầu tiêu hao lượng tăng lên hoạt động máy điều nhiệt, sau giảm xuống giảm q trình chuyển hố thể mơi trường nóng - Tiêu hao lượng tiêu hố Ăn để cung cấp lượng cho thể, thân việc ăn lại làm cho tiêu hao lượng thể tăng lên Năng lượng tiêu hao thêm kết việc chuyển hoá sản phẩm hấp thu - tác dụng động lực đặc hiệu (Specific Dynamic Action: SDA) thức ăn Tác dụng động lực đặc hiệu thức ăn tính tỷ lệ phần trăm mức tiêu hao lượng so với tiêu hao lượng trước ăn Tác dụng động lực đặc hiệu thức ăn thay đổi theo chất dinh dưỡng:  Protein làm tiêu hao lượng tăng thêm 30% - SDA 30  Lipid làm tiêu hao lượng tăng thêm 14% - SDA 14  Carbohydrat làm tiêu hao lượng tăng thêm 6% - SDA  Chế độ ăn hỗn hợp làm tiêu hao lượng tăng thêm 10% - SDA 10 - Tiêu hao lượng cho phát triển thể Khi thể phát triển có tăng chiều cao trọng lượng, tức tăng kích thước số lượng tế bào Như vậy, thể phải tổng hợp thành phần chất tạo hình dự trữ, có nghĩa thể phải sử dụng biến đổi phần hoá thức ăn thành hoá chất tạo hình dự trữ - Tiêu hao lượng cho phát triển thể thường gặp khi:     Cơ thể trưởng thành Cơ thể phục hồi sau ốm Luyện tập thân thể Bổ sung cho mô biến đổi nhanh chóng như: Tế bào máu, niêm mạc ruột non, da  Năng lượng tiêu hao để tăng thêm gam thể trọng Kcal - Tiêu hao lượng cho sinh sản Trong thời kỳ mang thai nuôi con, mức tiêu hao lượng bà mẹ tăng lên số lý sau:  Tạo nuôi thai phát triển thể người mẹ  Tăng khối lượng máu tuần hoàn, tăng khối lượng quan mẹ, dự trữ để tiết sữa sau đẻ (tất 60.000 Kcal cho lần mang thai)  Đẻ, tổng hợp tiết sữa cho bú II Nguyên lý thứ nhiệt động lực học Một số khái niệm đại lượng - Hệ nhiệt động (hệ): Hệ vật thể hay nhóm vật thể giới hạn khoảng không gian xác định thường tưởng tượng tách biệt với môi trường xung quanh Ví dụ: Khi chọn cá thể để nghiên cứu cá thể hệ Cịn chọn quần thể để nghiên cứu quần thể hệ - Hệ cô lập: hệ không trao đổi vật chất lượng với môi trường bên ngồi Trên thực tế khó xác định hệ lập hồn tồn, owrquy mơ thí nghiệm nhà khoa học thiết kế hệ lập bom nhiệt lượng dùng để nghiên cứu hiệu ứng nhiệt phản ứng oxy hóa - Hệ kín: hệ khơng trao đổi vật chất có trao đổi lượng với mơi trường bên ngồi - Hệ mở: hệ trao đổi vật chất lượng với mơi trường bên ngồi Ví dụ: Cơ thể sống hệ mở - Tham số trạng thái: đại lượng đặc trưng cho trạng thái hệ Ví dụ như: nhiệt độ, áp suất, thể tích, nội năng, entropy,… - Trạng thái cân bằng: trạng thái tham số trạng thái đạt giá trị định không đổi theo thời gian - Hàm trạng thái: Một đại lượng xem hàm trạng thái, đặc trưng cho trạng thái hệ, biến thiên giá trị trình phụ thuộc vào giá trị đầu giá trị cuối mà không phụ thuộc vào đường chuyển biến: nội (U), entropi(S), lượng tự (F),…là hàm trạng thái - Năng lượng: Năng lượng độ đo dạng chuyển động vật chất, chuyển từ dạng sang dạng khác Năng lượng phản ánh khả sinh công hệ Đơn vị dùng để đo lượng Calo (Cal) hay Jun (J) - Nội (U): Nội năng lượng bên hệ bao gồm động phân tử, nguyên tử, điện tử phần lượng hạt nhân nguyên tử Động chuyển động tập thể hệ tương tác hệ với môi trường xung quanh không kể thành phần nội năng.Nội hàm trạng thái, trạng thái khác có giá trị khác Nếu hệ thay đổi qua trạng thái khác lại trở trạng thái ban đầu thì: ΔU=0 Nếu hệ từ trạng thái biến đổi sang trạng thái ta có: ΔU=U2 - U1 - Công nhiệt lượng: Công nhiệt lượng đại lượng đặc trưng cho mức độ trao đổi lượng hệ Có dạng truyền lượng:  Dạng truyền lượng làm thay đổi mức độ chuyển động có trật tự tồn hệ hay phần hệ, người ta gọi dạng lượng cơng Ví dụ: Khí giãn nở xylanh đẩy pittơng chuyển động sinh cơng Vậy khí truyền lượng cho pittông dạng công  Dạng truyền lượng trực tiếp phân tử chuyển động hỗn loạn phân tử hệ đó, nội hệ thay đổi, người ta gọi dạng truyền lượng nhiệt lượng Ví dụ: Cho vật lạnh tiếp xúc với vật nóng, phân tử chuyển động nhanh vật nóng va chạm vào phân tử chuyển động chậm vật lạnh chúng truyền động Do đó, nội vật tăng lên, nội vật nóng giảm trình dừng lại nhiệt độ hai vật Nhiệt lượng để vật thay đổi từ t1 đến t2 tính cơng thức: Q  mC t m: khối lượng (kg) C: nhiệt dung riêng (j/kg.độ) ∆t=t2-t1: độ chênh lệch nhiệt độ Công nhiệt lượng chuyển hóa lẫn Ví dụ:  Khi cọ xát hai vật, chúng nóng lên tương tự chúng nhận nhiệt Vậy cơng biến hóa hồn tồn thành nhiệt  Khi đốt nóng vật, vật nhận nhiệt nóng lên, nội vật tăng đồng thời vật giãn nở nghĩa phần nhiệt biến thành công (công giãn nở vật) Về định lượng, thực nghiệm Joule thiết lập tương đương nhiệt công: tốn công 4,18J nhiệt lượng Calo 1Cal=4,1868J Khác với lượng, công nhiệt đại lượng dùng đo mức độ trao đổi lượng thân chúng dạng lượng Vì trạng thái, lượng hệ có giá trị xác định trạng thái có cơng nhiệt, giá trị khơng phụ thuộc vào q trình đưa hệ đến trạng thái Chỉ hệ biến đổi từ trạng thái sang trái thái khác theo đường khác cơng nhiệt q trình biến đổi có giá trị khác Vậy công nhiệt hàm trạng thái mà hàm trình Ngun lí thứ nhiệt động lực học Định luật I nhiệt động học tiên đề rút từ kinh nghiệm thực tế loài người Định luật hình thành qua cơng trình nghiên cứu M.V Lomonoxob (1744); G.I Heccer (1836); Majo(1842); Helmholtz (1849); Joule(1877) nhiều nhà bác học khác Phát biểu Nguyên lý thứ nhiệt động học trường hợp riêng Định luật bảo toàn chuyển hóa lượng Định luật phát biểu sau: “Năng lượng không tự nhiên sinh không tự nhiên mà biến đổi từ dạng sang dạng khác” Biểu thức toán học định luật I nhiệt động học: Một hệ cô lập trạng thái ban đầu có nội U1, cung cấp cho hệ nhiệt lượng Q phần nhiệt lượng hệ sử dụng để thực công A, phần lại làm thay đổi trạng thái hệ từ trạng thái ban đầu có nội U1 sang trạng thái có nội U2 (U2>U1) Từ nhận xét ta có biểu thức: Q= ΔU + A(1.1) Quy ước: ΔU=U2 - U1: biến thiên nội hệ Q>0: hệ nhiệt lượng, Q0: hệ sinh công, A nB, bỏ vách ngăn trình san mật độ diễn ra Là trình tự diễn biến khơng thể có q trình ngược lại có khả sinh cơng giảm dần  Một vật có nhiệt độ cao vật có nhiệt độ thấp, q trình truyền nhiệt xảy q trình ngược lại khơng thể xảy ra: Đã có truyền Q từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp  Có bình đựng nước A B đậy nắp giống nhau, bình A tích lớn có nhiệt độ cao mơi trường chút, bình B tích nhỏ nhiệt độ cao nhiều so với môi trường Ta thấy nhiệt lượng dự trữ bình A lớn bình B nhiều nước bình A khơng có khả đẩy bật nắp(khơng có khả sinh cơng), cịn nước bình B lại có khả đẩy bật nắp(có khả sinh cơng) - Sự chênh lệch nhiệt độ hệ môi trường xung quanh lớn khả sử dụng hiệu nhiệt lượng chứa cao - Khơng phải nhiệt lượng dự trữ hệ vật dễ dàng biến đổi thành công học  Nhận xét:  Các q trình tự nhiên khơng thuận nghịch diễn biến có liên quan đến việc truyền lượng từ mức cao xuống mức thấp  Tính trật tự hệ giữ nguyên giảm dần theo diễn biến q trình khơng thuận nghịch hệ cô lập Một vài thông số nhiệt động quan trọng Trong thông số nhiệt động liên quan nhiều đến nguyên lý thứ hai, ta thấy có gradient, entropi, lượng tự 2.1 Gradient Giả sử f hàm vô hướng tọa độ không gian x, y, z người ta định nghĩa: Gradient f kí hiệu Gradf vec tơ mà thành phần trục tọa độ đạo hàm riêng f theo x, y, z �� f� �� � �x � uuuuuuur �� f� grad f  � � y� �� �� f� � � z �� Ta có: df  � f � f � f dx  dy  dz � x � y � z (1.5) (1.6) uur uuuuuuur df Nếu f hàm biến x thì: grad f  dx Như gradient f đại lượng vec tơ cho biết mức độ thay đổi đại lượng f khơng gian Q trình oxy hóa thức ăn thể dẫn tới việc hình thành hợp chất cao năng, tức thể trữ lượng tự Sau lượng hóa học ATP sử dụng để sinh công Trong số trường hợp lượng thủy phân ATP dùng trực tiếp để sinh công (chẳng hạn co hay tổng hợp chất cao phân tử), số trường hợp khác dùng để tạo nên nhiều loại Gradient khác nhau, tồn gradient đặc trưng điển hình thể sống Quá trình sinh cơng hệ ln gắn liền với q trình giải phóng lượng gradient Nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học nói rằng, hệ nhiệt động tất trình xảy theo chiều hướng giảm gradient, chẳng hạn nhiệt truyền từ vật nóng đến vật lạnh, chất ln khuếch tán từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp Khi so sánh tế bào sống với hệ thống sống điểm khác ta thấy rõ tế bào sống trì nhiều loại gradien khác Gradien màng, gradien nồng độ, gradien áp suất thẩm thấu … Sự có mặt gradient tạo khả thực cơng tế bào sống Thí dụ: phát sinh xung động thần kinh liên hệ mật thiết với phân phối không đồng ion gradient điện, trương bào liên quan đến gradient thẩm thấu…Nếu tế bào chết loại gradien bị triệt tiêu Nếu xét mức độ gradien sống tế bào kèm theo tồn loại gradien 2.2 Entropi Ta xét ví dụ: Trong bình kín chia làm hai phần A B vách ngăn, có phân tử giống Ban đầu phân tử A có cách xếp Sau bỏ thành ngăn, chuyển động nhiệt phân tử nên phân tử chuyển động tồn thể tích bình tạo nên tất có 26=64 Xác suất nhiệt động cho ta số cách thực phân phối phân tử, đại lượng ≥1 Xác suất toán học p nhỏ lớn Xác suất toán học cho biết khả xảy số kiểu toàn số kiểu phân phối Xác suất phân bố phân tử bình trình bày bảng 1.1 Bảng 1.1 Sự phân bố phân tử hai phần bình xác suất phân bố chúng Số phân tử phần A B 3 Số cách phân phối (W) (Xác suất nhiệt động) 15 20 15 Xác suất toán học p 1/64 6/64 15/64 20/64 15/64 6/64 1/64 Qua bảng ta thấy, ban đầu số phân tử A sau đa số khả quan sát phần A có 4,3 phân tử Nói khác hệ chuyển từ trạng thái có xác suất xuất nhỏ sang trạng thái có xác suất xuất lớn hệ chuyển từ trạng thái có cách phân phối sang trạng thái có nhiều cách phân phối (xác suất nhiệt động W lớn) Vì lnW hàm đồng biến với W nên dung lnW để xác định chiều hướng trình tự nhiên  Định nghĩa Đại lượng S=k lnW gọi entropi hệ, k số Boltzman Ở thí dụ trên, chiều hướng trình tiến tới trạng thái có xác suất nhiệt động W lớn hay có S lớn; chiều hướng có tính chất chiều ta để hệ tự diễn biến Nói cách khác, trạng thái có S lớn trạng thái dễ xảy  Định nghĩa Gọi T nhiệt độ tuyệt đối hệ, Q nhiệt lượng mà hệ trao đổi, S entropi hệ dS  Q T (1.7) Trong trường hợp T thay đổi thì: B n Q Q S  � i hay S  �  S B  S A T i 1 Ti A (1.8) Định nghĩa ta thấy có nhận xét: - entropi S hàm trạng thái, nghĩa hàm phụ thuộc trạng thái đầu trạng thái cuối mà không phụ thuộc vào trình thay đổi trạng thái - entropi S đại lượng cộng tương tự nội entropi hệ phức tạp tổng entropi phần riêng - entropi xác định sai khác số cộng: S  S B  S A  ( S B  S0 )  (S A  S ) - Khi hệ nhận nhiệt,  Q  0, dS  hay entropi hệ tăng lên - Khi hệ truyền nhiệt,  Q  0, dS  hay entropi hệ giảm - Hệ nhận nhiệt lượng, chuyển động hỗn loạn phân tử, nguyên tử tăng lên, tương ứng tăng entropi Hệ truyền bớt nhiệt lượng chuyển động hỗn loạn phân tử, nguyên tử giảm xuống, tương ứng giảm entropi Như entropi cho ta khái niệm mức độ hỗn loạn hệ - Giả sử hệ cô lập gồm phần nhiệt độ T T2 (T1TB theo định luật II nhiệt động học vật A truyền cho vật B nhiệt lượng Q Sự thay đổi entropi vật A Q Q nhiệt là: dS A   T Còn thay đổi entropi vật B nhận nhiệt dS B  T A B (dấu trừ entropi vật A bị giảm) Sự thay đổi entropi toàn hệ xác định: dS  dS A  dS B   Q Q Q(TA  TB )   TA TB TATB Vì TA>TB nên TA-TB>0 suy dS>0 Ví dụ 2: Ngâm cục nước đá có nhiệt độ độ C (tức tính nhiệt độ Kelvin là: T 1= 273+00C=2730K) vào thùng dầu có nhiệt độ 1000C (Tức T2=273+100=3730K) Nhiệt độ tự động truyền từ dầu sang cục nước đá qui nhiệt lượng Q Thực nghiệm xác định Q=80 cal Dầu cung cấp nhiệt nên thay đổi entropi dầu là: dS D   80  0, 214 cal/ độ 373 Cục nước đá nhận nhiệt nên thay đổi entropi nước đá là: dS Đ  80  0, 293 cal/ độ 273 Sự thay đổi entropi hệ (gồm dầu cục nước đá ) là: dS  dS D  dS Đ  0, 293  0, 214  0, 079 cal/ độ Nhận xét: Đối với hệ cô lập, trình truyền nhiệt tự diễn biến theo chiều tăng entropi Điều minh chứng cho tính đắn định luật II nhiệt động học 2.3 Năng lượng tự Từ (1.7) ta có: �Q  T dS Kết hợp với (1.2) ta nhận được: � A  T dS  dU � A    dU  TdS  � A  d  U  TS  Đặt F  U  TS gọi lượng tự hệ Ta có: �A  dF (1.10) (1.11) U  F  TS (1.12) Nội U hệ tổng lượng tự F lượng liên kết TS Năng lượng tự hệ phần nội sử dụng để sinh cơng, cịn lượng liên kết phần nội dùng để sinh công mà phân tán vơ ích dạng nhiệt Năng lượng liên kết TS xác định entropi trình xảy nhiệt độ khơng đổi entropi lớn lượng liên kết lớn, phân tán lượng dạng nhiệt mạn tính bất thuận nghịch q trình rõ Ngun lí thứ hai nhiệt động lực học Ta khơng thể giải thích trình tự nhiên lại có q trình xảy theo hướng xác định, ta buộc phải thừa nhận quy luật rút từ quan sát thực nghiệm số lớn tượng Do quy luật có tính chất thống kê với số đơng có nghĩa khơng loại trừ khả xảy tượng với chiều hướng ngược lại Quy luật phát biểu nguyên lý thứ hai nhiệt động học theo nhiều cách khác mà tương đương nhau: - Tính trật tự hệ lập giữ ngun giảm dần - Khơng thể tồn tự nhiên chu trình mà kết biến nhiệt thành công không để lại dấu vết mơi trường xung quanh - Không thể thực động vĩnh cửu loại hai tức động chuyển động tuần hoàn, cho ta công cách nhận nhiệt lượng làm lạnh từ nguồn - Hiệu suất nguồn nhiệt không phụ thuộc vào chất vật tham dự vào hoạt động máy mà phụ thuộc vào nhiệt độ vật cung nhiệt vật thu nhiệt Ở phần định nghĩa entropi ta lưu ý tới tượng: Nếu hệ tự diễn biến, tiến tới trạng thái có entropi lớn; nói khác đi, q trình biến đổi lượng hệ cô lập để tự diễn biến (quá trình khơng thuận nghịch), entropi ln ln khơng giảm: S �0 (1.13) Ở trạng thái cân nhiệt động hệ cô lập, tức trạng thái không thay đổi theo thời gian, entropi khơng cịn tăng nữa, nói khác đạt cực đại S  S max (1.14) - Như dựa vào khái niệm entropi, nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học phát biểu theo cách khác: “Đối với hệ cô lập, trình tự nhiên diễn biến theo chiều tăng entropi” Ta cần ý rằng, nói chung trạng thái có xác suất cao hay xảy trạng thái có xác suất thấp, điều có nghĩa có lúc ta quan sát trạng thái có xác suất thấp Nói khác đi, q trình tự nhiên hệ lập diễn biến theo chiều tăng entropi biệt có trường hợp hệ chuyển từ trạng thái có entropi cao sang trạng thái có entropi thấp Đó tính thống kê nguyên lý hai nhiệt động học Cũng định luật thực nghiệm khác, sở nguyên lý thứ hai nhiệt động học quan sát giới xung quanh người Lĩnh vực người quan sát thấy trực tiếp tập hợp lớn phân tử, to lớn phần vô nhỏ vũ trụ Vì ngun lý hai khơng thể áp dụng cho toàn thể vũ trụ (khi xem vũ trụ hệ cô lập), cho giới hạt vật chất chuyển động khơng gian, thời gian có tính chất, quy luật Xét biểu thức: U  F  TS Ta thấy, S hệ lập giữ nguyên tăng nên phần lượng liên kết TS giữ nguyên tăng, phần nội khơng có khả sinh cơng Khi hệ thống tiến đến cân bằng, S cực đại, nghĩa TS đạt cực đại (năng lượng liên kết cực đại), U có giá trị khơng đổi (hệ lập) nên lượng tự F cực tiểu Do đó, cân nhiệt động đặc trưng entropi đạt cực đại hay lượng tự đạt cực tiểu Định luật II nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật Hệ thống sống hệ thống mở, ln xảy q trình trao đổi vật chất lượng với mơi trường ngồi Theo cách phát biểu Thomson: “không thể chế tạo động vĩnh cửu loại hai" động có hiệu suất hữu ích 100%, áp dụng vào hệ thống sống hoàn toàn đắn Thực nghiệm xác định trình diễn hệ thống sống có hiệu suất hữu ích nhỏ 100% (xem bảng 1.2) Bảng 1.2: Hiệu suất số trình sinh vật TT Quá trình sinh vật Hiệu suất Quá trình glicoliz (tiêu glucoza) 36% Quá trình co 30% Q trình oxy hóa photphorin hóa 55% Q trình quang hợp 75% Q trình phát quang vi khuẩn 90% Quá trình quang hợp thực vật có hiệu suất 75% có nghĩa xanh hấp thụ 100calo từ lượng ánh sáng mặt trời có 75 calo sử dụng vào tổng hợp chất (phần lượng có ích) 25 calo tỏa nhiệt sưởi ấm thể hay phát tán nhiệt môi trường xung quanh (phần lượng vơ ích)  Vai trị entropi Đối với hệ cô lập, định luật II nhiệt động học khẳng định trình diễn biến diễn theo chiều tăng entropi đạt giá trị cực đại đạt đến trạng thái cân nhiệt động dừng hẳn Cơ chế sống hệ mở áp dụng định luật II nhiệt động học trực tiếp lên thể sống Định luật II nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật xem hệ bao gồm thể sống môi trường sống Ta xét thay đổi entropi hệ (kí hiệu dS có liên quan tới thay đổi entropi thể sống (kí hiệu mơi trường (kí hiệu dSc ) thay đổi entropi dt dSm ) nào? entropi hàm trạng thái có tính dt chất cộng tính (tức entropi hệ tổng entropi thành phần nằm hệ) nên thay đổi entropi hệ xác định theo công thức: dS dSC dS m   dt dt dt Thành phần (1.15) dSC  trình diễn thể sống trình dt thuận nghịch Song thực tế phần lớn trình diễn thể sống trình bất thuận nghịch, Thành phần dSC  dt dS m  thể sống môi trường không xảy trình trao dt đổi vật chất lượng Điều khơng xảy trái với thực tế Quá trình trao đổi vật chất lượng thể sống mơi trường q trình bất thuận nghịch (nhất trình trao đổi nhiệt), dS m  Như vậy, dt dSC dS m dS    Điều phù hợp với định luật II nhiệt động học dt dt dt Trong thể sống xảy trường hợp trình đồng hóa diễn với cường độ mạnh so với q trình dị hóa quang hợp thực vật, có dSC  Trường hợp gặp trình dt dSC  Bù lại, trình trao đổi chất thực dt vật với mơi trường nước, khơng khí hấp thu lượng từ ánh sáng mặt trời làm tăng entropi môi trường lên cao trung tâm mặt trời xảy phản ứng hạt nhân để giải phóng lượng ánh sáng chiếu xuống trái đất Các phản ứng hạt nhân có entropi vơ lớn Do vậy, giá trị dS m dS lớn không nhiều nên thay đổi entropi hệ lớn dt dt không, phù hợp với định luật II nhiệt động học Tóm lại áp dụng định luật II nhiệt động học vào hệ thống sống ta không nên tách rời thể sống khỏi môi trường sống mà phải xem thể sống môi trường sống nằm hệ Về mối liên quan entropi độ trật tự cấu trúc thể sống, Schrodinger cho rằng: “ Sự sống hấp thụ entropi âm” Giải thích quan điểm này, theo tác giả thể sống ln trì độ trật tự cao cách hấp thụ chất dinh dưỡng có độ trật tự cao protit, Gluxit, Lipit qua thức ăn Thực ra, tiêu thụ chất dinh dưỡng, thể sống không sử dụng chúng nguồn trật tự (để nguyên dùng làm nguyên liệu để xây dựng nên thể sống) mà chất dinh dưỡng sau hấp thụ phân giải thành chất để tế bào hấp thụ Chẳng hạn Protein thịt gà có độ trật tự cao (tức entropi thấp) thể hấp thụ bị phân giải thành axit amin nên có độ trật tự (tức entropi cao) Do vậy, quan điểm cảu Schodinger hoàn tồn khơng phản ánh chất q trình tiêu hóa hấp thu thể sống Độ trật tự cấu trúc độ trật tự trình sinh học diễn thể sống entropi định mà thể sử dụng nguồn lượng tự từ nguồn thức ăn để trì tồn phát triển thể sống Trong trình phát sinh hình thành sống trái đất, trải qua thời gian tiến hóa với chọn lọc tự nhiên hình thành nên lồi sinh vật có thích nghi cao với loại mơi trường sống Do ngun lí q trình sinh học định làm cho thể sống thích nghi mặt cấu trúc thích nghi mặt chức khơng phải hồn tồn entropi định hệ lý hóa Tuy nhiên trình sinh lý, sinh hóa diễn thể sống kèm theo thay đổi entropi Khi xét entropi riêng thể sống mà không gắn với entropi mơi trường sống thể trạng thái cân dừng, entropi có giá trị xác định cực đại khơng đổi Khi thể sống nhiễm phóng xạ, nhiễm chất độc hại, nhiễm virut entropi tăng có giá trị lớn so với entropi trạng thái cân dừng Khi thể sống có q trình sinh tổng hợp chất (như q trình quang hợp thực vật) diễn mạnh so với trình phân hủy chất entropi giảm có giá trị nhỏ so với entropi trạng thái cân dừng trạng thái có tốc độ phản ứng tổng hợp cân với tốc độ phản ứng phân hủy Sự thay đổi entropi diễn thể sống không vi phạm định luật II nhiệt động học thể sống hệ mở hệ cô lập  Trạng thái dừng hệ thống sống Trong hệ lập, q trình biến đổi bị giới hạn số lượng vật chất tham gia vào trình Sauk hi q trình biến đổi kết thúc hệ đạt trạng thái cân nhiệt động hệ không thay đổi theo thời gian Đối với hệ thống sống, vật chất lượng vào không ngừng, q trình biến đổi lượn;g ln xảy Trong q trình phát triển, entropi giảm cịn lượng tự lại tăng, lúc đó, độ trật tự cấu trúc khả sinh công tiềm trữ cấu trúc hệ đủ để trì sống, thơng số trạng thái hệ khơng đổi theo thời gian, ta nói hệ trạng thái dừng, đặc trưng thể rõ thể người Nếu điều kiện môi trường thay đổi q lớn nhiệt độ thể, thành phần cấu trúc máu, độ pH gradient nồng độ ion tế bào…ln ln có giá trị không đổi Các giá trị phản ánh trạng thái thể thường sử dụng việc chẩn đoán bệnh Cân dừng hệ mở, mặt nguyên tắc khác xa với cân nhiệt động hệ cô lập mà ta biết Nghĩa chúng có giống tượng (các thông số trạng thái không đổi) khác phương thức trì trạng thái (ở cân nhiệt động khơng xảy q trình, cân dừng tốc độ chiều hướng q trình khơng đổi cân lẫn Ví dụ: Tế bào sử dụng lượng chuyển hóa đưa Na + K+ vào nội bào Chính vận chuyển chủ động giữ nguyên nồng độ Na + K+ cao dịch nội bào) Cụ thể điểm khác sau: Bảng So sánh trạng thái cân nhiệt động với trạng thái dừng Cân nhiệt động Cân dừng Ví dụ: Một bình mở, phần chứa Ví dụ: thể sống chất lỏng phần chứa Có dịng khơng đổi vật chất vào Khơng có dịng vật chất vào môi khỏi hệ trường Cần liên tục lượng tự để Khơng cần tiêu phí lượng tự trì cân để trì cân Năng lượng tự khả sinh Năng lượng tự khả sinh công hệ không đổi khác không công hệ không entropi hệ không đạt cực đại entropi hệ có giá trị cực đại Có gradient hệ Khơng có gradient hệ Có thể minh họa khác biệt hai trạng thái cân mô hình lý thú Như diến biến phản ứng hóa học tưởng tượng tượng chảy chất lỏng Hình 1.3: Minh họa khác biệt hai trạng thái cân nhiệt động cân dừng Nếu hệ kín tức chất lỏng khơng vào bình từ bên ngồi khơng chảy ngồi, tồn chất lỏng chuyển từ bình cao sang bình thấp với tốc độ xác định độ mở khóa sau khoảng thời gian cân thiết lập (hình 1.3) Mức chất lỏng khơng thay đổi khơng cịn dịng chảy Nếu hệ mở bình bình có mức chất lỏng xác định không ứng với cân Khóa khóa cho ta mơ hình số tốc độ phản ứng hóa học, gợi cho ta hình ảnh chất xúc tác làm ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng hóa học hệ mở Khi thay đổi nồng độ chất xúc tác (khi vặn khóa K2), mức chất lỏng thiết lập, tạo nên trạng thái dừng Mức trạng thái dừng dễ dàng bị dao động lớn Phụ thuộc vào điều kiện bên bên trong, hệ mở (trong kể thể người) thể chuyển sang mức khác trạng thái dừng (trạng thái nghỉ ngơi, cơng tác, q trình lớn lên…) Nếu người thay đổi điều kiện lao động, nơi trường hợp có điều chỉnh lại trạng thái dừng từ mức sang mức khác Có thể quan sát thấy điều chỉnh thí dụ thay đổi tốc độ q trình oxy hóa Khi chuyển từ trạng thái dừng sang trạng thái dừng khác, mức hệ thống thiết lập tức khắc Thông thường ban đầu quan sát thấy tăng giảm mức trạng thái dừng hệ so với mức đòi hỏi tương ứng với điều kiện bị thay đổi mơi trường ngồi Thí dụ: dao động động lực mức áp suất máu động mạch lúc bắt đầu sau hoạt động chân tay Bước chuyển từ trạng thái dừng sang trạng thái dừng khác xảy khác Dạng 1: Bước chuyển với lệch thừa Bước chuyển thường quan sát thấy người trẻ tuổi Quá trình hưng phấn có dạng “ đỉnh sóng” Đỉnh sóng tạo thành vượt khỏi mức tự điều chỉnh phản ứng Hệ tự điều chỉnh lên mức cao tốc độ trình cao chút Dạng 2: Bước chuyển theo dạng gần hàm mũ, bước chuyển tiết kiệm Hệ có xu hướng hoạt động với lượng tiêu thụ Quan sát thấy dạng chuyển người đứng tuổi Cơ thể người đứng tuổi tạo bước nhảy vọt người trẻ tuổi Dạng 3: Bước chuyển với “ mức xuất phát giả tạo ”, khác biệt chỗ với tăng tốc độ phản ứng tương lai, có quan sát thấy giảm tốc độ phản ứng sau tăng “ Mức xuất phát giả tạo” xuất phát triển thái q q trình glucose phân kỵ khí, sau có q trình ưa khí phát triển, đóng vai trị q trình lượng hữu hiệu Trong hệ phức tạp người ta thấy có bước chuyển ứng với đường cong phức tạp, chúng có nhiều điểm cực trị Sự chuyển trạng thái dừng từ mức sang mức khác xảy có thay đổi mơi trường ngồi Burton quan sát thấy thí dụ co bóp tim ếch lập có dạng Nếu mơi trường thích đáng, tim ếch co bóp với tốc độ khơng đổi với thay đổi khác thành phần hóa học nhiệt độ mơi trường, thay đổi nhịp co bóp tim chuyển sang trạng thái dừng theo đường khác có dạng I, II, III Ở thể sống, đường cong dạng I đường cong điển hình phản ứng thể hay tế bào có hưng phấn, cịn đường cong dạng III ứng với có thương tổn Người ta chứng minh bước chuyển dạng khác đường cong phụ thuộc vào cường độ tác động tác nhân kích cần phải xem xét thực chất với quan điểm chung Sự đồng dạng đường cong thể bước chuyển đổi với sinh vật cao cấp, vi sinh vật thực vật chứng minh cho kiện toàn thể chúng thuộc vào loại hệ mở Sự tiến hóa trạng thái dừng xảy theo phương hướng tiến tới trình xảy với tốc độ cao hơn, bảo toàn ổn định hệ Chính tốc độ cao trình giúp ta phân biệt sinh vật bậc cao với sinh vật bậc thấp Có thể tiến hóa giới hữu không qua dạng nhuyễn thể, để thay cho huyết lam tố sên, thiên nhiên khơng tìm thấy hemoglobin chất có hiệu nhiều tốc độ liên kết với oxy Tốc độ phản ứng hóa học hệ lớn hệ ổn định, dĩ nhiên hệ trạng thái dừng Bởi q trình tiến hóa, nâng cao tốc độ phản ứng đạt nhờ men tác dụng nhiệt độ thấp, ổn định hệ thống cung ứng trì cân nội mơi nhờ có liên hệ ngược Sự không đổi môi trường bên yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hóa học có giá trị hàng đầu Ở sinh vật máu nóng có hệ điều chỉnh nhiệt độ tự động ln ln hoạt động khoảng nhiệt độ hoạt động men thể hẹp Các nhà bác học thử giải thích phát triển mơ u ác tính quan điểm xuất trạng thái dừng khác với mức thấp nhiều, lại ổn định Trạng thái dừng đạt tỷ lệ chất xúc tác chất ức chế Các tế bào ung thư tích lũy chất oxy hóa, chất giúp tế bào ung thư chuyển sang trạng thái có tốc độ q trình oxy hóa thấp Chính tế bào tăng thêm độ bền vững có tốc độ sinh sản lớn so với tế bào bình thường thể ... cân nhiệt động dừng hẳn Cơ chế sống hệ mở áp dụng định luật II nhiệt động học trực tiếp lên thể sống Định luật II nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật xem hệ bao gồm thể sống môi trường sống. .. Định luật II nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật Hệ thống sống hệ thống mở, xảy trình trao đổi vật chất lượng với mơi trường ngồi Theo cách phát biểu Thomson: “không thể chế tạo động vĩnh cửu... II nhiệt động học vào hệ thống sống ta khơng nên tách rời thể sống khỏi môi trường sống mà phải xem thể sống môi trường sống nằm hệ Về mối liên quan entropi độ trật tự cấu trúc thể sống, Schrodinger