Khả năng xảy ra các quá trình nhiệt động, chiều hƣớng và giới hạn của chúng đƣợc đặc trƣng bởi các tham số trạng thái nhƣ Entropi và năng lƣợng tự do. Xét với các quá trình xảy ra trong hệ sinh vật thỏa mãn nguyên lý thứ II. Áp dụng (I.5): dS dQ
T
dQ T dS .
Thay giá trị này vào phƣơng trình của nguyên lý I ta có: .
dU A T dS
Công sinh ra Ađƣợc gọi là sự thay đổi của năng lƣợng tự do, kí hiệu qua dFvà ta sẽ có: dU dF TdS
AdF dU TdS
Tuy nhiên ta biết rằng các quá trình thực tiễn thƣờng là bất thuận nghịch. Khi đó công sinh ra nhỏ hơn sự thay đổi của năng lƣợng tự do và chính một phần sự thay đổi của năng lƣợng tự do cũng phát tán thành nhiệt.
Tổng quát hóa lại, nguyên lý II cho rằng: Năng lƣợng tự do của hệ cô lập chỉ có thể giảm hay giữ nguyên không đổi. Khi quá trình bất thuận nghịch, năng lƣợng tự do giảm xuống, còn năng lƣợng liên kết sẽ tăng lên, khiến cho tổng năng lƣợng không đổi đúng nhƣ nguyên lý I đã khẳng định.
Các quá trình chuyển hóa năng lƣợng sẽ xảy ra cho đến khi năng lƣợng tự do bằng không và Entropi tăng đến giá trị cực đại có thể, trạng thái này đƣợc gọi là cân bằng nhiệt động. Trong trạng thái này, hệ không có khả năng sinh công và hoàn toàn mất trật tự. Hệ không có khả năng tự thoát ra khỏi trạng thái cân bằng nhiệt động, trừ khi cung cấp thêm năng lƣợng từ bên ngoài.
Bây giờ ta xét đến hiệu suất của các quá trình. Trong các quá trình lý sinh và hóa sinh, sự biến đổi năng lƣợng tự do giúp cơ thể sinh công, nhƣng
30
bao giờ cũng có một lƣợng nhiệt mất mát nhƣ một hao phí. Hiệu suất (HS) quá trình là tỉ số giữa công hữu ích sinh ra và toàn bộ sự thay đổi của năng lƣợng tự do cần thiết để thực hiện công ấy:
1 A HS dF 1
HS trong quá trình thuận nghịch. 1
HS là trong quá trình bất thuận nghịch
Bảng hiệu suất của một số quá trình sinh vật 3 T
T
Quá trình sinh vật
Hiệu suất ()
1 Quá trình glicoliz ( tiêu glucoza) 36%
2 Quá trình co cơ 30%
3 Quá trình ôxy hóa photphorin hóa 55%
4 Quá trình quang hợp 75%
5 Quá trình phát quang của vi khuẩn 90%
Nhƣ ta đã biết, quá trình oxy hóa thức ăn trong cơ thể dẫn tới việc hình thành các hợp chất cao năng, nhờ đó cơ thể luôn tiềm trữ năng lƣợng tự do. Sau đó, năng lƣợng hóa học của ATP đƣợc trực tiếp sử dụng để sinh công (chẳng hạn khi co cơ hay tổng hợp cao phân tử), còn trong một số trƣờng hợp khác năng lƣợng này dùng để tạo nên nhiều loại gradient khác nhau, rồi chính sự phân giải các gradient này lại sinh ra công. Sự tồn tại các gradient nhƣ vậy và cơ chế sinh công nhƣ vậy là rất đặc trƣng cho cơ thể sống.
Gradient của một đại lƣợng Y nào đó là tỉ số giữa hiệu hai giá trị của đại lƣợng ấy lấy tại hai điểm khác nhau trong không gian và khoảng cách giữa hai điểm ấy:
Y GradientY G x
31
Gradient là một đại lƣợng véc- tơ có hƣớng từ vùng có giá trị cao đến vùng có giá trị thấp đƣợc xét. Một hệ nhiệt động bất kì có thể sinh công khi chứa các gradient, vì xu thế của quá trình là chuyển về cân bằng. Mối quan hệ
giữa năng lƣợng tự do và gradient của một đại lƣợng Y nào đó là:
1 2 lnY F RT Y 1, 2
Y Y là giá trị của Ytại hai điểm 1 và 2 đang xét. Nếu Y1 Y2 thì G0 và F 0, hệ không thể sinh công. Trong cơ thể sống, có rất nhiều quá trình sinh công gắn với việc giải phóng năng lƣợng của một gradient nào đó. Nêú nói đến chiều hƣớng của quá trình, thì rõ ràng tất cả các quá trình trong hệ nhiệt động xảy ra theo xu hƣớng gradient giảm: Nhiệt luôn truyền từ vật có nhiệt độ cao sang vật nhiệt độ thấp, trong quá trình khuyếch tán vật chất cũng chuyển từ nơi có nồng độ cao sang nơi có nồng độ thấp… để rồi quá trình dừng lại khi đạt tới cân bằng nhiệt độ hay cân bằng nồng độ,…