Volkenstein đó chỉ ra rằng, trong quỏ trỡnh phỏt sinh và phỏt triển entropy của cỏc hệ sinh vật giảm xuống cũn năng lượng tự do của chỳng lại tăng lờn, đến một lỳc nào đú, độ trật tự của cấu trỳc và khả năng sinh cụng tiềm trữ trong cấu trỳc ấy đủ để duy trỡ sự sống thỡ cỏc tham số trạng thỏi của hệ khụng đổi và ta núi rằng hệ ở trong cỏc trạng thỏi dừng. Đặc trưng này thể hiện rất rừ ở cơ thể người. Nếu điều kiện mụi trường khụng cú những thay đổi quỏ lớn, nhiệt độ của cơ thể, thành phần cấu trỳc của mỏu, thành phần húa học của cỏc dịch nội bào và chất lỏng gian bào, nhịp tim nhịp hụ hấp... đều cú giỏ trị hằng định. Trạng thỏi dừng khụng chỉ thể hiện ở mụi trường bờn trong cơ thể hay hoạt động của toàn bộ cơ thể mà cũn ở tất cả cỏc tế bào của nú và được đặc trưng bởi cỏc giỏ trị khụng đổi của cỏc gradient nồng độ, điện, thẩm thấu cũng như cỏc chỉ tiờu húa lý khỏc. Cần nhấn mạnh rằng dừng khụng cú nghĩa là đứng lại, trỏi lại, trong trạng thỏi dừng luụn diễn ra hàng loạt cỏc quỏ trỡnh, cỏc biến đổi phong phỳ và phức tạp nhưng lại cõn bằng lẫn nhau.
Về toỏn học, cỏc biến đổi theo thời gian cú dạng:
dt S d dt S d dt dS i e và dt F d dt F d dt dF i e Nếu muốn cú trạng thỏi dừng:
dt S d dt S di e và dt F d dt F di e 0 dt dS , S = const 0 dt dF , F = const
Cần núi rằng, cõn bằng dừng của hệ mở khỏc với cõn bằng nhiệt động của hệ cụ lập về bản chất. Chỳng giống nhau chỉ ở hiện tượng (cỏc tham số trạng thỏi khụng đổi), song khỏc nhau ở phương thức duy trỡ trạng thỏi ấy (cõn bằng nhiệt động: khụng xảy ra cỏc quỏ trỡnh, cõn bằng dừng: tốc độ và hướng của cỏc quỏ trỡnh cõn bằng lẫn nhau). Bảng dưới đi chỉ ra những sự khỏc nhau cơ bản đú:
Cõn bằng nhiệt động Cõn bằng dừng Vớ dụ : Bỡnh mở, một phần chứa chất lỏng, một phần chứa hơi. 1. Khụng cú dũng vật chất ra và vào mụi trường. Vớ dụ : Ngọn nến đang chỏy, Cơ thể sống. 1. Cú dũng khụng đổi vật chất vào hệ và ra khỏi hệ.
2. Khụng cần tiờu phớ năng lượng tự do để duy trỡ cõn bằng.
3. Năng lượng tự do và khả năng sinh cụng của hệ bằng khụng.
4. Entropy của hệ cú giỏ trị cực đại. 5. Khụng cú gradient trong hệ
2. Luụn cần tiờu phớ năng lượng tự do để duy trỡ cõn bằng.
3. Năng lượng tự do và khả năng sinh cụng của hệ khụng đổi.
4. Entropy của hệ khụng đạt giỏ trị cực đại. 5. Cú gradient khụng đổi trong hệ.
Nguyờn nhõn của sự khỏc nhau này rất rừ ràng. Trong hệ cụ lập, deS = 0, do vậy dS = diS và điều kiện dS = 0 đồng nhất với điều kiện diS = 0. Hơn nữa, nguyờn lý II nhiệt động học núi rằng S chỉ cú thể tăng, nờn điều kiện cõn bằng chớnh là khi S khụng thể tăng được nữa: S = Smax. Nếu hệ mở, deS 0, do vậy điều kiện dS = 0 chỉ cú nghĩa là deS = - diS, nghĩa là diS 0 và entropy của hệ khụng phải là Smax. Với năng lượng tự do ta cũng lý luận hoàn toàn tương tự, để dẫn tới kết luận rằng, trong cõn bằng nhiệt động, F = Fmin = 0 cũn trong cõn bằng dừng F Fmin và do đú F 0. Chớnh hai khỏc biệt cơ bản này cho phộp ta suy ra hai lý giải tất cả cỏc sự khỏc biệt cũn lại.
Trong cỏc trạng thỏi dừng như vậy, luụn xảy ra cỏc quỏ trỡnh bất thuận nghịch ở bản thõn hệ, cho nờn: 0 dt S di
nghĩa là tương tỏc giữa cơ thể và mụi trường thể hiện qua dũng entropy õm từ mụi trường vào cơ thể.
Nghiờn cứu cỏc hệ thống mở, Prigogine đó phỏt biểu nguyờn lý sau : Trong trạng thỏi dừng, tốc độ tăng entropy quy định bởi cỏc quỏ trỡnh bất thuận nghịch là dương và nhận giỏ trị nhỏ nhất trong cỏc giỏ trị cú thể, tức là trong trạng thỏi phõn tỏn năng lượng tự do là cực tiểu, vỡ entropy là độ đo sự phõn tỏn năng lượng tự do. Để duy trỡ trạng thỏi dừng chỉ cần dũng cực tiểu trong tập hợp tất cả cỏc giỏ trị khả dĩ của năng lượng tự do. Nếu vỡ một lý do nào đấy mà hệ lệch khỏi trạng thỏi dừng, thỡ do bản năng của hệ là hướng tới sự tăng entropy cực tiểu nờn trong bản thõn hệ sẽ xảy ra những thay đổi nội tại đẩy hệ quay dần trở về trạng thỏi dứng ban đầu. Đõy chớnh là phương thức tự điều chỉnh để duy trỡ trạng thỏi dừng của cơ thể, và nhờ đú mà ta cú trạng thỏi dừng được xem là ổn định. Chẳng hạn nếu ta tăng nhiệt độ của mụi trường thỡ sẽ cú một cơ chế tỏc động sao cho sự sinh nhiệt trong cơ thể giảm và sự thải nhiệt vào mụi trường tăng. Điều này đảm bảo cho thõn nhiệt khụng đổi, mặc dự nhiệt độ mụi trường thường xuyờn thăng giỏng trong một khoảng khỏ rộng. Khả năng tự ổn định như vậy là một nột đặc trưng cho tổ chức sống.
Khi sự thay đổi điều kiện sống quỏ lớn, cơ thể sẽ chuyển sang một trạng thỏi dừng mới phự hợp với mụi trường hơn. Cú ba phương thức chuyển trạng thỏi dừng được mụ tả bởi hỡnh.
CÂU HỎI LƯỢNG GIÁ BÀI 2
BT-2.1. Nếu bỏc sĩ của bạn núi với bạn rằng nhiệt độ của bạn là 310 độ trờn khụng độ tuyệt đối thỡ bạn cú lo lắng khụng? Giải thớch cõu trả lời của bạn ?.
BT-2.2. Trong ngày mừng lễ mừng sinh nhật lần thứ 44 của mỡnh, ca sĩ Tom Rush (Mỹ-đơn vị nhiệt độ dựng ở Mỹ là Fahrenheit), nhận xột: “Tụi thớch núi tuổi của tụi là 5 Celcius”. Tom núi thế cú đỳng khụng ? Nếu khụng, tuổi của ụng ấy tớnh theo Celcius là bao nhiờu?
BT-2.3. Cú thể làm băng tan bằng cỏch mài khối này với khối khỏc. Hỏi phải tốn cụng bao nhiờu Jun nếu bạn muốn làm tan 1 gam băng. Cho nhiệt núng chảy của nước đỏ là LF = 3,33.105 (J/kg).
BT-2.4. Hỏi phải cung cấp một lượng bơ là bao nhiờu (nhiệt dung của bơ là 6,0 kCal/g = 6000 Cal/g) để cú thể cú năng lượng cần thiết cho một người cú khối lượng 71,17 kg (lấy g = 10m/s2) lờn tới đỉnh nỳi Everest ở độ cao 8839m?
ĐS: 250g
BT-2.5. Nếu một người sử dụng hết khẩu phần ăn 2500 kcal trong 24h. Hỏi người này đó sử dụng bao nhiờu joules năng lượng, và tương đương với một cụng suất cơ học là bao nhiờu watts?
ĐS: 121W
BT-2.6. Cho biết cụng suất cơ học của tim ở lỳc nghỉ ngơi là 1,1W. Hỏi phải cú một khẩu phần ăn bao nhiờu kilocalories để tim cú thể làm việc trong 24 giờ ở chế độ nghỉ ngơi, cho rằng hiệu suất sử dụng năng lượng thực phẩm của cơ thể là 25%? (Biết 1kcal=4186J)
ĐS: 91 kcal.
BT-2.7. Cho 20g đỏ ở 00C vào 30g nước núng ở 1000C. Hỏi nhiệt độ cõn bằng của hệ là bao nhiờu? Biết nhiệt dung riờng của nước là 1cal/g.0C, nhiệt núng chảy của đỏ là 80cal/g.
ĐS: 280C
Cõu hỏi trắc nghiệm
2.1. Một vật cú nhiệt độ 310K. Khi đổi sang thang Celcius nú cú nhiệt độ khoảng: A. 270C B. 370C C. 2730C D. -370C E. -2730C
PHƯƠNG TRèNH TRẠNG THÁI KHÍ Lí TƯỞNG
2.2. Cho 5 trường hợp khớ lý tưởng bờn dưới, đều chứa cựng số phõn tử. Trường hợp nào cú nhiệt độ cao nhất?
A. 105 Pa và V = 10cm3 B. 3.105 Pa và V = 6cm3
C. 4.105 Pa và V = 4cm3 D. 6.105 Pa và V = 2cm3 E. 8.105 Pa và V = 2cm3
2.3. Một khối khớ lý tưởng trói qua một quỏ trỡnh đẳng nhiệt với ỏp suất và thể tớch ở đầu quỏ trỡnh là 2 105 Pa và 6cm3. Trong cỏc trường hợp dưới đõy, trường hợp nào cú thể là ỏp suất và thể tớch của khối khớ ở cuối quỏ trỡnh trờn?
A. p = 2 105 Pa và V = 10 cm3
B. p = 3 105 Pa và V = 6 cm3
C. p = 4 105 Pa và V = 4 cm3
D. p = 8 105 Pa và V = 2 cm3
E. p = 6 105 Pa và V = 2 cm3
2.4. Cần cung cấp bao nhiờu cal để chuyển 1 gam băng ở 00C hoàn toàn thành hơi nước ở 1000C. Biết đối với nước, nhiệt núng chảy là 80cal/g và nhiệt húa hơi là 540cal/g và nhiệt dung riờng là 1cal/g.0C
A. 100 B. 540 C. 620 D. 720 E. 900
2.5. Cần cung cấp bao nhiờu cal để chuyển 1 gam băng ở 00C thành nước cú nhiệt độ 600 C. Biết nhiệt núng chảy riờng của nước là 80cal/g và nhiệt dung riờng là 1cal/g.0C A. 100 B. 130 C. 140 D. 720 E. Đỏp số khỏc
2.6. Cần cung cấp bao nhiờu cal để chuyển 2 gam nước ở 200C hoàn toàn thành hơi nước ở 1000 C. Biết nhiệt núng chảy riờng của nước là 80cal/g, nhiệt nhiệt dung riờng của nước 1cal/g.0C, và nhiệt húa hơi riờng của nước là 540cal/g.
A. 320 B. 620 C. 800 D. 1240 E. Đỏp số khỏc
2.7. Một người mất nhiệt do bức xạ từ bề mặt da qua mụi trường trong 10 phỳt là 7,5.104J. Nhiệt lượng này tương ứng với khoảng bao nhiờu kcal? Cho biết: 1cal = 4,186J
A. 10 kcal B. 15 kcal C. 17 kcal D. 18 kcal E. 22 kcal
2.8. Một người sử dụng hết khẩu phần ăn 100kcal để thực hiện một cụng. Người này đó sử dụng bao nhiờu joules năng lượng? Biết 1cal = 4,186J
A. 41,86 J B. 4186 J C. 41860 J D. 418600 J E. 4,186 J
SỰ TRAO ĐỔI NHIỆT –NHIỆT ĐỘ CÂN BẰNG
2.9. Đổ 1kg nước ở 1000C vào 9kg nước ở 200C. Nhiệt độ cõn bằng của hỗn hợp là: A. 33,30 B. 280C C. 24,50C D. 260C E. Đỏp số khỏc
2.10. Đổ 1kg nước ở 1000C vào 9kg nước ở 100C. Nhiệt độ cõn bằng của hỗn hợp là: A. 60 B. 190C C. 24,50C D. 260C E. Đỏp số khỏc
2.11. Đổ 1kg nước ở 1000C vào 9kg nước ở 300C. Nhiệt độ cõn bằng của hỗn hợp là: A. 33,30 B. 280C C. 24,50C D. 370C E. Đỏp số khỏc
2.12. Cho 10g đỏ ở 00C vào 40g nước núng ở 500C. Hỏi nhiệt độ cõn bằng của hệ là bao nhiờu? Biết nhiệt dung riờng của nước là 1cal/g.0C, nhiệt núng chảy riờng của đỏ là 80cal/g.
A. 0 0C B. 8,4 0C C. 12 0C D. 24 0C E. 42 0C
2.13. Hai vật A và B cú cựng khối lượng, vật B cú nhiệt dung riờng gấp đụi vật A. Ban đầu vật A cú nhiệt độ 300K và nhiệt độ của vật B là 450K. Cho hai vật tiếp xỳc nhiệt với nhau và cụ lập với mụi trường. Nhiệt độ cuối của cả hai vật là:
A. 200K B. 300K C. 400K D.450K E. 600K
2.14. Một người mất nhiệt do bức xạ từ bề mặt da qua mụi trường trong 10 phỳt là 7,5.104J. Nhiệt lượng này tương ứng với khoảng bao nhiờu kcal? Cho biết: 1cal = 4,186J
TRUYỀN NHIỆT: DẪN NHIỆT, ĐỐI LƯU, BỨC XẠ
2.15. Chọn một phỏt biểu SAI
A. Cú ba hỡnh thức truyền nhiệt cơ bản là dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ.
B. Vật càng bức xạ nhiều năng lượng trong một đơn vị thời gian nếu nhiệt độ của nú càng thấp.
C. Một vớ dụ của hiện tượng dẫn nhiệt là khi cầm nắm cửa bằng kim loại ta cảm thấy lạnh ở tay.
D. Hiện tượng đối lưu sẽ xảy ra trong nồi nước đang được đun núng.
E. Tốc độ truyền năng lượng qua tiết diện vật dẫn trong hiện tượng dẫn nhiệt tỉ lệ với sự chờnh lệch nhiệt độ ở hai đầu.
2.16. Chọn một phỏt biểu SAI
A. Cú ba hỡnh thức truyền nhiệt cơ bản là dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ.
B. Cụng suất bức xạ điện từ của một bề mặt tỉ lệ với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối của bề mặt ấy.
C. Một vớ dụ của hiện tượng dẫn nhiệt là khi cầm nắm cửa bằng kim loại ta cảm thấy lạnh ở tay.
D. Hiện tượng đối lưu sẽ xảy ra trong nồi nước đang được đun núng.
E. Tốc độ truyền năng lượng qua tiết diện vật dẫn trong hiện tượng dẫn nhiệt tỉ lệ nghịch với sự chờnh lệch nhiệt độ ở hai đầu.
2.17. Nhiệt độ tại bề mặt da của một người là 350C và nhiệt độ mụi trường là 200C. Xỏc định năng lượng mất mỏt từ da người này do bức xạ điện từ ra mụi trường trong 1s? Cho độ phỏt xạ của da là 0.9, tổng diện tớch bề mặt da của cơ thể người này là 1,5m2, hằng số Bontzmann 5,67.10-8 (W/m2.K4).
A. 75W B. 100W C. 125W D. 230W E. 314W
2.18. Nhiệt độ tại bề mặt da của một người là 350C và nhiệt độ mụi trường là 100C. Xỏc định năng lượng mất mỏt từ da người này do bức xạ điện từ ra mụi trường trong 1s? Cho độ phỏt xạ của da là 0.9, tổng diện tớch bề mặt da của cơ thể người này là 1,5m2, hằng số Bontzmann 5,67.10-8 (W/m2.K4).
BÀI 3
SểNG VÀ ÂM
Mục tiờu bài học:
- Hiểu được cỏc khỏi niệm dao động và súng cơ học. - Hiểu được bản chất vật lý của súng õm và siờu õm. - Viết được biểu thức hiệu ứng Doppler và ứng dụng.