NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC LÝ SINH = Y1 ĐẠI HỌC Y DƯỢC THÀNH PHỐ HCM

Mục tiêu
 Nắm được nội dung, ý nghĩa của nguyên lý thứ

nhất và nguyên lý thư hai nhiệt động lực học.
 Vận dụng các nguyên lý để nghiên cứu các quá
trình cân bằng, chiều diễn biến của một quá trình
trong một hệ.
 Áp dụng các nguyên lý thứ nhất và thứ hai nhiệt
động lực học đối với hệ thống sống.

2


Nội dung
- MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN
- NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NĐLH
- ỨNG DỤNG NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NĐLH NHIỆT DUNG RIÊNG
- NGUYÊN LÝ THỨ HAI NĐLH
- ENTROPY
- CÁC NGUYÊN LÝ NĐLH ÁP DỤNG CHO HỆ
THỐNG SỐNG

3


I. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1. Hệ nhiệt động (hệ)
Là một vật thể hay một tập hợp số lớn các phần tử
vật chất được giới hạn trong một khoảng không gian xác
định và thường được tưởng tượng là tách biệt với mơi

trường xung quanh .
MƠI TRƯỜNG XUNG QUANH

HỆ

RANH GIỚI


TRAO ĐỔI VỚI MƠI TRƯỜNG

HỆ
VẬT CHẤT

NĂNG LƯỢNG

CƠ LẬP
KÍN (ĐĨNG)
MỞ

X
X

X


2. Nội năng U
Là đại lượng đặc trưng có mức độ vận động của vật chất
bên trong hệ đó .
Năng lượng của hệ gồm:

W = W đ + Wt + U

động năng

thế năng

nội năng của hệ.

NĐLH : Wđ = Wt = 0 ã
ă W = U l mt hm ca trạng thái

6


3. Công và nhiệt lượng (gọi tắt là nhiệt)
- Công: Là dạng truyền năng lượng làm thay đổi
mức độ chuyển động có trật tự của tồn bộ hệ hay
một phần của hệ (VD: khí giãn nở trong xylanh đẩy
pittơng chuyển động )
- Nhiệt: Là dạng truyền năng lượng trực tiếp giữa các
phân tử chuyển động hỗn loạn của hệ ( VD: đun nóng
vật ,vận tốc các phân tử gia tăng lên )
- Công và nhiệt đều là hàm của quá trình và có thể
chuyển hóa lẫn nhau

7


II. NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
1. Phát biểu:

Nhiệt lượng mà hệ nhận được trong quá trình biến
đổi bằng tổng công mà hệ sinh ra và độ biến thiên
nơi năng của hệ trong q trình biến đổi đó.
Q = U + A ,
U = U2 – U1
Trong một biến đổi vô cùng nhỏ, biểu thức được viết lại là:
Q = dU + A
Quy ước:
+ Nếu A > 0 hệ sinh công, A < 0 hệ nhận công
+ Nếu Q > 0 hệ nhận nhiệt, Q < 0 hệ tỏa nhiệt.
+ Nếu U > 0 (tức U2 > U1) nội năng của hệ tăng,
U < 0 (U2 < U1) nội năng của hệ giảm.
8


2. Hệ quả
- Chu trình ( q trình kín):
U2 = U1 → U = 0
( nguyên lý I)

Q=A

Vậy hệ nhân công (A < 0 ), hệ sẽ tỏa nhiệt (Q <0 )
(nguyên tắc của máy làm lạnh).Ngược lại, hệ sinh công, hệ
phải nhận nhiệt (nguyên tắc của động cơ nổ, máy hơi
nước…)một lượng tương ứng
Ý nghĩa : “Không thể thực hiện được động cơ vĩnh cửu
loại 1”.
9

Hệ cô lập :
A = Q = 0 ( nguyên lý I)

U = 0 hay U2 = U1

“ Nội năng của một hệ cơ lập được bảo tồn”
- Nếu hệ cô lập gồm 2 vật chỉ trao đổi nhiệt với
nhau:
Q = Q1 + Q2 = 0 → Q1 = - Q2
Nhiệt lượng do vật này tỏa ra bằng nhiệt lượng
do vật kia nhận được.
10


III. ỨNG DỤNG CỦA NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT
ĐỘNG LỰC HỌC – NHIỆT DUNG RIÊNG
1. Trạng thái cân bằng và quá trình cân bằng
+ Trạng thái cân bằng : là trạng thái mà hệ không
biến đổi theo thời gian ( mọi thơng số trạng thái ở đó
là hồn tồn xác định) và nếu khơng có tác dụng bên
ngồi thì trạng thái đó sẽ tồn tại mãi mãi.
+ Q trình cân bằng: Là quá trình biến đổi gồm một
chuỗi liên tiếp các trạng thái cân bằng
Thực tế q trình vơ cùng chậm = cân bằng ( chuẩn
cân bằng)
11


2. Cơng mà hệ sinh ra trong một q trình cân bằng

Quá trình đủ chậm = quá trình cân bằng.

+ Cơng A mà khí sinh ra trong q
trình là:
A = F.dx = pS.dx = p.dV
+ Quá trình từ trạng thái (1) → (2):
V2

A=  p.dV

,p~V

V1

+Nếu p = const → A = p (V2 – V1)

12


3. Nhiệt lượng mà hệ nhận được trong quá trình
cân bằng
+ Nhiệt lượng Q mà hệ nhận được trong quá trình cân bằng
Q = mc. dT
(J )
m (kg) : khối lượng hệ. dT :độ biến thiên nhiệt độ
c (J/kg.độ) :nhiệt dung riêng
+ Quá trình từ trạng thái (1) → (2):
T2

Q=

 m c dT

,c~T

T1

+ Nếu c = const : →

Q  m c (T2  T1 )
13


Lưu ý:
Nhiệt dung riêng

c

Q
m dT

là nhiệt lượng cần thiết để một đơn vị khối lượng (kg) của
hệ nhận được để đưa nhiệt độ của nó tăng lên 1 độ
Nhiệt dung riêng phân tử : C = µ c
.
là nhiệt lượng mà 1 kmol chất khí nhận được để nhiệt
độ của nó tăng lên 1 độ.
Vậy:
m
Q 

C dT




Bây giờ ta tính A , Q và U trong các q trình .
4. Trong q trình đẳng tích:

V = const. ⇒ dV = 0 ⇒ A = 0

nguyên lý I Qv = U (*)

- Nhiệt lượng mà hệ nhận được trong q trình đẳng
tích bằng độ tăng nội năng của hệ.
Từ (*)

m



Cv T 
Cv 

m i
R T
 2
i
R
2

(nhiệt dung phân tử đẳng tích)


5. Trong quá trình đẳng áp

m
R (T2  T1 )
- p = const. ⇒ dp = 0 ⇒ A  p (V2  V1 ) 

- Nguyên lý I : Qp = ∆U + A
Từ (*)

m
m i
m
Cp ΔT =
R ΔT + R ΔT
μ
μ 2
μ

Cp 

Ta suy ra :

(*)

i2
R
2

Cp – Cv = R

(nhiệt dung phân tử đẳng áp)
( hệ thức Mayer )


6. Trong quá trình đẳng nhiệt
- T = const. ⇒ dT = 0 ⇒ ∆U = 0 Nguyên lý I

QT = AT

- Nhiệt lượng mà hệ nhận được đều biến thành
công mà hệ sinh ra.
V2

QT  AT  
V1

m

m
p.dV  R T


V2



V1

dV
V

V2
m
P1
AT  RT ln
 RT ln

V1

P2

Vì P1V1 = P2 V2


7. Trong quá trình đoạn nhiệt
-

Aq = - U
m i

R T
 2
Công mà hệ sinh ra bằng độ giảm nội năng của hệ.
Qq = 0

Nguyên lý I

- Ta thấy rằng: khi hệ dãn nở đoạn nhiệt (sinh cơng) thì
lạnh đi (tức nội năng giảm). Ngược lại, khi hệ bị nén đoạn
nhiệt thì nóng lên .


TV  - 1 = const
pV = const

(phương trình Poisson)

1-γ
γ

T.p = const
γ = Cp/Cv : hệ số Poisson hay chỉ số đoạn nhiệt


III. NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
ÁP DỤNG CHO HỆ THỐNG SỐNG
1. Các dạng công – năng lượng trong cơ thể
- Cơng : Có 4 dạng cơ bản
Cơng hóa học : là cơng sinh ra khi tổng hợp các hợp chất
cao phân tử ( protid , acid nucleotid .. ) từ các chất có trọng
lượng phân tử thấp và khi thực hiện các phản ứng hóa học
xác định .
Công cơ học : là công sinh ra khi dịch chuyển các bộ phận
, cơ quan trong cơ thể hay toàn bộ cơ thể nhờ lực cơ học (
co cơ ).

20

Công thẩm thấu : là công sinh ra khi vận chuyển các chất
khác nhau qua màng hay qua các hệ đa màng từ vùng có
nồng độ thấp sang vùng có nồng độ cao hơn.
Công điện : là công sinh ra khi vận chuyển các hạt mang
điện (các ion) trong điện trường, sinh ra điện thế sinh vật
và dẫn truyền kích thích trong tế bào.


Năng lượng :
Là năng lượng hóa học của thức ăn (protid, lipid,
glucid) tỏa ra khi bị oxy hóa. Đối với thực vật , là năng
lượng mặt trời dự trữ trong quá trình quang hợp. Năng
lượng này cũng được động vật sử dụng khi ăn thực vật.
Đầu tiên năng lượng được chuyển thành liên kết cao
năng của những chất nào đó mà chủ yếu là adenosin
triphosphat (ATP) chiếm 50%. Sau đó ATP phân hủy
trong những tổ chức tương ứng của tế bào và giải
phóng tại đó nguồn năng lượng cần thiết sinh cụng.
ATP + H2 O ã
ă ADP + H3PO4 + (7 ~ 8,5 Kcal )

22


ATP

Q1
Năng lượng

mặt trời và
thức ăn

Q1

Q1
Công cơ
học

Q2

Q1
Công hóa học

Q2

Q1
Công thẩm thấu

Q2

Công điện

Q2

ADP + P

Sơ đồ sự chuyển hóa năng lượng trong cơ thể

23

2. Nhiệt sơ cấp Q1 và nhiệt thứ cấp Q2 :
Nhiệt sơ cấp (hay nhiệt cơ bản) :
- Là lượng nhiệt tán xạ trong quá trình trao đổi chất
(Tổng hợp ,phân hủy ATP ) được quy định bởi tính bất
thuận nghịch của các phản ứng hóa sinh và lý sinh.
- Tỷ lệ với cường độ quá trình trao đổi chất và tỷ lệ
nghịch với hiệu suất của chúng.

Nhiệt thứ cấp (hay nhiệt hoạt động ):
- Là lượng nhiệt sinh ra trong các q trình sinh
cơng khác nhau
- Tỷ lệ với hoạt tính của mơ , hoạt động co cơ.

24


3. Nguyên lý thứ nhất NĐLH học áp dụng cho
hệ thống sống
Q : nhiệt lượng sinh ra trong quá trình đồng hóa thức ăn .
M : năng lượng dự trữ dưới dạng hóa năng ( phân tử ATP,
ADP…) trong cơ thể .
E : năng lượng mất mát vào môi trường xung quanh (năng
lượng khuyếch tán ).
A : công cơ học cơ thể thực hiện đối với mơi trường bên ngồi
Ngun lý thứ nhất NĐLH áp dụng cho hệ thống sống được viết :

Q = M + E + A
(phương trình cơ bản về cân bằng nhiệt đối với cơ thể người.)

25