Bài giảng lý sinh: Nhiệt sinh học pdf

CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
§1. Một số khái niệm:
1.1. Hệ nhiệt động:
- Khái niệm: Tập hợp các vật thể, phân tử,
nguyên tử,… giới hạn trong một
không gian nhất định.
- Ví dụ: Một thể tích nước trong bình, một
khối khí trong xy lanh, một
cơ thể sinh vật, một tế bào sống,
BÀI GIẢNG LÝ SINH
BÀI GIẢNG LÝ SINH

- Phân loại: 3 loại
+ Hệ nhiệt động cô lập: Không trao đổi vật chất và năng lượng với bên ngoài (nước trong một
phích kín, cách nhiệt tốt)
+ Hệ nhiệt động kín (hệ đóng): Trao đổi năng lượng, không trao đổi vật chất (nước trong phích
kín nhưng cách nhiệt kém).
+ Hệ nhiệt động mở: Trao đổi vật chất và năng lượng (nước trong phích hở, cơ thể sống của
sinh vật,
1.2. Thông số trạng thái
1.2. Thông số trạng thái
- Khái niệm: Các đại lượng đặc trưng cho trạng thái của một hệ nhiệt động
- Ví dụ :
+ Hệ nhiệt động vật lý (như hệ khí,…):
N, V, P, T, U, S ,…
+ Hệ nhiệt động là tế bào sống:
Nồng độ chất, nồng độ ion, độ pH, áp suất thẩm thấu,…
Khi hệ thay đổi trạng thái thì các thông số
của hệ cũng thay đổi (theo những quy luật nhất định - quy luật nhiệt
động)

- Trạng thái cân bằng:
Các thông số trạng thái không thay đổi theo thời gian
Đạo hàm các thông số trạng thái của hệ theo thời gian = 0
- Quá trình cân bằng:
Quá trình biến đổi của hệ gồm một chuỗi liên tiếp các
trạng thái cân bằng
Ví dụ:
+ Nén (dãn) vô cùng chậm khí trong một xy lanh có pit tông :
Sự mất cân bằng n (hay P) của lớp khí sát mặt pít tông với các vùng khác trong
hệ luôn kịp được san bằng bởi sự chuyển động hỗn loạn của các phân tử
hệ luôn ở các trạng thái cân bằng về n (hay P)
+ Truyền nhiệt diễn ra vô cùng chậm của vật nóng cho vật lạnh:
Chuyển động nhiệt hỗn loạn của các phân tử trong vật kịp san bằng chênh lệch nhiệt
độ trong suốt quá trình truyền nhiệt vật luôn ở các trạng thái cân bằng nhiệt độ.
- Quá trình thuận nghịch:
+ Quá trình biến đổi của hệ từ trạng thái này sang trạng thái khác, có thể thực hiện
quá trình ngược lại
+ Quá trình ngược: Hệ trải qua tất cả các trạng thái trung gian như quá trình thuận.
+ Quá trình thuận nghịch chỉ có thể là tập hợp của các trạng thái cân bằng
là quá trình cân bằng.
- Quá trình bất thuận nghịch:
+ Quá trình biến đổi, quá trình ngược lại không thể tự xảy ra
+ Xảy ra quá trình ngược, làm môi trường xung quanh có thay đổi
+ Hệ không trải qua các trạng thái trung gian như quá trình thuận.
Ví dụ: Quá trình truyền nhiệt, quá trình biến đổi công thành nhiệt,….
+ Các quá trình xảy ra trong tự nhiên thường là bất thuân nghịch.
1.3. Nhiệt độ và đo nhiệt độ
1.3. Nhiệt độ và đo nhiệt độ
- Cảm giác của con người:
Một vật hay một môi trường là nóng, ấm hay lạnh, mát,…(Mang tính chủ

quan, phụ thuộc vào trạng thái tâm, sinh lý của người quan sát).
- Đánh giá một cách khách quan mức độ nóng, lạnh,…của đối tượng quan sát ?
Dùng nhiệt độ.
- Nguyên tắc đo nhiệt độ:
Dựa trên sự thay đổi theo nhiệt độ của một tính chất nào đó của vật
chất: Độ dài, thể tích, điện trở,…
- Dụng cụ đo nhiệt độ:
gọi là nhiệt kế
- Nhiệt kế thường dùng:
+ Nhiệt kế thủy ngân: Sự thay đổi V thủy ngân theo t
0
+ Nhiệt kế điện trở: Sự thay đổi R của kim loại theo t
0
+ Nhiệt kế nhiệt điện: Sự thay đổi theo t
0
của hiệu điện
thế tiếp xúc giữa hai kim loại),…
- Tùy theo quy ước lấy các điểm chuẩn khác nhau mà có các thang nhiệt độ (nhiệt giai) khác
nhau: Reomur (
0
R), Fahreinheit (
0
F),.

100
0
C 373,16
0
K 80
0

R 212
0
F


0
0
C 273,16
0
K 0
0
R 32
0
F
n
0
C = (0,8. n)
0
R =(1,8n + 32)
0
F
- Chú ý:
+ Thang nhiệt độ Kelvin dựa trên cơ sở nhiệt độ chỉ là đại lượng phản ánh mức độ
chuyển động, phản ánh động năng trung bình của các phân tử trong hệ nhiệt động mà
không phụ thuộc các vật chất cụ thể dùng trong các hệ đó.
+ Liên hệ số đo nhiệt độ của thang nhiệt độ Kelvin (T) và thang nhiệt độ Celsius (t):
T
0
= t
0

C + 273,16
0

1.4. Gradien (grad)
1.4. Gradien (grad)
- Khái niệm:
+ Gradien của một đại lượng vật lý là đại lượng có trị số bằng độ biến thiên của
đại lượng đó trên một đơn vị dài:
gradU =
+ Dạng véc tơ:

với là véc tơ đơn vị theo chiều U tăng.
dx
dU
n
=Ugrad
dx
dU
n
- Ví dụ:
+ Gradien của nồng độ: gradC =
+ Gradien của điện thế: gradV =
- Trong tế bào sống luôn tồn tại nhiều loại gradien, nó là một đặc trưng cho tế bào
sống:
dx
dC
dx
dV
+ Gradien nồng độ:
Hình thành do sự phân bố không đồng đều của các chất hữu cơ và vô cơ giữa các

phần của tế bào hoặc trong và ngoài tế bào
+ Gradien thẩm thấu
Do chênh lệch áp suất thẩm thấu, đặc biệt là áp suất thẩm thấu keo giữa
bên trong và ngoài tế bào.
+ Gradien màng
Do phân bố không đồng đều các chất có phân tử lượng khác nhau ở hai phía
màng tế bào
Nguyên nhân: Màng tế bào có tính bán thấm, cho các phân tử nhỏ đi qua
dễ dàng, nhưng các phân tử có phân tử lượng lớn thì rất khó thấm vào hoặc giải phóng ra
khỏi tế bào.
+ Gradien độ hòa tan
Xuất hiện ở hai pha không trộn lẫn, do sự hòa tan các chất của hai pha khác nhau (như pha
lipit và protein trong tế bào,…)
+ Gradien điện thế
Xuất hiện do sự chênh lệch về điện thế ở hai phía màng tế bào, khi có phân bố không đều
các ion như Na
+
, K
+
,…
+ Gradien điện hóa:
Tổng gradien nồng độ và gradien điện thế, xuất hiện khi có sự phân bố không
đều các hạt mang điện ở trong và ngoài tế bào.
- Nói chung, khi tế bào chết thì gradien mất đi.
§2. Nguyên lý I nhiệt động học với hệ
§2. Nguyên lý I nhiệt động học với hệ
sinh vật
sinh vật
2.1. Nội năng, công, nhiệt lượng:


2.1.1. Nội năng (U):
- Khái niệm:
+ Toàn bộ năng lượng chứa trong hệ.
+ Năng lượng chuyển động nhiệt, năng lượng dao động của
các phân tử, nguyên tử, năng lượng chuyển động của các electrron, năng
lượng hạt nhân,…
+ Năng lượng tương tác của hệ với bên ngoài và động năng
chuyển động của cả hệ không được tính vào nội năng.
- Đơn vị đo nội năng là jun (J)
◦
Đặc điểm: Mỗi trạng thái của hệ tương ứng có
một nội năng xác định, khi hệ thay đổi
trạng thái thì nội năng thay đổi Nội năng
là hàm trạng thái của hệ
- Hệ thực hiện một quá trình kín và trở về trạng thái ban đầu: ΔU = 0
- Hệ từ trạng thái 1 biến đổi sang trạng thái 2

ΔU =
12
2
1
UUdU
U
U
−=
∫
2.1.2. Công (A)
2.1.2. Công (A)
- Khái niệm:
Số đo phần năng lượng trao đổi giữa hai hệ sau quá trình tương

tác mà kết quả là làm thay đổi mức độ chuyển động định hướng của
một hệ nào đó.
- Ví dụ:

+ Hệ khí trong xy lanh dãn nở đẩy pit tông chuyển động hệ khí
đã truyền cho pít tông năng lượng dưới dạng công,
+ Đá một quả bóng làm nó chuyển động quả bóng đã nhận
được năng lượng dưới dạng công.
- Đặc điểm: Công phụ thuộc vào quá trình biến đổi hệ ở
một trạng thái xác định không có trao đổi năng lượng: A = 0
- Một hệ khí trong xy lanh có pít tông, khi dãn nở từ V1 sang V2 sẽ thực hiện công:
A =
- Trong hệ sinh học luôn tồn
tại các quá trình thực hiện công.
Công sinh học: Công mà cơ thể sinh vật sinh ra trong quá trình sống của chúng. Có nhiều
dạng:
∫
2
1
V
V
pdV
+ Công cơ học: Do cơ thể sinh ra khi có sự dịch chuyển các bộ phận,
các cơ quan trong nội bộ cơ thể sinh vật hoặc toàn bộ cơ thể sinh vật.
Ví dụ:
* Công sinh ra khi hô hấp: Được thực hiện bởi các cơ hô hấp để thắng tất cả
các lực cản khi thông khí.
* Công của tim thực hiện khi đẩy máu vào mạch và đẩy máu chuyển động
theo một chiều xác định,…
* Công sinh ra khi động vật chạy, khi côn trùng bay,…

+ Công hóa học:
Công tổng hợp các chất cao phân tử sinh vật từ các phân tử có phân tử
lượng thấp hơn: Tổng hợp protein, axit amin, axit nucleic từ
mononucleotit, tổng hợp gluxit từ monosacarit,…
+ Công điện:
Sinh ra khi dịch chuyển các ion trong điện trường, thực hiện khi xuất
hiện điện thế sinh vật, khi dẫn truyền kích thích trong tế bào, dẫn truyền
xung thần kinh,…
+ Công thẩm thấu (vận chuyển các chất ngược chiều gradien nồng độ),
công vận chuyển các ion ngược chiều grdien điện thế,…
2.1.3. Nhiệt lượng (Q)
2.1.3. Nhiệt lượng (Q)


- Khái niệm:
Số đo phần năng lượng trao đổi giữa hai hệ sau quá trình tương tác thông qua sự
trao đổi trực tiếp năng lượng giữa các phân tử chuyển động hỗn loạn trong các hệ đó.
- Ví dụ:
Phần năng lượng truyền từ vật nóng cho vật lạnh khi tiếp xúc nhau.