LÝ SINH ĐẠI CƯƠNG - NHIỆT ĐỘNG HỌC docx

116
CHƯƠNG II
NHIỆT ĐỘNG HỌC
117
I.MỘT SỐ KHÁI NIỆM
1. Nhiệt động học:
Là môn học nghiên cứu sự chuyển hóa
năng lượng của các quá trình trong hệ nhiệt
động cũng như khả năng, chiều hướng và
giới hạn của các quá trình đó.
118
2. Cân bằng nhiệt động:
Là trạng thái mà hệ không có bất kỳ sự biến đổi
nào và các thông số trạng thái không biến đổi
theo thời gian.
Khi ở trạng thái cân bằng nhiệt động thì hệ không
còn khả năng sinh công.
119
3. Hệ nhiệt động:
Là một tập hợp của số lượng lớn những
phần tử vật chất được giới hạn trong một
không gian nhất định cách biệt với môi
trường chung quanh.
Có 3 loại hệ nhiệt động:
120
a) Hệ biệt lập:Không trao đổi vật chất và
năng lượng với môi trường chung quanh
b) Hệ đóng: Không trao đổi vật chất nhưng
có trao đổi năng lượng với môi trường
chung quanh
c) Hệ mở: Có trao đổi vật chất và năng lượng

với môi trường chung quanh
121
4) Cơ thể sống là hệ nhiệt động mở :
Cơ thể sống là một tập hợp của những phân
tử vô cơ và những biopolymer.
Trong suốt quá trình sống, cơ thể không
nhừng có sự trao đổi vật chất và năng
lương với môi trường chung quanh.
Vậy cơ thể sống là là một hệ nhiệt động mở
122
II.CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG
TRONG HỆ SỐNG
I.Nguyên lý 1:(Về bảo toàn năng lượng)
Nhiệt lượng Q mà hệ nhận được trong
một quá trình bất kỳ sẽ bằng công A mà
hệ sinh ra cộng với sự biến đổi nội năng
của hệ
 Q =  A +  U
 Q > 0 Khi hệ thu nhiệt
 Q < 0 Khi hệ mất nhiệt
123
La Voizier và Laplace (1780) đã làm thí
nghiệm dựa trên nguyên lý hiệu ứng nhiệt
của Hezt như sau:
“Nhiệt lượng tỏa ra (hoặc thu vào) trong các
phản ứng hoá học không phụ thuộc vào quá
trình phản ứng mà chỉ phụ thuộc vào dạng và
trạng thái của những chất tham gia phản ứng
và sản phẩm của nó ”ù.
Tuân theo sự bảo tồn năng lượng

Nguyên lý nầy thể hiện trong cơ thể sống
qua những điểm cơ bản sau:
124
Thí dụ:
C + O
2
= CO
2
+ Q
Quá trình nầy có 2 giai đoạn:
C + O
2
= CO +
1
/
2
O
2
+ Q
1
CO +
1
/
2
O
2
= CO
2
+ Q
2

Q = Q
1
+ Q
2
125
C
6
H
12
O
6
+ 6O
2
 6CO
2
+ 6H
2
O + 678 Kcal
La Voizier và Laplace (1780) đã làm thí
nghiệm sau:
126
Kết quả cho thấy:
Q  U
Sở dĩ như vậy là vì ta đã giả định A = 0
Trên những thiết bị hiện đại hơn Etoiter
(1904) đã thu được kết quả cho thấy sự sai
lệch không đáng kể giữa Q và U
Không thể chuyển trực tiếp từ nhiệt thành
công
127

Không hoạt động theo nguyên lý của
máy nhiệt
2
12
T
TT
n%


Nếu cơ thể hoạt động như máy nhiệt với hiệu
suất 30% (hiệu suất nầy thấp hơn trong thực
tế ) và nhiệt độ môi trường chung quanh là 20
0
C độ buồng đốt (cơ thể) phải là:
Hiệu suất máy nhiệt:
0.3 T
1
= T
1
- 293
0
K
T
1
= 418,6
0
K Hay T
1
= 135,6
0

C
1
1
T
20)
(273T
0.3



128
Vậy nguyên lý 1 trong cơ thể sống:
* Tuân theo nguyên lý I nhiệt động học thể
hiện qua thí nghiệm của La Voizier và Etoiter
trên chuột cách ly.
*Không thể sinh công từ nhiệt được chuyển
trực tiếp từ bên ngoài
*Hoạt động sinh công của cơ thể sống hoàn
toàn khác với một máy nhiệt
129
2.Nguyên lý 2:
- Gradien
- Entropy
- Năng lượng tự do
Cho biết khả năng cũng như xu hướng
biến đổi của các quá trình trong hệ.
Đối với hệ sống người ta xét trên 3 đại
lượng sau:
130
Đặc điểm :

- Là độ biến thiên giá trị của thông số nào đó
trên một đơn vị chiều dài.
- Gradien là một đại lượng vectơ
- Gradien trong hệ biệt lập luôn có xu hướng
tiến đến 0.
a) Gradien:
131
Trong hệ sống:
*Trong cơ thể sống tồn tại đồng thời nhiều
gradien và chúng có thể tương tác lẫn nhau
(Aùp suất thẩm thấu, điện thế, nồng độ….)
*Các hoạt động sống gắn liền với sự tồn tại
của các gradien nầy.
132
b) Entropy:
*Định nghĩa theo nhiệt độ và nhiệt lượng
(Clausius)
T
Q
S 
Entropy của hệ khi ở trạng thái 2:
1
1
1
T
Q
S 
2
2
2

T
Q
S 
Vậy Entropy của hệ khi ở trạng thái 1:
133
Khi chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2
thì sự biến thiên của Entropy sẽ là:
T
dQ
dS 
Sự biến thiên của Entropy trong hệ nhiệt động
biệt lập luôn luôn lớn hơn hoặc bằng không
0
T
dQ
dS 
134
Entropy là đại lượng đặc trưng cho mức độ
hỗn loạn về sự phân bốù các phần tử trong
hệ và được định nghĩa như sau:
S = k.lnW
k- Hằng số Boltzman
W- Xác suất nhiệt động
* Định nghĩa theo trạng thái của hệ
(Boltzmann):
135
Để minh họa ta lấy thí dụ sau:
!n! n!n
!
n

N
k21

136
Trạng thái số trạng thái xác suất
N W
1 1/16
4 4/16
• 6
6/16
4 4/16
1 1/16
6
6/16
137
Entropy của hệ gồm nhiều phân hệ bằng tổng
Entropy của các phân hệ:



n
1i
i
SS
Cơ thể sống là hệ nhiệt động mở gồm 2 phân
hệ với sự biến thiên của Entropy như sau:
* dS
i
-là sự biến thiên Entropy trong nội bộ
của hệ

* dS
e
- là sự biến thiên Entropy do cơ thể trao
đổi vật chất và năng lượng với môi trường
138
Vậy sự biến thiên Entropy của cơ thể sống
bằng tổng sự biến thiên của 2 Entropy thành
phần:
dS = dS
i
+ dS
e
+ dS
i
 0
+ dS
e
có thể lớn hơn,nhỏ hơn hoặc bằng
không
- dS
e
< 0 khi Đồng hoá>Dị hoá (hệ nhận
năng lượng)
- dS
e
= 0 khi Đồng hoá=Dị hoá
- dS
e
> 0 khi Đồng hoá < Dị hoá (hệ mất
năng

lư
ợ
ng
)
139
Do đó sự biến thiên Entropy trong cơ thể sống
có thể xảy ra như sau:
+Khi dS
e
 0 dS > 0
+Khi dS
e
<0
Nếu | dS
e
| = | dS
i
| dS = 0
Nếu | dS
e
| > | dS
i
| dS <
0
140
c) Năng lượng tự do:
Dựa vào nguyên lý I
TdS = dU + A
- A = dU - TdS
- A là công hữu dụng (hiệu suất) mà

hệ có thể sản sinh khi có sự biến đổi nội năng
T
dQ
dS 
Theo định nghĩa về theo phương diện
nhiệt của Entropy ta có: