nhiệt động học của hệ thống sống

CHƯƠNG I
NHIỆT ĐỘNG HỌC CỦA HỆ THỐNG SỐNG
Các cơ thể sống và các tế bào cấu tạo nên chúng không phải là những cái
máy nhiệt mà là những máy chuyển hoá, chúng biến đổi năng lượng hoá học
trong các hợp chất hữu cơ thành điện năng, cơ năng, năng lượng thẩm thấu hoặc
thành một dạng năng lượng khác nào đó mà các sinh vật có thể sử dụng được.
Mỗi tế bào, cơ thể sống đều có các cơ chế phức tạp và hiệu quả để biến
đổi năng lượng. Năng lượng ánh sáng mặt trời là nguồn năng lượng duy nhất
cho tất cả các quá trình sống trên trái đất. Mặt trời là nguồn năng lượng vô tận,
hàng năm bề mặt trái đất tiếp nhận khoảng 3 x 10
24
J ( Joule ). Trong khi đó
toàn bộ nguồn dự trữ dầu mỏ, khí đốt, than đá, quặng Uranium của trái đất chỉ
tương đương khoảng 2,5 x 10
22
J.
Những đặc điểm đặc trưng của cơ thể sống : Sự trao đổi chất và năng
lượng thể hiện qua hai quá trình đồng hoá và dị hoá. Khả năng vận động, khả
năng cảm ứng, khả năng sinh trưởng, phát triển, sinh sản và khả năng thích nghi
với môi trường.
Nhiệt động học là môn khoa học về biến đổi năng lượng. Sự tồn tại và
mọi hoạt động của cơ thể sống đều liên quan mật thiết tới sự thay đổi và cân
bằng năng lượng trong hệ “ cơ thể - môi trường “.
Hiện nay có 2 phương hướng quan trọng ứng dụng nhiệt động học trong
sinh học. Hướng thứ nhất là những tính toán biến đổi năng lượng trong cơ thể
sống, trong những hệ thống riêng biệt, trong những cơ quan ở trạng thái nghỉ
ngơi và khi thực hiện công.
Ví dụ : Khi co cơ, khi truyền rung động thần kinh.v.v
Hướng thứ hai nghiên cứu cơ thể sống như một hệ thống nhiệt động hở
dẫn đến nghiên cứu các quá trình.
Ví dụ : Sự vận chuyển tích cực các chất qua màng tế bào và sự xuất hiện

điện thế sinh vật.
I.Một số khái niệm cơ bản
1. Hệ thống :
Một vật hay một đối tượng cấu tạo bởi số lớn các hạt gọi là hệ thống.
Kích thước của hệ thống luôn lớn hơn rất nhiều kích thước của hạt cấu
tạo nên nó. Tuỳ theo mối quan hệ của nó với môi trường xung quanh mà người
ta phân biệt làm 3 hệ thống.
- Hệ thống cô lập là hệ thống không có quá trình trao đổi vật chất và năng
lượng với môi trường xung quanh ( Vũ trụ là hệ cô lập )
- Hệ thống kín : là hệ thống chỉ trao đổi năng lượng mà không trao đổi
vật chất với môi trường ngoài.
- Hệ thống hở : là hệ thống trao đổi cả năng lượng và vật chất với môi
trường xung quanh ( cơ thể sống là hệ thống hở )
Cơ thể sống là một hệ thống hở vì cơ thể sống muốn tồn tại và phát triển
phải luôn trao đổi năng lượng và vật chất với môi trường ngoài.
Ngoài ra hệ sinh vật là hệ dị thể bởi vì trong hệ này có nhiều bề mặt phân
chia ngăn cách các phần có tính chất hoá lý khác nhau.
2. Trạng thái : Là tập hợp tất cả các tính chất vật lý, hóa học của hệ đặc
trưng cho trạng thái của hệ. Do đó khi có một trong các tính chất đó của hệ thay
đổi thì trạng thái của hệ cũng thay đổi.
Những đại lượng đặc trưng cho trạng thái của hệ gọi là các tham số trạng
thái. Ví dụ : Nhiệt độ t
0
, áp suất P, thể tích V, năng lượng Q, entropy ( S )
- Đẳng nhiệt : là quá trình xảy ra ở điều kiện t
0
không đổi.
- Đẳng áp : là quá trình xảy ra ở điều kiện P không đổi.
- Đẳng tích : là quá trình xảy ra ở điều kiện V không đổi.
- Đoạn nhiệt : là quá trình xảy ra không có quá trình trao đổi nhiệt lượng

giữa hệ thống với môi trường.
3.Năng lượng, nhiệt lượng và công :
Năng lượng là độ đo dạng chuyển động và tương tác của vật chất khi nó
chuyển từ dạng này sang dạng khác.
Sự truyền năng lượng được thực hiện dưới hai hình thức khác nhau : đó
là sự truyền nhiệt lượng và sự thực hiện công cơ học.
- Nhiệt lượng là phần năng lượng chuyển động nhiệt đã được truyền từ
vật này đến vật khác.
- Công cơ học là phần năng lượng đã được biến đổi từ dạng này sang
dạng khác hoặc là phần năng lượng ( trừ trường hợp năng lượng chuyển động
nhiệt ) đã được truyền từ nơi này đến nơi khác.
+ Đơn vị đo nhiệt lượng là calo ( Cal ) : là nhiệt lượng để làm nóng 1
gam ( g ) nước ở áp suất chuẩn ( p = 760 mm Hg ) từ 19,5
0
C đến 20,5
0
C.
1Kcal = 1000 Cal
Trong các quá trình biến đổi, một hệ nào đó sinh công, hiện tượng nhiệt
thông thường kéo theo là có sự nóng lên của hệ chuyển động hoặc của hệ cản
chuyển động. Điều này có nghĩa là công có thể biến thành nhiệt lượng.
Căn cứ vào bản chất vật lý của nhiệt lượng và công cơ học thì hai đại
lượng này phải đo cùng đơn vị. Bằng nhiều thí nghiệm thực hiện nhiều lần từ
năm 1843 đến năm 1878, Jun đã thiết lập được sự tương đương về lượng giữa
nhiệt và công.
2
J =
Q
A
= 427 kgm/Kcal = 4,18 J/Cal.

1 Cal = 4,18 J
1 Kcal = 427 Kgm
4. Nội năng ( U ) :
Nội năng của hệ là năng lượng dự trữ toàn phần của tất cả các dạng
chuyển động và tương tác của các phân tử nằm bên trong hệ.
Ví dụ : Nội năng bao gồm : Năng lượng chuyển động nhiệt, năng lượng
dao động của các phân tử, nguyên tử, năng lượng điện tử quỹ đạo, năng lượng
hạt nhân Nội năng U của hệ luôn luôn tăng do phụ thuộc vào trạng thái của hệ.
Động năng của chuyển động tập thể của hệ, thế năng tương tác của hệ đối
với môi trường xung quanh không được kể là thành phần của nội năng.
Mỗi hệ đều có một nội năng U xác định, ta không thể xác định được giá
trị tuyệt đối U của nó, nhưng hoàn toàn xác định lượng thay đổi của nó là dU.
Nội năng của hệ chỉ phụ thuộc vào các trạng thái của hệ nên nó là hàm
trạng thái, chúng ta chỉ tính được sự tăng trưởng của nội năng : (
∆
U )
+ Nếu hệ tăng trưởng từ trạng thái này đến trạng thái khác, sau đó chuyển
về trạng thái ban đầu thì
∆
U = 0.
+ Nếu hệ từ trạng thái (1) chuyển sang trạng thái (2) ta có :
∆
U =
∫
2
tt
tt
1
dU
= U

2
- U
1

0≠
II.Định luật thứ nhất của nhiệt động học ( Định luật bảo toàn năng
lượng )
1.Nội dung định luật
Định luật này được hình thành qua các công trình nghiên cứu của
Lomonoxop ( 1744 ); G.I. Hexe ( 1836 ); Majơ ( 1842 ); Hembơn ( 1849 ); Jun
(1877 ) và nhiều nhà bác học khác.
Định luật thứ nhất nhiệt động học có nhiều cách phát biểu, một trong
những cách phát biểu đó là định luật bảo toàn năng lượng.
Nội dung định luật :
Năng lượng không tự nhiên sinh ra và không tự nhiên mất đi mà nó chỉ
biến đổi từ dạng này sang loại khác.
Trong một hệ nhiệt động cô lập, biểu thức toán học của định luật có dạng
như sau :
∆U = ∆Q - ∆A
∆ U : Sự biến thiên nội năng của hệ
∆ Q : nhiệt lượng do hệ nhận được
3
∆ A : Công do hệ sản ra.
Từ biểu thức trên định luật thứ nhất nhiệt động học có thể phát biểu như
sau : “ Sự biến thiến nội năng của hệ bằng nhiệt do hệ nhận được trừ đi công do
hệ sản ra “.
- Từ biểu thức trên ta thấy nếu ∆Q = 0 thì ∆A = - ∆U, nghĩa là nếu không
cung cấp nhiệt lượng cho hệ, hệ muốn sinh công ∆A thì buộc phải giảm nội
năng một lượng ∆U
- Trường hợp ∆Q = 0, mà ∆U = 0 ( giả sử khi ấy hệ thực hiện một chu

trình ) thì buộc phải có ∆A = 0; điều này chứng tỏ hệ không thể sinh công, điều
này chứng tỏ là không thể tồn tại những động cơ vĩnh cửu loại 1.
2.Hệ quả của định luật I nhiệt động học ( định luật Hexơ )
Năng lượng sinh ra bởi quá trình hoá học phức tạp không phụ thuộc vào
các giai đoạn trung gian mà chỉ phụ thuộc vào trạng thái ban đầu và cuối cùng
của hệ hoá học.
Ví dụ minh hoạ :
E = E
1
+ E
2
= E
3
+ E
4
+ E
5
.
A
1
, A
2
, A
3
là các chất ở trạng thái ban đầu.
B
1
, B
2
, B

3
là các sản phẩm ở trạng thái cuối cùng.
( C )
E
1
E E
2
A
1
, A
2
, A
3
B
1
, B
2
, B
3
E
3
E
4
E
5
( D ) ( F )
Khi đốt cháy Cacbon theo 2 cách sau đều thu được năng lượng như nhau.
Cách 1 : C + ½ O
2
= CO + 26,42 Kcal

CO + ½ O
2
= CO
2
+ 67,63 Kcal
∑ 94,05 Kcal
Cách 2 : C + O
2
= CO
2
+ 94,05 Kcal
Đối với hệ sinh vật, định luật Hexơ cho phép xác định hiệu ứng nhiệt của
nhièu phản ứng hoá sinh, nhất là các phản ứng phức tạp mà cho tới nay vẫn
chưa biết các giai đoạn trung gian của chúng.
3.Ứng dụng của định luật I nhiệt động học vào hệ thống sống
Cơ thể sống ( tế bào, mô, cơ quan ) không thể làm việc như một máy
nhiệt. Công không thể thực hiện do nguồn nhiệt từ bên ngoài đưa vào mà phải
do sự thay đổi nội năng hoặc entropy của hệ.
4
Theo biểu thức vật lý hệ số hữu ích của một máy nhiệt được xác định như sau :
η =
1
2
T
T
1
T
T
1
: Nhiệt độ tuyệt đối của nguồn nhiệt

T
2
: Nhiệt độ tuyệt đối nơi làm lạnh
Ví dụ : Giả sử cơ làm việc như một máy nhiệt có hệ số hữu ích là 33%
(1/3 ). Nhiệt độ nơi làm lạnh là T
2
= 25
0
C = ( 25 + 273 = 298
0
K )
Thay vào biểu thức trên ta có :
1
T
298−
1
T
=
3
1

Suy ra : T
1
= 447
0
K hay T
1
= 174
0
C

Điều này không phù hợp vì nhiệt độ 174
0
C, cơ với bản chất là protein sẽ
bị biến tính, vậy cơ làm việc không như một máy nhiệt.
Trong cơ thể sống công được sinh ra do sự thay đổi nội năng của hệ nhờ
các quá trình hoá sinh hoặc nhờ thay đổi yếu tố entropy
4.Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp và ứng dụng
Lavoadie và Laplaxơ ( 1780 ) đã đo nhiệt lượng và CO
2
của chuột nhắt
thải ra khi nuôi chúng trong nhiệt lượng kế. Đồng thời xác định lượng nhiệt thải
ra khi đốt lượng thức ăn tương đương mà chúng tiêu thụ tới CO
2
trong bom
nhiệt lượng ( calorimeter ).
Phương pháp của Lavoadie và Laplaxơ thường được gọi là phương pháp
nhiệt lượng kế gián tiếp, chủ yếu dựa trên cơ sở lượng O
2
tiêu thụ và lượng CO
2
do cơ thể thải ra ở động vật máu nóng có liên quan chặt chẽ với nhiệt lượng
thức ăn đưa vào cơ thể.
Ví dụ : Quá trình oxy hoá glucoza
C
6
H
12
O
6
+ 6 O

2
= 6 CO
2
+ 6 H
2
O + 678 Kcal
180 g (134,4 lít ) ( 134,4 lít )
Như vậy khi oxy hoá 180 g glucoza cần tiêu thụ 6 phân tử gam O
2
(134,4lít) hay tạo ra 6 phân tử gam CO
2
( 134,4 lít ) kèm theo thải lượng nhiệt là
678 Kcalo.
Như vậy tiêu thụ 1 lít O
2
hay thải 1 lít CO
2
kèm theo giải phóng 5,047 Kcal.
Người ta gọi là đương lượng nhiệt của Oxy ( O
2
) ( ĐNO )
- Khi Oxy hóa gluxit ĐNO là 5,05 Kcal
- Khi Oxy hóa lipit ĐNO là 4,69 Kcal
- Khi Oxy hóa protit ĐNO là 4,60 Kcal
Dựa trên những số liệu của quá trình thải nhiệt trong cơ thể của bất kỳ loại
động vật nào cũng có thể tính toán theo lượng O
2
mà cơ thể tiêu thụ hoặc lượng
CO
2

mà cơ thể thải ra.
5
Nhiều thí nghiệm trên động vật và người đã chứng minh khi không sinh
công ở môi trường ngoài, nhiệt lượng tổng cộng do cơ thể sinh ra gần bằng nhiệt
lượng sinh ra khi đốt các chất hữu cơ nằm trong thành phần thức ăn cho tới khi
thành CO
2
và nước.
Nếu gọi ∆Q là lượng nhiệt sinh ra do quá trình đồng hóa thức ăn, ∆E là
phần mất mát năng lượng vào môi trường xung quanh, ∆A công do cơ thể thực
hiện để chống lại lực của môi trường bên ngoài, ∆U là năng lượng dự trữ dưới
dạng hóa năng thì định luật I áp dụng đối với hệ thống sống có thể viết dưới dạng.
∆Q = ∆E + ∆A + ∆U
Đây là phương trình cơ bản của cân bằng nhiệt đối với cơ thể người.
Ví dụ : Cân bằng nhiệt của một người trong một ngày đêm.
Thức ăn đưa vào cơ thể
Protein 56,8 g tạo 237 kcal
Lipit 140,0 g tạo 1307 kcal
Gluxit 79,9 g tạo 335 kcal
Tổng cộng 1879 kcal
Năng lượng toả ra
Nhiệt lượng toả ra xung quanh 1374 kcal
Khí thải 43 kcal
Phân và nước tiểu 23 kcal
Bốc hơi qua hô hấp 181 kcal
Bốc hơi qua da 227 kcal
Các hiệu đính khác 31 kcal
1879 kcal
Hiện nay người ta qui ước chia nhiệt lượng sinh ra trên cơ thể ra làm 2
loại: nhiệt lượng cơ bản ( sơ cấp ) và nhiệt lượng tích cực ( thứ cấp )

- Nhiệt lượng cơ bản xuất hiện do kết quả phân tán năng lượng nhiệt tất
nhiên trong quá trình trao đổi vật chất vì các phản ứng hóa sinh xảy ra không
thuận nghịch.
- Gần 50% năng lượng xuất hiện trong quá trình oxy hóa thức ăn được dự
trữ trong các liên kết giàu năng lượng ( ATP ). Khi các liên kết này đứt, chúng
giải phóng năng lượng để thực hiện một công nào đấy; rồi cuối cùng cũng biến
thành nhiệt. Dạng năng lượng này qui ước là nhiệt lượng thứ cấp ( tích cực )
Tuỳ theo điều kiện cơ thể tỷ lệ giữa hai loại nhiệt lượng này có thể thay đổi.
- Cơ thể ở trạng thái bình thường : dạng năng lượng tích cực chiếm 50%.
Ở trạng thái bệnh lý dạng năng lượng cơ bản chiếm ưu thế, dạng năng lượng ở
các liên kết cao năng sẽ giảm xuống.
6
- Tỷ lệ trên luôn phụ thuộc vào tỷ lệ cường độ toả nhiệt và cường độ sinh
nhiệt. Khi tăng sự toả nhiệt thì dẫn đến tăng sinh nhiệt để duy trì nhiệt độ ổn
định cho cơ thể. Lúc này cơ thể sử dụng dạng nhiệt lượng thứ cấp đã được dự trữ.
Ví dụ :
Động vật máu nóng khi gặp môi trường lạnh hơn nhiệt độ cơ thể, nhiệt
thường xuyên toả ra môi trường. Nhiệt lượng này là dạng nhiệt lượng tích cực
được sinh ra do co cơ.
Động vật ngủ đông duy trì nhiệt độ cơ thể bằng cách tiêu dần lượng mỡ
dự trữ trong cơ thể.
5. Một số quá trình biến đổi năng lượng trên cơ thể sống
a. Năng lượng trong quá trình co cơ
Hầu hết công do cơ thể tạo ra là kết quả của sự co cơ. Khi cơ co, chiều
dài bị rút ngắn và tạo nên một lực, lực này có giá trị phụ thuộc vào chiều dài cơ.
Gọi x là chiều dài cơ, dx là biến đổi rất nhỏ của chiều dài cơ, F(x) là lực
phát sinh do cơ co, ta có thể viết công A do cơ sinh ra là
A =
∫
2

x
x
1
dx f(x)
F
F
max
X
min
đồ thị trên người ta đưa ra một công thức gần đúng
A
max
= 0,45 F
max
. ∆x
max

Trong đó :
F
max
là lực lớn nhất do cơ sinh ra
∆x
max
là chiều dài bị rút ngắn lớn nhất của cơ
Trong thực tế cơ sử dụng năng lượng không phải chỉ dùng để tạo ra công
cơ học. Một phần lớn năng lượng đó được dùng để duy trì sự căng của cơ và
một phần tạo ra nhiệt năng. Hiệu suất của công do co cơ có thể tính bằng tỷ số
giữa công A
c
trong thực tế và công tổng cộng A

max
, đây là giá trị tương đương
mà cơ phải tạo ra công khi sử dụng một giá trị năng lượng nào đó.
7
η =
max
A
cA
*Hiệu suất này phụ thuộc vào giới tính và tuổi tác, đặc biệt thay đổi tuỳ
theo sự luyện tập của cơ.
Ví dụ : Sự phụ thuộc của hiệu suất vào lứa tuổi và giới tính
Ở đồ thị này, người ta thấy 100% là hiệu suất của lứa tuổi 25 - 28, đạt tới
tối đa.
*Nếu xét từng cơ riêng lẻ thì hiệu suất chỉ đạt khoảng 20 - 30%, tuy vậy
do sự phối hợp của nhiều cơ trong từng nhóm khi hoạt động nên hiệu suất cơ
thể lớn hơn ( 33% ).
+ Sự khác nhau của máy cơ học và bắp cơ của sinh vật là ở chỗ trong bắp
cơ một phần hoá năng được chuyển thẳng sang cơ năng và phần còn lại chuyển
sang nhiệt năng; trong lúc đó ở các máy cơ học trước hết các năng lượng phải
được chuyển thành nhiệt năng rồi từ đó mới chuyển sang cơ năng.
Năng lượng dùng khi co cơ lấy trực tiếp từ ATP. Lượng ATP có sẵn
trong cơ không nhiều, qua tính toán cho thấy lượng ATP có sẵn trong cơ không
đủ cho bắp cơ hoạt động trong một giây. Vì vậy để cơ hoạt động được liên tục
phải có quá trình tổng hợp ATP tại cơ. Việc tổng hợp này thực hiện được nhanh
chóng nhờ trong cơ có một hợp chất giàu năng lượng khác là photphocreatin.
ATP được tổng hợp trong cơ qua phản ứng sau đây.
Photphocreatin + ADP ATP + creatin
Quá trình tổng hợp này chỉ đủ cho cơ hoạt động trong mấy giây. Khi các
nguồn dự trữ này cạn, ATP được tổng hợp theo cơ chế khác nhờ sự phân huỷ
8

0
25
50
75
10
0
10 20 30 4
0
50 60 70
tuổi
η
%
glycogen. Glycogen là một dạng tích trữ của glucoza có nhiều trong cơ. Năng
lượng được giải phóng khi phân huỷ glycogen được dùng để tổng hợp ATP. Có
thể biểu diễn tổng quát quá trình đó như sau :
Glucoza + H
3
PO
4
+ 2 ADP 2Lactat + 2ATP + 2H
2
O
Khi lượng ATP được tổng hợp nhiều thì lượng lactat càng tích tụ nhiều
và kìm hãm quá trình tổng hợp ATP. Nhờ quá trình phân giải trên nên khi cơ co
mạnh mà máu nhất thời không cung cấp đủ để mang lại oxy cho các phản ứng
hoá sinh, cơ vẫn đủ năng lượng để hoạt động. Đây là quá trình cung cấp năng
lượng yếm khí cho cơ.
b. Năng lượng ở tim mạch
Tim hoạt động thường xuyên như một cái bơm liên tục để tạo được áp
suất đẩy máu vào mạch. Do các van ở tim và ở mạch mà máu trong hệ tuần hoà

chuyển động theo một chiều xác định.
Công suất cơ học của tim vào khoảng 1,3 - 1,4 W. Giá trị này rất nhỏ so
với giá trị chuyển hoá cơ bản của toàn cơ thể là 100W. Ngoài việc thực hiện
công cơ học, cơ tim cũng như các cơ khác của cơ thể còn luôn luôn làm việc để
giữ một độ căng nhất định gọi là trương lực cơ. Do vậy công suất tổng cộng của
cơ tim vào khoảng 13W hay bằng 13% chuyển hoá toàn bộ cơ thể.
Công cơ học của tim tạo ra áp suất đẩy máu, phần còn lại tạo ra độ căng
của cơ tức là trương lực cơ.
Để hiểu rõ hơn mối quan hệ giữa áp lực và trương lực của buồng tim ta
phải vận dụng đến định luật Laplaxơ.
Ap suất trong màng p và sức căng của màng T có mối liên hệ như sau
P = T (
21
rr
1
+
1
)
r
1
, r
2
bán kính của các buồng tim
*Nếu cơ tim bị bệnh, cơ thể bị giãn rộng và do đó các bán kính r
1
, r
2
của
buồng tim tăng lên, lúc đó giá trị của T tăng lên bởi vì :
T = p.

21
rr
1 1
+
1
Khi trương lực cơ tăng lên thì giá trị công cơ tạo p sẽ bị giảm xuống.
Trạng thái đó nếu đến một giá trị nhất định gọi là suy tim.
Hoạt động của cơ tim đòi hỏi năng lượng. Năng lượng được lấy từ ATP.
Đặc điểm của cơ tim khác với cơ khác là cơ tim sử dụng năng lượng chủ yếu từ
oxy hoá photpho lipit chứ không phải từ phân ly đường đơn glucoza. Ta biết
rằng oxy hoá một phân tử lipit cung cấp nhiều năng lượng hơn là oxy hoá một
9
phân tử glucoza. Trong trường hợp ATP trong tim bị suy giảm nhiều thì quá
trình phân ly glucoza tăng lên, do vậy xuất hiện sản phẩm có hại như axit lactic.
+ Sự suy giảm chuyển hoá photpho lipit và khí oxy cung cấp cho cơ tim
gây nên tính trạng thiếu ATP ở cơ tim và làm hoạt động của tim suy yếu.
+ Ở cơ tim ty thể chiếm 40% thể tích sợi cơ tim. Ty thể là nơi diễn ra quá
trình oy hoá photphoryl hoá.
+ Máu được tim đẩy vào mạch, có năng lượng xác định thể hiện bởi tốc
độ chảy và áp suất máu. Thành mạch máu được cấu tạo bởi 3 lớp cơ, có khả
năng đàn hồi lớn ( lớp áo trong, lớp áo giữa và lớp áo ngoài ). Khi máu bị đẩy
đến một đoạn nào đó của mạch thành giãn ra, một phần động năng của máu
biến thành thế năng giãn của thành mạch. Mạch bị giãn càng rộng thì thế năng
dự trữ càng lớn. Ở thời kỳ tim không co bóp, áp suất dòng chảy giảm xuống,
mạch co lại là thế năng ở thành mạch sẽ cung cấp năng lượng do dòng chảy bởi
vậy tuy tim co bóp có nhịp nhưng máu chảy liên tục và điều hoà.
+ Máu là chất lỏng nên khi chảy sẽ xuất hiện lực ma sát ở trong lòng chất
lỏng và ma sát với thành mạch làm cản chuyển động của máu. Năng lượng dự
trữ trong máu sẽ được chi dần để thắng lực ma sát này nên áp suất và vận tốc
chảy giảm dần. Ap suất và tốc độ chảy của máu phụ thuộc vào đường kính và

sự phân nhánh của động mạch.
III.Định luật thứ hai nhiệt động học
Định luật I động học cho biết về sự biến đổi tương hỗ giữa các dạng năng
lượng khác nhau, cho phép xác định hệ thức biểu diễn sự liên quan về lượng
giữa các dạng năng lượng khác nhau tham gia vào một quá trình cho trước,
nhưng không nêu khả năng xảy ra và chiều hướng tiến trình của quá trình đó.
Định luật II nhiệt động học độc lập với định luật I, xác định chiều hướng sự
biểu diễn của một quá trình và cho phép đánh giá khả năng sinh công của các hệ
nhiệt động khác nhau.
1. Một vài thông số nhiệt động quan trọng
a.Gradien :
Gradien của một tham số nào đó bằng hiệu giá trị của tham số đó ở hai
điểm chia cho khoảng cách giữa hai điểm.
Ví dụ : Gradien nồng độ
Grad C =
dx
dc
dx
C -
2
=
1
C
C
1
: giá trị nồng độ ở vị trí thứ nhất.
C
2
: giá trị nồng độ ở vị trí thứ hai
dx : khoảng cách giữa vị trí thứ nhất và vị trí thứ hai

10
Gradien là một đại lượng vectơ. Nó có giá trị về độ lớn và hướng
Khi so sánh tế bào sống với hệ sống thì ta thấy trong tế bào sống có rất
nhiều loại gradien khác nhau.
Ví dụ : Gradien thẩm thấu có trong mọi tế bào sống và đóng vai trò quan
trọng trong hoạt động sống của tế bào.
Do sự phân bố không đồng đều nồng độ các chất giữa môi trường trong
và ngoài tế bào đã làm xuất hiện gradien nồng độ.
Sự phân phối không đồng đều các ion làm xuất hiện gradien điện thế ở
màng ( [K
+
] bên trong tế bào lớn hơn môi trường nhiều lần và [Na
+
] thì ngược lại )
Như vậy sự có mặt các gradien tạo ra khả năng thực hiện công ở các tế
bào sống.
Ví dụ : Sự xuất hiện các xung động thần kinh liên quan đến sự phân phối
không đồng đều các ion ( gradien điện thế ); sự trương bào ( hút nước ) liên
quan đến gradien thẩm thấu.
Giả sử f là hàm vô hướng của các toạ độ không gian x, y, z người ta định
nghĩa.
Gradien của f ký hiệu là grad f là một vectơ mà 3 thành phần trên 3 trục
toạ độ là các đạo hàm riêng của f lần lượt theo x, y, z.
x
f
Grad =f
y
f
Grad =f
z

f
Grad =f
Ta có df =
dz
z
f
dy
y
f
dx
x
f
++
Hoặc ở dạng tích vô hướng df =
dl f.grad
Trong đó dl là vectơ có các thành phần dx, dy, dz.
+ Nếu f chỉ là hàm của một biến x thì :
dx
f
Grad
δ
=f
b.Entropi :
Ta xét ví dụ : Một hệ là bình kín chia làm 2 phần bằng nhau A và B bằng
một vách ngăn.
Trong bình có 6 phân tử giống nhau đánh số từ 1 đến 6. Ban đầu cả 6
phân tử tập trung ở phần A. Khi ta bỏ vách ngăn, các phân tử khuyếch tán và số
phân tử ở phần A có thể thay đổi từ 6 đến 0. Nếu cả 6 phân tử ở phần A thì ta có
duy nhất một cách phân phối như ở hình I/.
11

A B A B A B

I/ II/ III/
Số phân tử ở phần
Số cách phân phối
(Xác suất nhiệt động w)
Xác suất toán học (p
A B
6 0 1 1/64
5 1 6 6/64
4 2 15 15/64
3 3 20 20/64
2 4 15 15/64
1 5 6 6/64
0 6 1 1/64
Xác suất nhiệt động cho ta thấy số cách có thể thực hiện phân phối các phân
tử. Đại lượng này luôn luôn lớn hơn hoặc bằng 1, nó khác với xác suất toán học ở
chỗ xác suất toán học nằm trong khoảng từ 0 đến 1
p)!-(n p!
n!
C
p
p
=
Tổ hợp từ 0 đến 1 và cho biết khả năng xảy ra một cách phân phối nào đó.
Qua bảng trên ta thấy : ban đầu số phân tử ở phần A là 6 thì sau đó đa số
khả năng quan sát được là phần A có 4, 3 hoặc 2 phân tử. Như vậy hệ chuyển từ
trạng thái có xác suất xuất hiện nhỏ sang trạng thái có xác suất xuất hiện lớn hoặc
hệ chuyển từ trạng thái có ít cách phân phối sang trạng thái có nhiều cách phân
phối (xác suất nhiệt động lớn ). Vì LnW là hàm đồng biến với W nên có thể dùng

LnW để xác định chiều hướng của các quá trình tự nhiên.
Năm 1906 Plăng đã cụ thể hoá bằng định nghĩa 1.
+ Định nghĩa 1 : ( Định nghĩa định tính )
Đại lượng S = k.LnW gọi là entropi của hệ, trong đó k là hằng số
Bondơman ( Bontzman )
12
Ở ví dụ trên, chiều hướng của quá trình là tiến tới trạng thái có xác suất
nhiệt động W lớn hay có entropy lớn, chiều hướng này có tính chất một chiều khi
ta để hệ tự do diễn biến. Như vậy trạng thái có entropi S lớn là trạng thái dễ xảy ra.
Định nghĩa 2 : ( Định nghĩa định lượng )
Gọi T là nhiệt độ tuyệt đối của hệ, ΔQ là nhiệt lượng mà hệ trao đổi, ΔS là
sự thay đổi entropi của hệ, ta có :
ΔS = ΔQ/ T (
T
Q
gọi là nhiệt lượng rút gọn )
Trong trường hợp T thay đổi thì
ΔS =
∑
n
i
i
i
T
Q
Từ định nghĩa trên ta có nhận xét
- Khi hệ nhận nhiệt ΔQ > 0 thì ΔS > 0 hay entropi của hệ tăng lên.
- Khi hệ mất nhiệt ΔQ < 0 thì ΔS < 0 hay entropi của hệ giảm đi.
Hệ nhận nhiệt lượng, chuyển động hỗn loạn của các phân tử, nguyên tử tăng
lên, tương ứng entropi tăng lên. Hệ mất nhiệt, chuyển động hỗn loạn của các phân

tử, nguyên tử giảm xuống, tương ứng giảm entropi. Như vậy entropi cho ta khái
niệm về mức độ hỗn loạn của một hệ nào đấy.
Ví dụ minh hoạ :
Tìm độ biến thiên entropi khi chuyển m = 10g nước đá ở - 20
0
C thành hơi ở
100
0
C.
Nhiệt dung của nước đá là C
1
= 0,5 cal/g.độ và của nước là C
1
= 1 cal/g.độ,
nhiệt độ nóng chảy L

= 80 cal/g.độ và nhiệt hoá hơi r

= 539 cal/g.độ
Bài giải :
Trạng thái ban đầu của hệ là 10g nước đá ở -20
0
C.
Trạng thái cuối cùng của hệ là 10g hơi nước ở 100
0
C.
Để tính biến thiên entropi ta dùng công thức :
∆S = S
2
- S

1
=
∫
2
1
T
Q
δ

Điều quan trọng ở mỗi trường hợp cụ thể là tìm biểu thức của
T
Q
δ
ở dưới
dấu tích phân.
Ta phải chia quá trình đã cho thành 4 quá trình nhỏ và tính biến thiên
entropi của mỗi quá trình nhỏ đó.
a/ Quá trình của 10g nước đá từ - 20
0
C được làm nóng tới 0
0
C.
Ta viết
δ
Q = m.C
1
.d.T.

∆S
1

=
∫
2
1
T
T
1
T
T
m.C
δ
= m.C
1
.ln.
1
2
T
T
= 10. 0,5 ln
253
273

≈
0,38 cal/độ
13
b/ Quá trình 10g nước đá tan thành nước
δ
Q = L.dm
Ở đây dm là lượng nước đá tan thành nước
∆S

2
=
dm
T
L

m
0
2
∫
=
2
T
mL
=
273
80.10

≈
2,93 cal/độ
c/Quá trình làm nóng 10g nước từ 0
0
C đến 100
0
C
δ
Q = m.C
2
.d.T
∆S

3
=
∫
T3
T2
2
T
T
m.C
δ
= m.C
2
.ln.
2
3
T
T
= 10. 1 ln
273
373

≈
3,02 cal/độ
d/Quá trình hoá hơi của 10g nước ở 100
0
C.
δ
Q = r.dm
∆S
4

=
dm
T
r

m
0
3
∫
=
3
T
mr
=
373
10.539

≈
14,5 cal/độ
Tổng các biến thiên entropi của 4 quá trình là
∆S = ∆S
1
+ ∆S
2
+ ∆S
3
+ ∆S
4
= 0,38 + 2,93 + 3,02 + 14,50 = 21,0 cal/độ
2.Định luật II nhiệt động học

Giả sử một hệ cô lập gồm 2 phần nhiệt độ T
1
và T
2
( T
1
<T
2
). Hai phần này
trao nhau nhiệt lượng.
ΔQ
1
= -ΔQ
2
= ΔQ >0
Ta có thay đổi entropi của cả hệ
dS =
0>−=+
212
2
1
1
T
Q
T
Q
T
Q
T
Q

δδ
δδ
Như vậy trong quá trình truyền nhiệt trong nội bộ một hệ cô lập entropi của
hệ tăng lên hay mức độ hỗn loạn của hệ tăng lên.
+ Đối với quá trình thuận nghịch
2
2
1
1
T
Q
T
Q
δδ
=
hay S
1
- S
2
= 0
Biểu thức toán học của định luật II nhiệt động học có thể viết dưới dạng
∆S≥ 0.
Dấu bằng đối với quá trình thuận nghịch, dấu lớn hơn đối với quá trình bất
thuận nghịch.
Định luật II nhiệt động học khẳng định rằng trong một hệ kín entropi có thể
không đổi đối với quá trình thuận nghịch và tăng đối với quá trình bất thuận nghịch.
Định luật II là định luật entropi. Khái niệm entropi liên quan mật thiết với khái
niệm gradien. Trong quá trình không thuận nghịch entropi tăng khi gradien giảm.
14
Dựa vào khái niệm entropi, định luật thứ II của nhiệt động học có thể

phát biểu như sau :
“ Trong hệ cô lập, chỉ những quá trình nào kéo theo việc tăng entropi mới
có thể tự diễn biến, giới hạn tự diễn biến của chúng là trạng thái có trị số cực
đại của entropi “
3. Năng lượng tự do của hệ
Từ định nghĩa 2 ta có : ΔQ = T.dS
Mặt khác theo định luật I ta có : ΔQ = dU + ΔA
Do đó : ΔA = T.dS - dU
ΔA = -[dU - T.dS]
ΔA = - d[U - T.S]
Đặt U - T.S = G ( 1 )
Và gọi là năng lượng tự do của hệ, ta có
ΔA = - dG
U = G + T.S
Từ ( 1 ) cũng có thể viết dG = dU - T dS
Năng lượng tự do của hệ là phần nội năng của hệ để thực hiện công nào đấy,
nói khác đi nó đặc trưng cho khả năng sinh công của hệ.
Ta có T.S gọi là năng lượng liên kết không có khả năng sinh công.
4.Năng lượng trong các phản ứng hoá sinh
Trong quá trình trao đổi đã diễn ra các phản ứng hoá sinh.
- Nếu phản ứng là thuận nghịch thì năng lượng tự do của hệ thống bằng công
cực đại.
-Nếu phản ứng không thuận nghịch thì một phần năng lượng bị phân tán thành
nhiệt và công thực hiện được tương ứng sẽ nhỏ hơn.
Thông thường các phản ứng hoá sinh xảy ra trong cơ thể sống thì nhiệt độ và
áp suất không đổi, vì vậy phương trình ∆G = ∆U - T∆S có thể viết thành phương
trình tương đương.
∆G = ∆H - T. ∆S
Ở đây :
+ ∆G là sự thay đổi năng lượng tự do trong điều kiện nhiệt độ và áp suất không đổi.

+ ∆H là nhiệt dung hay enthanpy
Đại lượng thế năng nhiệt động liên hệ với hằng số cân bằng của phản ứng hoá
sinh theo biểu thức
∆G = ∆G
0
+ RTlnK.
K là hằng số cân bằng của phản ứng
R là hằng số khí
T nhiệt độ tuyệt đối
15
Đại lượng ∆G bằng ∆G
0
: năng lượng tự do tiêu chuẩn của phản ứng, nếu tất
cả các chất ban đầu và sản phẩm của phản ứng chứa trong dung dịch ở 25
0
C và độ
hoạt tính bằng 1 ( độ linh động )
Có thể xác định ∆G bằng nhiều phương pháp khác nhau, thông thường hơn cả
là dùng công thức ∆G = ∆G
0
+ RTlnK
Thí dụ : ta xét phản ứng oxy hoá axit panmitic thành CO
2
và H
2
O
C
16
H
32

O
2
+ 23O
2
= 16 CO
2
+ 16 H
2
O
Từ bảng tra cứu biết rằng ∆G
0
tạo axit panmitic CO
2
và H
2
O bằng :
C
16
H
32
O
2
= 16C + 16H
2
+ O
2
∆G
0
= 80Kcal
16C + 16 O

2
= 16 CO
2
∆G
0
= - 1511,2 Kcal
16H
2
+ 8O
2
= 16H
2
O ∆G
0
= - 907,04 Kcal
Nếu cộng 3 phương trình hoá học này thì ta nhận được phương trình
oxyhoá axit panmitic.
Cộng các độ lớn của năng lượng tự do ta thu được - 2338,24 Kcal/mol.
Dấu trừ cho thấy rằng việc oxyhoá axit panmitic là quá trình nhiệt động
tự diễn biến và xảy ra đến cùng, có toả năng lượng lớn.
Sự thay đổi lượng chứa nhiệt ∆H có thể xác định bằng cách đo hiệu ứng nhiệt
của phản ứng khi đốt cháy vật chất trong bình đo nhiệt lượng, lúc này ∆H = - ∆Q
Phương pháp thứ hai là dựa vào sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào
nhiệt độ, dựa vào phương trình đẳng áp của phản ứng

2
RT
Q ∆
=
dT

dlnK
Có thể xác định ∆H = - ∆Q. Khi biết các giá trị ∆Z, ∆H có thể xác định giá trị
∆S.
5.Năng lượng liên kết và liên kết giàu năng lượng
Sự thay đổi năng lượng tự do khi tạo thành một hợp chất hoá sinh nào đó
liên quan chặt chẽ đến sự biến đổi năng lượng của các liên kết hoá học giữa các
nguyên tử của phân tử phản ứng. Bằng cách phân tích các công thức phân tử và
các số liệu về nhiệt của phản ứng có thể xác định năng lượng liên kết giữa các
nguyên tử.
Để tính năng lượng liên kết trung bình dựa vào nhiệt đốt cháy và nhiệt
phân ly các phân tử thành nguyên tử. Nhiệt phân ly được xác định bằng phương
pháp quang phổ.
- Người ta gọi năng lượng phá vỡ 1 phân tử ( hay 1 mol ) ở 0
0
K thành
những nguyên tử riêng rẽ cũng ở 0
0
K là năng lượng nguyên tử hoá ( năng lượng
phân ly )
Ví dụ : Năng lượng nguyên tử hóa của Hydro
16
H
2
2H E
A
= 103,3 Kcal/mol
Năng lượng nguyên tử hoá của metan
CH
4
4H + C E

A
= 392 Kcal/mol
- Từ năng lượng nguyên tử hoá của CH
4
( 392 kcal/mol ) ta dễ dàng tính
ra năng lượng phân ly trung bình cho một liên kết C - H.
98kcal/mol Kcal/mol
4
E
)H - CE
A
D
===
4
392
(
Trong trường hợp chung đối với phân tử AB
n
ta có
n
E
)B - AE
A
D
=
(
Năng lượng
)B - AE
D
(

còn được gọi vắn tắc là năng lượng liên kết A -
B trung bình.
Ví dụ : Tính năng lượng liên kết
)H - N E
D
(
trong phân tử NH
3
.
- Xét phản ứng tạo một mol NH
3
từ các nguyên tử N và H.
2N + 6H = 2NH
3
Theo dữ liệu quang phổ, nhiệt lượng tạo một mol N
2
từ nguyên tử N là
169 kcal, còn tạo một mol H
2
từ nguyên tử H là 101,9 kcal.
N + N = N
2
+ 169 kcal
H + H = H
2
+ 101,9 kcal
Do đó năng lượng tạo 1 mol N
2
và 3 mol H
2

từ nguyên tử là
169 kcal + 3. 101,9 kcal = 474,7 kcal
Cần phải bổ sung thêm vào đó nhiệt lượng tạo 2 NH
3
từ khí N
2
và H
2
bằng :
N
2
+ 3H
2
= 2 NH
3
+ 18,6 kcal
Vậy năng lượng tạo một mol NH
3
bằng
kcal7,246
2
6,187,474
=
+
Nếu thừa nhận rằng cả 3 nguyên tử H là như nhau trong phân tử NH
3
thì
sự bền vững của liên kết hay năng lượng liên kết trung bình N - H bằng
kcal 82 kcal )H - N E
D

==
3
7,246
(
Năng lượng liên kết trung bình của các dạng liên kết khác nhau ( kcal/mol )
Dạng liên kết
)B - AE
D
(
Dạng liên kết
)B - AE
D
(
C - C 58,6 kcal S - H 87,5
N - N 20,0 kcal C - N 48,6
O - O 34,9 kcal C - O 70,0
P - O 50,0 kcal C - S 57,5
S - S 63,8 kcal C = O 100,0
17
C - H
87,3 kcal
C ≡ O
123,0
N - H 82,0 kcal C = O 142,0
O - H 110,2 kcal H - H 4 - 8
Từ bảng trên, ta thấy liên kết Hydro là yếu nhất.
+ Trong sinh học rất phổ biến thuật ngữ : “ liên kết giàu năng lượng “. Axit
Adenozin Tri Photphat ( ATP ) là hợp chất có liên kết giàu năng lượng “
Ta hiểu năng lượng của liên kết giàu năng lượng là năng lượng tự do giải
phóng ra trong quá trình phản ứng hoá sinh có sự tham gia của liên kết giàu năng

lượng.
Ở đây không đề cập đến nhiệt hoá của năng lượng liên kết, mà nói về năng
lượng tự do của phản ứng thuỷ phân phân tử ATP.
ATP + H
2
O = ADP + H
3
PO
4
Khi nhóm photphat chuyển vào nước thì làm tách ra 7,0 - 8,5 kcal/mol năng
lượng tự do.
Ở đây không phải là làm đứt liên kết P nằm phía cuối trong ATP chẳng hạn như
A - P - P - P A - P - P + P
Để làm đứt liên kết này cần phải chi năng lượng lớn ( 50 - 100 kcal/mol )
Khi so sánh với Gluco 6 - Photphat ta thấy năng lượng liên kết photphat
khoảng 50 - 100 kcal/mol. Nhưng khi chuyển nhóm photphat vào nước thì nó chỉ
giải phóng 3 kcal/mol năng lượng tự do, do đó Gluco 6 - Photphat không phải là
liên kết giàu năng lượng.
Theo quan điểm nhiệt động học, có thể coi phân tử ATP trong tế bào như
phân tử giàu năng lượng hay dạng mang năng lượng đã được nạp, còn ADP là
phân tử nghèo năng lượng hay dạng đã phóng năng lượng.
6.Trạng thái dừng của hệ thống sống
Khi áp dụng nguyên lý thứ 2 nhiệt động học vào hệ thống sống, thoạt tiên ta
thấy có vẻ những mâu thuẫn. Theo nguyên lý thứ 2 nhiệt động học thì tính trật tự
của hệ cô lập cần phải giảm tương ứng với sự tăng entropi. Trong khi đó cơ thể
sống lại tạo ra liên tục những tổ chức có trật tự cao trong quá trình phát triển. Tính
trật tự của cơ thể ngày càng hoàn thiện. Cơ thể lớn lên và phát triển tuy thực hiện
một quá trình không thuận nghịch nhưng tính trật tự được bảo toàn mà còn tăng
lên, entropi như vậy phải giảm đi tương đối.
Phải chăng nguyên lý thứ hai không thể áp dụng vào hệ thống sống. Thực ra

không phải như vậy. Như ta đã biết, cơ thể sống là một hệ mở, tức là luôn có quá
trình trao đổi vật chất và năng lượng đối với môi trường ngoài, khác với hệ cô lập.
Trong hệ cô lập, quá trình phản ứng hoá học, biến đổi trạng thái bị giới hạn bởi
18
số lượng vật chất tham gia phản ứng. Trạng thái cân bằng được thiết lập sau khi
phản ứng hay quá trình biến đổi kết thúc và hệ sẽ không thay đổi theo thời gian.
Trong khi đó ở hệ thống sống, do vật chất và năng lượng ra vào không
ngừng nên quá trình biến đổi năng lượng luôn luôn xảy ra. Do đó hệ thống sống
không nằm ở trạng thái cân bằng nhiệt động. Nói một cách khác, sự tồn tại trạng
thái không cân bằng là điều kiện sống của cơ thể. Tuy nhiên đối với cơ thể không
phải được đặc trưng bằng trạng thái không cân bằng bất kỳ mà chỉ bằng trạng thái
tại đó tính chất của hệ thống không thay đổi, các thông số hoá lý như gradien, các
đặc trưng động học được bảo toàn ( không thay đổi theo thời gian )
Thí dụ : Ở tế bào sống, độ pH và gradien nồng độ ion luôn luôn giữ không
đổi. Trạng thái vừa nói trên gọi là trạng thái dừng. Trạng thái dừng khác cơ bản
với trạng thái cân bằng nhiệt động ở chỗ hệ trong trạng thái dừng luôn luôn trao
đổi vật chất và năng lượng với môi trường ngoài.
Ta hãy so sánh trạng thái dừng và trạng thái cân bằng hoá học xảy ra ở hệ
kín.
STT Trạng thái cân bằng hoá học Trạng thái dừng
1 Hệ kín, không có vật chất ra vào hệ Hệ mở, có dòng vật chất ra vào hệ
2 Tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ
phản ứng nghịch : V
1
= V
2
A + B
→
1
V

C + D
Tốc độ phản ứng thuận luôn luôn lớn
hơn tốc độ phản ứng nghịch : V
1
> V
2
A + B
→
1
V
C + D
3 Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào
nồng độ ban đầu của các chất tham
gia phản ứng.
Tốc độ phản ứng không phụ thuộc
vào nồng độ ban đầu, nhưng các
nồng độ dừng liên tục được giữ
nguyên do dòng vật chất mới đi vào.
4 Năng lượng tự do trong hệ bằng 0
F = 0
Năng lượng tự do trong hệ khác
không và bảo toàn giá trị F = Const ≠
0
5 Chất xúc tác không làm thay đổi tỷ
lệ chất phản ứng
Chất xúc tác làm thay đổi nồng độ dừng,
ảnh hưởng tới tốc độ của qúa trình.
Sự khác biệt giữa hai trạng thái này có thể minh hoạ trên ví dụ về sự chảy
của hai chất lỏng từ bình này sang bình khác ( mô hình Burton )
19

A
K
1
B
Mức nước ở bình B không thay đổi vì không còn dòng chảy. Hệ ở trạng
thái cân bằng nhiệt động.
+Nếu hệ mở thì bình trên và bình dưới sẽ có mức chất lỏng xác định
không ứng với sự cân bằng. Khoá 1 và 3 cho ta mô hình các hằng số vận
chuyển giới hạn tốc độ vật chất vào và ra khỏi hệ. Khoá 2 cho mô hình hằng sô
tốc độ phản ứng hoá học, nó làm ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng hoá học trong
hệ mở. Khi thay đổi nồng độ chất xúc tác ( khi ta vặn khoá K
2
), những mức
mới của chất lỏng được thiết lập, tạo nên trạng thái dừng mới.
K
1
K
2

K
3
+ Ở hệ thống hở do có sự trao đổi năng lượng và vật chất với môi trường
xung quanh nên tốc độ thay đổi entropy trong hệ được chia làm hai thành phần.
dt
Sd
i
Tốc độ thay đổi entropy do các quá trình xảy ra bên trong hệ.
dt
Sed
Tốc độ thay đổi entropy do hệ có trao đổi năng lượng và vật chất

với môi trường. Tốc dộ thay đổi entropy của toàn hệ bằng
dt
dS
dt
dS
dt
dS
e
i
+=
Theo định luật II nhiệt động học
dt
Sd
i
≥ 0
Còn
dt
Sed
có thể có những giá trị sau
*
dt
Sed
= 0 hệ trở thành hệ kín lúc này
dt
dS
dt
dS
i
=
20

+Nếu hệ kín, tức là chất lỏng không đi
từ ngoài vào bình và không chảy ra ngoài, thì
toàn bộ chất lỏng từ bình A chảy xuống bình B
với tốc độ xác định ( độ mở khoá ) và sau một
thời gian nào đấy sự cân bằng được thiết lập.
+ Mức của trạng thái dừng dễ dàng bị
dao động lớn. Tuỳ theo điều kiện bên ngoài và
bên trong, hệ mở bất kỳ có thể chuyển sang
những mức khác nhau của trạng thái dừng
(trạng thái nghỉ ngơi, công tác, quá trình lớn
lên )
Ta có thể chứng minh hệ thống hở cũng
tuân theo định luật II nhiệt động học.
vì
dt
Sd
i
≥ 0 nên
dt
dS
≥ 0 đúng với định luật II nhiệt động học
*
dt
Sed
> 0 ta có
dt
dS
dt
dS
dt

dS
e
i
+=
> 0 nghiệm đúng định luật II
*
dt
Sed
< 0 xảy ra 3 trường hợp
a.
dt
dS
i
>
dt
dS
e
thì
dt
dS
dt
dS
dt
dS
e
i
+=
> 0
⇒
đúng với định luật II

b.
dt
dS
i
<
dt
dS
e
thì
dt
dS
dt
dS
dt
dS
e
i
+=
< 0
Lúc này entropy của hệ giảm nhưng khi ta mở rộng hệ thống bao gồm hệ thống
hở và môi trường thành hệ thống kín
→
đúng với định luật I nhiệt động học.
c.
dt
dS
i
=
dt
dS

e
thì hệ ở trạng thái cân bằng dừng
dt
dS
dt
dS
dt
dS
e
i
+=
= 0
→

dt
dS
dt
dS
e
i
−=
≠ 0
Như vậy khi hệ ở trạng thái cân bằng dừng thì thay đổi entropy của hệ
bằng không (∆ S = 0)
21