Bài giảng nhiệt động học các hệ sinh vật ths đặng vũ hoàng

NHIỆT ĐỘNG HỌC CÁC HỆ
SINH VẬT
ThS. Đặng Vũ Hoàng
Phân viện Vật lý Y Sinh học.


NHIỆT ĐỘNG HỌC CÁC HỆ SINH VẬT
Tài liệu :
Giáo trình Vật lý Lý sinh (Học viện quân y 1986)–
1986)– Vũ Công Lập
Lý sinh Y học (Đại học Y HN 1998) –Phan Sỹ An
Медицинская биофизика 1978 – Губанов Н.
Н . И.
Краткий справочник по физике 1978 – Карякин Н.
Н. И.

Nguyên lý I : dU = dQ + dA
Nguyên lý II : khả năng xảy ra và chiều
hướng diễn biến của các quá trình nhiệt
động.


NHIỆT ĐỘNG HỌC CÁC HỆ SINH VẬT
Hiệu ứng năng lượng
Sự chuyển hóa
Chiều hướng

Tùy đặc tính tương tác với môi trường:
1. Hệ cô lập
2. Hệ mở
3. Hệ kín

Nguyên lý I
“Trong một quá trình, nếu năng lượng ở
dạng này biến đi thì năng lượng ở dạng
khác sẽ xuất hiện với lượng hoàn toàn
tương đương với giá trị của năng lượng
dạng ban đầu”
dU = dQ + dA


Năng lượng?
Công?
• Công hóa học
• Công cơ học
• Công thẩm thấu
• Công điện

Nhiệt?
1.Sơ cấp
1.Sơ
2.Thứ
2.
Thứ cấp
ATP
Ai

E
Mặt trời,

Q1

Q1
Q2

Đồ ăn

ADP + ~ P


Bảo toàn năng lượng trong cơ thể sống:
Cơ thể không phải là nguồn năng lượng mới
Thức ăn

oxy hoá

Năng lượng = Công sinh ra bởi cơ thể
Cô lập – Đo nhiệt lượng thải ra

Thế kỷ 18: Lavoadie – Laplace
Đo trên chuột; E (oxy hoá thức ăn trong cơ thể) = E (đốt thức ăn
trong nhiệt lượng kế)
Etuvatơ:
E thải ra (đo nhiệt trực tiếp)
E vào (oxy hấp thụ, CO2, Nitơ, Urê … thải)
 E vào =  E ra


Đưa vào (Kcal)
Thức ăn:

56,8g protit
237
140g lipit
1307
79,9g glucit
335

Thải ra (Kcal)

: 1879

1g

lipit
glucit
protit

→ 9,3 Kcal
→ 4,2 Kcal
→ 4,2 Kcal

Q qua da
Khí thở ra
Phân và nước tiểu
Bay hơi đường hô hấp
Bay hơi qua da
Bổ chính

1374
43

23
181
227
11
 1859


Định luật Herz:
Q4

C

Q5

D

Q6

A

B
Q2

E

Q3

Q1

= Q2 + Q3

Ví dụ:
C
(-) CO

+ O2 = CO2 + 97 Kcal/mol
+ ½ O2 = CO2 + 68 Kcal/mol

C

= Q4 + Q5 + Q6

+ ½ O2 = CO + 29 Kcal/mol


NGUYÊN LÝ II
“Nhiệt không thể tự động truyền từ vật lạnh sang
vật nóng”
“Không thể có một quá trình biến đổi chuyển toàn
bộ nhiệt lượng thành công”
“Tự nhiên có xu hướng đi từ trạng thái có xác suất
nhỏ đến trạng thái có xác suất lớn hơn”


Mô tả hoạt động của máy nhiệt :
• Cả chu trình kín thực hiện công ΔA
•
•
•

•
•
•

= diện tích hình A1B2A
U1 là năng lượng của hệ ở A
U2 là năng lượng của hệ ở B
Khi dãn nở hệ nhận nhiệt lượng Q1
để thực hiện công A1. Ta có
Q1=U2-U1+A1
Khi nén hệ tỏa ra nhiệt lượng –Q2
và thực hiện công A2. Ta có
–Q2=U1-U2+A2
Công ΔA cả chu trình thực hiên =
Q1-Q2
Hiệu suất của máy = ΔA/Q1=(Q1Q2)/Q1=1
=1--Q2/Q1


• Quá trình bất thuận nghịch : làm biến đổi môi
•

trường xung quanh (thực hiện công)
Quá trình thuận nghịch : quá trình nghịch tiến
hành theo chiều ngược lại và trải qua tất cả các
trạng thái trung gian như quá trình thuận, nhận
năng lượng bao nhiêu trong quá trình thuận thì
cũng trả lại môi trường bấy nhiêu trong quá
trình nghịch, vì vậy không biến đổi môi trường
xung quanh.

• Nhiệt năng  Năng lượng khác
• Lí do : năng lượng nhiệt liên quan tới chuyển động hỗn

•

loạn của các hạt vi mô trong khi mọi dạng năng lượng
khác lại gắn bó với những chuyển động có trật tự của
chúng
Các quá trình tự nhiên không thuận nghịch :
Năng lượng từ mức cao đến mức thấp
Giảm các Gradien
Giảm độ trật tự của hệ cô lập
Phân tán 1 phần năng lượng dưới dạng nhiệt. Phần năng
lượng này càng lớn thì tính không thuận nghịch càng
cao.


Gradien
• Gradien của hàm f : véc tơ cho ta biết mức độ
•

•

thay đổi của đại lượng f
Trong không gian 3 chiều : grad(f) là vec tơ
gồm 3 thành phần [∂
[∂f/
f/∂

∂x; ∂f/
f/∂
∂y; ∂f/
f/∂
∂z] cho ta
biết mức độ thay đổi của f trong không gian cả
về độ lớn và hướng.
Ví dụ: trong hệ sinh vật có rất nhiều gradien
như: gradien nồng độ gây ra bởi sự phân phối
không đồng đều các vật chất khác nhau trong
và ngoài tế bào, gradien điện trên màng tế bào
do nồng độ khác nhau của các ion K và Na…


Entropi

• Định nghĩa 1 : S = k.lnW

•

Xác suất nhiệt động W: số trạng thái vi mô ứng
với cùng 1 trạng thái vĩ mô của hệ.
k là hằng số Boltzman = R/N)
R: hằng số khí = 8.314 472 J·KJ·K-1·mol
1·mol--1
N: số Avôgadrô = 6.022 1415 × 1023
k = 1.380 6505 × 10
10--23 J·KJ·K-1
Định nghĩa 2 : S = Q/T

“Trong hệ cô lập thì các quá trình nhiệt động tự
diễn tiến luôn đưa hệ từ trạng thái có W nhỏ tới
trạng thái có W lớn và cuối cùng dẫn tới trạng thái
cân bằng nhiệt động có W và S cực đại”


• Entropi là hàm trạng thái
• Entropi có thể cộng được tương tự như nội
•

năng.
Entropi là 1 đại lượng cho ta thấy mức độ hỗn
loạn của hệ

• Giả sử 1 hệ cô lập có 2 phần nhiệt độ T1 và T2
truyền nhiệt lượng dQ cho nhau. (T1dS1
dS
1 = dQ/T1; dS2 = -dQ/T2
Khi đó dS = dS1+dS2 = dQ/T1-dQ/T2 > 0
Như vậy sau quá trình truyền nhiệt thì S tăng
lên.


Năng lượng tự do
•
•
•
•
•

•
•

Ta có S = Q/T
dS = dQ/T
dQ = T.dS
Thay vào biểu thức của ng lý I (dU = dQ + dA)
được
dU = dA + T.dS
dA là công sinh ra và đc gọi là sự thay đổi của
năng lượng tự do dF, ta có
dU = dF + T.dS
Dưới dạng giá trị tuyệt đối U = F + T.S


• Ng lý II cho rằng: một quá trình bất kỳ xảy ra

•

trong 1 hệ cô lập có thể thuận nghịch hay bất
thuận nghịch.
Quá trình thuận nghịch : năng lượng tự do
không đổi.
Quá trình bất thuận nghịch : năng lượng tự do
giảm xuống.
F tăng lên? hệ nhận thêm E từ bên ngoài
Các quá trình chuyển hóa trong hệ cô lập vì vậy
sẽ xảy ra cho đến khi năng lượng tự do giảm về
không và Entropi đạt cực đại . Trạng thái này đc

gọi là trạng thái cân bằng nhiệt động : hệ hoàn
toàn không có khả năng sinh công và mất trật
tự.


Trong cơ thể, trong các quá trình lý sinh
và hóa sinh luôn có 1 phần năng lượng tự
do bị mất dưới dạng nhiệt. Hiệu suất của
quá trình = A/dF ≤1 (=1 trong quá trình
thuận nghịch)
Hiệu suất 1 số quá trình :
Glucoliz:
0,36
Oxy hoá – Photphorin hoá 0,55
Co cơ:
0,40
Quang hợp:
0,75


Hệ thống sinh vật – Mâu thuẫn với
nguyên lý II ?
• Hệ sinh vật không phải là hệ cô lập, là hệ mở,

luôn trao đổi chất và năng lượng với môi trường.
Vì vậy mà nó có trật tự cao, có cấu trúc đặc thù
đc bảo toàn và phát triển, các gradien luôn duy
trì, khả năng sinh công luôn dồi dào; tức là S
không những không tăng mà còn có thể giảm và
F không hề tiến tới ko. Điều này không mâu

thuẫn với ng lý II, vì hệ thống sinh vật không cô
lập mà nhận F từ môi trường.


Sự thay đổi dF và dS trong cơ thể có 2 thành phần: diF
và diS ứng với các quá trình lý sinh và hóa sinh trong cơ
thể (diF<0 và diS>0 tuân theo ng lý II); deF và deS quy
định bởi tương tác giữa hệ với môi trường (deF>0 và
deS<0 do hệ lấy thức ăn từ môi trường đồng thời thải ra
chất cặn bã và nhiệt lượng).
dF = diF + deF
dS = diS + deS
Có 3 trường hợp :
|deS| = |diS|
dS=0 (trạng thái cân bằng dừng)
|deS| < |diS|
dS>0 (S thải ra môi trường nhỏ hơn S
sinh ra trong hệ thống)
|deS| > |diS|
dS<0 (S thải ra môi trường lớn hơn S
sinh ra trong hệ thống)
Biểu thức toán học của nguyên lý II với cơ thể sống :

dS/dt = diS/dt + deS/dt


Trạng thái cân bằng dừng
Dòng vật chất ra và vào hệ không đổi
Cần tiêu phí năng lượng tự do để duy trì trạng
thái dừng

F và khả năng sinh công không đổi
S không đổi
Các gradien trong hệ được duy trì
diS/dt = - deS/dt diF/dt = - deF/dt
dS/dt = 0 dF/dt = 0 S = const F = const


b

a

c

Khi điều kiện sống thay đổi quá lớn thì cơ thể sẽ
chuyển sang 1 trạng thái dừng mới phù hợp hơn
(trạng thái nghỉ ngơi # tập thể thao). Có 3
phương thức chuyển trạng thái dừng:
a)Tiệm tiến
b)Độ lệch dư
c)Xuất phát giả


Kết luận
Hệ cô lập : tăng S, giảm F, tăng mức độ hỗn
loạn, giảm các gradien
 Cân bằng NĐ
Hệ thống sinh vật : trao đổi cả vật chất lẫn
năng lượng với môi trường, độ trật tự cao,
khả năng sinh công dồi dào
 Cân bằng dừng

Áp dụng vào Y học
• Hệ nhiệt động thông thường : P,V,T
• Hệ thống sinh vật : số đại lượng có thể làm
•

•

tham số trạng thái rất nhiều, có độ biến thiên
rộng và độ đặc trưng cá thể lớn.
Tuy nhiên, trong y học, với từng bệnh cụ thể ta
chỉ quan tâm tới những tham số trạng thái nhất
định. Ví dụ như trong bệnh xơ vữa mạch máu,
các tham số quan trọng là Triglycerid,
Cholesterol, HDLHDL-Cholestrol, LDLLDL-Cholestrol.
1 vài tham số được xét phổ biện trong hầu hết
các bệnh là nhiệt độ, nhịp tim, huyết áp.


Ứng dụng của nhiệt
Nhiệt trị liệu

Nhiệt đồ