Nhiệt động học hệ sinh học

Trường Đại học công nghiệp Hà Nội

MỤC LỤC
Trang
I. Một số khái niệm và đại lượng cơ bản ……………………………...
2
II. Định luật I…………………………………………………………….
4
2.1. Định luật I nhiệt động học …………………………………..
4
2.3. Định luật I nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật …………..
6
2.3. Nhu cầu năng lượng của cơ thể…………………………………
8
2.4. Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp và nguyên tắc hoạt động
10
của cơ thể sống…………………………………………………………….
III. Định luật II …………………………………………………………..
11
3.1. Định luật II nhiệt động học…………………………………….
11
3.2. Định luật II nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật …………..
16
3.3. Phân biệt nguyên tắc hoạt động của cơ thể sống với máy
nhiệt………………………………………………………………………..
19
.

NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘNG HỌC CHO CƠ THỂ SỐNG
Nhiệt động học hệ sinh vật là lĩnh vực nghiên cứu hiệu ứng năng lượng, sự
chuyển hoá giữa các dạng năng lượng, khả năng tiến triển, chiều hướng và giới hạn

tự diễn biến của các quá trình xảy ra trong hệ thống sống.
Cơ thể sống trong quá trình sinh trưởng và phát triển đều có sử dụng năng
lượng vì vậy nhiệt động học hệ sinh vật là lĩnh vực cần được nghiên cứu. Đối
tượng nghiên cứu của nhiệt động học hệ sinh vật là cơ thể sống, đó là một hệ mở
do luôn xảy ra sự trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh, có
1

Học viên: Nguyễn Thị Hà


Trường Đại học công nghiệp Hà Nội
khả năng tự điều chỉnh, tự sinh sản... nên khác với hệ vật lí như chất rắn, chất lỏng
hay chất khí... Hiện nay nhiệt động học hệ sinh vật có các hướng nghiên cứu chủ
yếu sau:
- Nghiên cứu sự chuyển biến năng lượng ở mức độ phân tử, tế bào, mô, cơ quan
hay toàn bộ cơ thể khi ở trạng thái sinh lý bình thường và trạng thái đang hoạt
động. Xác định hiệu suất sử dụng năng lượng của các quá trình sinh vật và năng
lượng liên kết trong các liên kết của các cao phân tử sinh học.
- Nghiên cứu tính chất nhiệt động của các quá trình diễn ra trong cơ thể sống như
quá trình khuyếch tán, thẩm thấu, vận chuyển tích cực...
- Nghiên cứu cơ chế tác động của sự thay đổi các yếu tốmôi trường lên quá trình
chuyển hoá năng lượng và sự trao đổi năng lượng giữa cơ thể sống với môi trường.
I. Một số khái niệm và đại lượng cơ bản
- Hệ: Hệ là một vật thể hay một nhóm vật thể được dùng làm đối tượng để nghiên
cứu.
Ví dụ khi chọn cá thể để nghiên cứu thì cá thể là một hệ còn khi chọn quần thể để
nghiên cứu thì quần thể là một hệ.
- Hệ cô lập: Là hệ không có sự trao đổi vật chất và năng lượng giữa hệ với môi
trường xung quanh. Trên thực tế khó xác định được một hệ cô lập hoàn toàn nhưng
ở qui mô thí nghiệm các nhà khoa học có thể thiết kế được hệ cô lập như bom nhiệt

lượng dùng để nghiên cứu hiệu ứng nhiệt của các phản ứng oxy hóa.
- Hệ kín: Là hệ không trao đổi vật chất với môi trường xung quanh nhưng có trao
đổi năng lượng với môi trường xung quanh.
- Hệ mở: Là hệ có trao đổi cảvật chất và năng lượng với môi trường xung quanh.
Ví dụ: cơ thể sống là một hệ mở.
- Tham số trạng thái: Là các đại lượng đặc trưng cho trạng thái của một hệ, ví dụ
như nhiệt độ, áp suất, thể tích, nội năng, entropi...
- Trạng thái cân bằng: Là trạng thái trong đó các tham số trạng thái đạt một giá trị
nhất định và không đổi theo thời gian.
- Quá trình cân bằng: Là quá trình trong đó các tham sốtrạng thái thay đổi với tốc
độ chậm tới mức sao cho tại mỗi thời điểm có thểxem nhưtrạng thái của hệlà trạng
thái cân bằng.
2

Học viên: Nguyễn Thị Hà


Trường Đại học công nghiệp Hà Nội
- Quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp, đẳng tích là quá trình diễn ra trong đó nhiệt độ, áp
suất và thểtích luôn không đổi trong suốt quá trình diễn ra.
- Quá trình thuận nghịch: Là quá trình biến đổi mà khi trởvềtrạng thái ban đầu
không kèm theo bất cứ một sự biến đổi nào của môi trường xung quanh.
- Quá trình bất thuận nghịch: Là quá trình biến đổi mà khi trởvềtrạng thái ban đầu
làm thay đổi môi trường xung quanh.
- Hàm trạng thái: Một đại lượng được xem là một hàm trạng thái, đặc trưng cho
trạng thái của hệ, khi sựbiến thiên giá trịcủa nó trong bất cứquá trình nào cũng
chỉphụthuộc vào giá trị đầu và giá trịcuối mà không phụthuộc vào con đường
chuyển biến. Nội năng (U), năng lượng tựdo (F), thếnhiệt động (Z hay G), entanpi
(H), entropi (S) là những hàm trạng thái.
- Năng lượng: Năng lượng là đại lượng có thể đo được, có thểbiến đổi một cách

định lượng luôn theo cùng một tỉlệthành nhiệt lượng. Năng lượng phản ánh
khảnăng sinh công của một hệ. Đơn vịdùng để đo năng lượng là Calo (Cal) hay
Joule (J).
- Công và nhiệt: Đó là hai hình thức truyền năng lượng từhệnày sang hệ khác. Nếu
như sự truyền năng lượng từ hệ này sang hệ khác gắn liền với sự di chuyển vịtrí
của hệ thì sự truyền đó được thực hiện dưới dạng công.
Ví dụ khi chạy 100 mét thì năng lượng tiêu tốn đã được dùng vào thực hiện công
để di chuyển vị trí.
Nếu sự truyền năng lượng từ hệ này sang hệ khác làm tăng tốc độ chuyển động của
phân tử ở hệ nhận năng lượng thì sự truyền đó được thực hiện dưới dạng nhiệt.
Công và nhiệt là hàm số của quá trình vì chúng đều phụ thuộc vào cách chuyển
biến.
- Nội năng: Nội năng của một vật thể bao gồm động năng của các phân tử chuyển
động và thế năng tương tác do sự hút và đẩy lẫn nhau giữa các phân tử cùng với
năng lượng của hạt nhân nguyên tử và năng lượng của các điện tử.
II. Định luật I
2.1. Định luật I nhiệt động học
Định luật I nhiệt động học được hình thành qua các công trình nghiên cứu
của các tác giảnhưM. V. Lomonoxob (1744), G. I. Heccer(1836), R. Majo (1842),
3

Học viên: Nguyễn Thị Hà


Trường Đại học công nghiệp Hà Nội
Helmholtz (1849), Joule (1877)... Định luật I nhiệt động học được phát biểu như
sau:
"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".

Định luật I nhiệt động học bao gồm hai phần:
- Phần định tính khẳng định năng lượng không mất đi mà nó chỉ chuyển từ dạng
này sang dạng khác.
- Phần định lượng khẳng định giá trị năng lượng vẫn được bảo toàn (tức giữ
nguyên giá trị khi qui đổi thành nhiệt lượng) khi chuyển từ dạng năng lượng này
sang dạng năng lượng khác. Giá trị năng lượng chỉ được bảo toàn khi quá trình xảy
ra là quá trình thuận nghịch và hiệu suất của quá trình đạt 100%. Đối với quá trình
bất thuận nghịch, hiệu suất của quá trình nhỏ hơn 100% thì ngoài phần năng lượng
truyền cho hệ phải cộng thêm phần năng lượng đã toảra môi trường xung quanh.
Biểu thức toán học của định luật I nhiệt động học: Một hệ cô lập ở trạng thái ban
đầu có nội năng U1, nếu cung cấp cho hệmột nhiệt lượng Q thì một phần nhiệt
lượng hệ sử dụng để thực hiện công A, phần còn lại làm thay đổi trạng thái của hệ
từ trạng thái ban đầu có nội năng U1 sang trạng thái mới có nội năng U2(U2>U1).
Từnhận xét trên ta có biểu thức:
Q = ΔU + A (1.1)
Trong đó ΔU = U2- U1
Công thức (1.1) có thểviết dưới dạng:
ΔU = U1- U1= Q - A (1.2)
Đối với quá trình biến đổi vô cùng nhỏ, phương trình (1.2) có thểviết dưới dạng:
dU = δQ - δA (1.3)
dU: Chỉ sự biến đổi nội năng, là hàm số trạng thái
δQ và δA: Chỉ sự biến đổi nhiệt và công, là hàm số của quá trình.
Từ biểu thức (1.2), định luật I nhiệt động học có thể phát biểu như sau:
"Sự biến thiên nội năng của hệ bằng nhiệt lượng do hệ nhận được trừ đi công do
hệ đã thực hiện".
Từ định luật I nhiệt động học dẫn đến các hệ quả sau đây:
4

Học viên: Nguyễn Thị Hà

Trường Đại học công nghiệp Hà Nội
- Nếu hệ biến đổi theo một chu trình kín (có trạng thái đầu và trạng thái cuối trùng
nhau) thì nội năng của hệ sẽ không thay đổi (U2= U1→ΔU = 0).
- Khi cung cấp cho hệ một nhiệt lượng, nếu hệ không thực hiện công thì toàn bộ
nhiệt lượng mà hệ nhận được sẽ làm tăng nội năng của hệ.
Theo (1.2) ΔU = U2- U1= Q - A, nếu A = 0 →U2- U1= Q.
Hệ nhận nhiệt nên Q > 0 →U2- U1= Q > 0 →U2> U1.
- Khi không cung cấp nhiệt lượng cho hệ mà hệ muốn thực hiện công thì chỉ có
cách là làm giảm nội năng của hệ.
Theo (1.2) ΔU = U2- U1= Q - A,
Nếu Q = 0 →U2- U1= -A →A = U1- U2.
Hệ muốn thực hiện công, tức A > 0
→U1- U2> 0 →U1> U2.
Sau khi thực hiện công (tức A > 0), nội năng của hệ đã giảm từ U1 xuống U2 nhỏ
hơn.
- Hệ thực hiện theo chu trình kín, nếu không cung cấp nhiệt lượng cho hệ thì hệ sẽ
không có khả năng sinh công.
ΔU = Q - A,
Nếu hệ thực hiện theo chu trình kín, theo hệquả 1 thì
ΔU = 0 →Q - A = 0 →Q = A
Do vậy, nếu Q = 0, tức không cung cấp nhiệt lượng cho hệ thì hệ cũng không có
khả năng sinh công, tức A = 0. Hệ quả này, có thể phát biểu dưới dạng: "Không thể
chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại một, là loại động cơ không cần cung cấp năng
lượng nhưng vẫn có khả năng sinh công".
2.2. Định luật I nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật
Người đầu tiên tiến hành thí nghiệm đểchứng minh tính đúng đắn của định
luật I nhiệt động học khi áp dụng vào hệthống sống là hai nhà khoa học Pháp
Lavoisier và Laplace vào năm 1780. Đối tượng thí nghiệm là chuột khoang. Thí
nghiệm cách ly cơ thể khỏi môi trường bên ngoài bằng cách nuôi chuột trong nhiệt

lượng kế ở nhiệt độ 0oC. Dùng một lượng thức ăn đã xác định trước đểnuôi chuột
thí nghiệm.
5

Học viên: Nguyễn Thị Hà


Trường Đại học công nghiệp Hà Nội
Trong cơ thể chuột sẽ diễn ra các phản ứng phân huỷthức ăn tới sản phẩm
cuối cùng là khí CO2và H2O, đồng thời giải phóng ra nhiệt lượng Q1. Nếu coi ở
điều kiện 0oC, chuột đứng yên, không thực hiện công mà chỉ sử dụng nhiệt lượng
giải phóng ra do oxy hoá thức ăn để cung cấp nhiệt lượng cho cơ thể và tỏa nhiệt ra
môi trường, qua nhiệt kế đo được sự tăng nhiệt độ, theo công thức sẽ tính được
nhiệt lượng Q1. Đồng thời lấy một lượng thức ăn tương đương với lượng thức ăn
đã cho chuột ăn trước khi thí nghiệm đem đốt cháy trong bom nhiệt lượng kế cũng
tới khí CO2và H2O, giải phóng ra nhiệt lượng Q2. So sánh hai kết quả thí nghiệm
thấy giá trị Q1tương đương với Q2. Điều này chứng tỏ nhiệt lượng giải phóng ra
từcác phản ứng hoá sinh diễn ra trong cơthể sống hoàn toàn tương đương với nhiệt
lượng giải phóng ra từ các phản ứng ôxy hoá diễn ra ởngoài cơ thể sống. Nói cách
khác, hiệu ứng nhiệt của quá trình ôxy hoá chất diễn ra ởtrong cơthể sống và hiệu
ứng nhiệt của quá trình ôxy hoá chất diễn ra ởngoài cơ thể sống là hoàn toàn tương
đương.
Để tăng độ chính xác của thí nghiệm, sau này có nhiều mô hình thí nghiệm
của nhiều nhà nghiên cứu được tiến hành nhưng đáng chú ý nhất là của Atwater và
Rosa vào năm 1904.
Đối tượng thí nghiệm là người và thời gian thí nghiệm là một ngày đêm (24
giờ). Trong thời gian thí nghiệm, cho người tiêu thụmột lượng thức ăn nhất định,
thông qua đo lượng khí ôxy hít vào (hay khí CO2thởra), nhiệt thải ra từ phân và
nước tiểu... sẽ tính được hiệu ứng nhiệt của các phản ứng phân huỷthức ăn diễn ra
ở cơ thể người trong 24 giờ.

Đồng thời đốt lượng thức ăn tương đương với lượng thức ăn mà người đã
tiêu thụ ở trong bom nhiệt lượng kế sẽ đo được nhiệt lượng toả ra. Kết quả thí
nghiệm:
Hiệu ứng nhiệt của các phản ứng diễn ra ở
cơ thể người trong 24 giờ
Nhiệt lượng toảra xung quanh : 1374 KCal
Nhiệt lượng toảra do thởra : 181 KCal
Nhiệt lượng toảra do bốc hơi qua da: 227 KCal
Nhiệt do khí thải ra : 43 KCal
Nhiệt toảra từphân và nước tiểu : 23 KCal
6

Học viên: Nguyễn Thị Hà

Nhiệt lượng do thức ăn
cung cấp
56,8 gam Protein : 237 KCal
79,9 gam Gluxit : 335 KCal
140,0 gam Lipit : 1307 KCal


Trường Đại học công nghiệp Hà Nội
Hiệu đính (do sai số) : 31 KCal
Tổng cộng nhiệt lượng thải ra : 1879 KCal

Tổng cộng : 1879 KCal

Lưu ý: Khi ôxy hoá 1 gam Protein ở trong bom nhiệt lượng kế tới khí
CO2và H2O, giải phóng ra 5,4 KCal còn trong cơ thể sống phân giải 1 gam Protein
tới urê chỉ giải phóng khoảng 4,2 KCal. Khi oxy hoá hoàn toàn 1 gam Gluxit, giải

phóng khoảng 4,2 KCal còn ôxy hoá hoàn toàn 1 gam Lipit giải phóng từ 9,3 đến
9,5 KCal.
Kết quả thí nghiệm của Atwater và Rosa khẳng định năng lượng chứa trong
thức ăn sau khi cơ thể tiêu thụ đã chuyển thành năng lượng giải phóng thông qua
quá trình phân giải bởi các phản ứng hoá sinh diễn ra trong cơ thể sống. Năng
lượng chứa trong thức ăn và năng lượng giải phóng ra sau khi cơ thể phân giải thức
ăn là hoàn toàn tương đương.
Nhiệt lượng trong cơ thể người được chia làm hai loại là nhiệt lượng cơ bản
(hay nhiệt lượng sơ cấp) và nhiệt lượng tích cực (hay nhiệt lượng thứ cấp). Nhiệt
lượng cơ bản xuất hiện ngay sau khi cơ thể hấp thụ thức ăn và tiêu thụ ôxy để thực
hiện phản ứng ôxy hoá đồng thời giải phóng ra nhiệt lượng. Ví dụ khi cơ thể hấp
thụ1 phân tử gam (tức 1M) glucose, lập tức xảy ra phản ứng ôxy hoá đường và giải
phóng ra 678 KCal (nhiệt lượng cơbản). Cơ thể sẽ sử dụng nhiệt lượng cơ bản vào
các hoạt động sống, nếu còn dư sẽ được tích luỹvào ATP. Phần nhiệt lượng tích
luỹ vào các hợp chất cao năng gọi là nhiệt lượng tích cực. Trong cơ thể sống, nhiệt
lượng cơbản và nhiệt lượng tích cực có liên quan với nhau. Nếu nhiệt lượng cơ bản
nhiều mà cơ thể sử dụng ít thì nhiệt lượng tích cực sẽ tăng lên. Nếu nhiệt lượng cơ
bản không có thì không những nhiệt lượng tích cực bằng không mà cơ thể phải
phân giải ATP, giải phóng ra năng lượng để cung cấp cho các hoạt động sống. Ở
trạng thái sinh lý bình thường, cơ thể sống sẽ duy trì mối tương quan nhất định
giữa nhiệt lượng cơ bản và nhiệt lượng tích cực. Ở mức độ tế bào, có khoảng 50%
năng lượng của chất dinh dưỡng được tích luỹ vào ATP.
2.3. Nhu cầu năng lượng của cơ thể

7

Học viên: Nguyễn Thị Hà


Trường Đại học công nghiệp Hà Nội

Cơ thể cần năng lượng để tái tạo các mơ cơ thể, duy trì thân nhiệt, tăng
trưởng và cho các hoạt động. Cơ thể người sử dụng hình thức cung cấp nhiệt cho
các hoạt động sau:
+ Năng lượng hoá học cho các quá trình chuyển hoá.
+ Năng lượng cơ học cho hoạt động của cơ.
+ Năng lượng nhiệt để giữ cân bằng nhiệt của cơ thể
+ Năng lượng điện cho hoạt động của não và các mô thần kinh.
Thực phẩm là nguồn cung cấp năng lượng: Glucid và Lipid là các nguồn năng
lượng chính, các nguồn khác là Protein và rược Etylic.
- Đơn vị năng lượng thể hiện bằng kí lô calo, viết tắt kcal: 1 kcal = 1000 calo.
Trong cơ thể, khi đốt 1g Glucid cho 4 kcal, 1g Lipid cho 9 kcal; 1g Protein cho 4
kcal. Để đảm bảo mức liên kết tối ưu giữa các chất sinh năng lượng, tỉ lệ năng
lượng Protid : Lipid : Glucid là 12 : 18 : 70 và tiến tới 14 : 20: 66. Tỉ lệ Lipid
không nên vượt quá 30 % năng lượng khẩu phần.
- Tiêu hao năng lượng của cơ thể trong một ngày được xác định bằng tổng số năng
lượng cơ thể sử dụng cho các phần sau:
+ Năng lượng sử dụng cho chuyển hoá cơ bản (CHCB)
+ Năng lượng do tác động nhiệt của thức ăn
+ Năng lượng cho hoạt động thể lực.
- Năng lượng cho CHCB: là năng lượng cần thiết để duy trì sự sống con người
trong điều kiện nhịn đói, hoàn toàn nghỉ ngơi và nhiệt độ môi trường sống thích
hợp.
8

Học viên: Nguyễn Thị Hà


Trường Đại học công nghiệp Hà Nội
Đó là năng lượng tối thiểu để duy trì các chức phận sinh lý cơ bản như tuần hoàn,
hô hấp, hoạt động các tuyến nội tiết, duy trì thân nhiệt.

Có nhiều yếu tố có ảnh hưởng tới CHCB bao gồm: cấu trúc cơ thể, nữ thấp hơn
nam, càng ít tuổi mức CHCB càng cao, cường giáp làm tăng CHCB, suy giáp làm
giảm CHCB, thân nhiệt tăng 1oC CHCB tăng 10%.
Để tính CHCB, trong phòng thí nghiệm sinh lý người ta đo trực tiếp thông qua
lượng oxy tiêu thụ. Trong dinh dưỡng thực hành công thức tổng quát tính năng
lượng cho CHCB cho người trưởng thành như sau:
+ Đối với nam: CHCB = 1 kcal x CN (kg) X 24 giờ
+ Đối với nữ: CHCB = 0,9 kcal x CN (kg) X 24 giờ
*/ Chỉ sổ BMR
Bằng cách tính được BMR, ta có thể tính toán được lượng calo nạp vào cơ
thể hàng ngày để giảm cân, tăng cân hay giữ cân.
Công thức này được nghiên cứu và chứng minh là gần chính xác nhất với thực tế.
Công thức mới nhất của Harris-Benedict được sửa đổi năm 1984 từ công thức gốc
năm 1919 do lối sống và thể trạng con người thay đổi sau nhiều năm:
a. Công thức BMR:
Basal metabolic rate (BMR): Tỷ lệ trao đổi chất cơ bản ( chính là lượng năng
lượng tiêu thụ tối thiểu trên 1 trọng lượng trong 1 đợn vị thời gian của động vật
máu nóng.
BMR nó là lượng năng lượng tiêu thụ tối thiểu để duy trì sự sống. Nó bao gồm các
năng lượng bỏ ra để duy trì các hoạt động sống của cơ thể như: Hoạt động não bộ,
tuần hoàn, hô hấp,...
Nam: [ (13.397 x Trọng lượng kg) + (4.799 x Chiều cao cm) - (5.677 x Tuổi năm)
+ 88.362 ]
Nữ : [ (9.247 x Trọng lượng kg) + (3.098 x Chiều cao cm) - (4.330 x Tuổi năm) +
447.593 ]
9

Học viên: Nguyễn Thị Hà

Trường Đại học công nghiệp Hà Nội
Từ kết quả lượng calo tiêu thụ trong 1 ngày ở trạng thái nghỉ ngơi, ta cần tính toán
thêm để biết lượng calo tiêu thụ phù hợp với cường độ vận động của mỗi người:
b. Lượng calo cần thiết để duy trì cân nặng của bạn:
Kiểu người:
• Nhóm 1. Ít hoặc không vận động: BMR x 1.2
• Nhóm 2. Vận động nhẹ: 1-3 lần/1 tuần: BMR x 1.375
• Nhóm 3. Vận động vừa phải: 3-5 lần/ 1 tuần: BMR x 1.55
• Nhóm 4. Vận động nhiều: 6-7 lần/1 tuần: BMR x 1.725
• Nhóm 5. Vận động nặng: Trên 7 lần 1 tuần: BMR x 1.9
- Kết quả tính ra là số lượng calo cần thiết nạp vào hàng ngày để có thể duy trì cân
nặng hiện tại của bạn.
- Nếu bạn muốn giảm cân, hãy giảm lượng calo tiêu thụ hàng ngày xuống và kết
hợp với tập luyện để đốt cháy lượng mỡ thừa trong cơ thể.
Lời khuyên của các chuyên gia bạn chỉ nên cắt giảm 200-500 calo mỗi ngày để có
thể giảm được 0.9-1.81 kg 1 tháng. Bạn không nên cắt giảm nhiều hơn bởi việc
giảm cân quá nhanh có thể ảnh hưởng đến sức khỏe.
- Nếu bạn muốn tăng cân, hãy cung cấp thêm calo cho cơ thể. Nên nhớ phải có
năng lượng dư ra mỗi ngày bạn mới có thể tăng cân được. Nhưng cũng có khuyến
cáo cho việc tăng cân quá nhanh như việc giảm cân. Tăng 10% lượng calo 1 ngày
để giữ cân là an toàn nhất. Nếu tăng 20% là tạm được. Không khuyến khích việc
tăng quá 20% lượng calo hàng ngày.
2.4. Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp và nguyên tắc hoạt động của
cơ thể sống
Phương pháp đo nhiệt lượng của Lavoadie và Laplace dùng trong thí
nghiệm chứng minh tính đúng đắn của định luật I nhiệt động học khi áp dụng vào
hệ sinh vật, gọi là phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp. Cơ sở của phương pháp
này là dựa vào lượng khí ôxy tiêu thụhoặc lượng khí CO2 do cơthểthải ra ở động
vật máu nóng (động vật có vú và người), có liên quan chặt chẽvới nhiệt lượng chứa
trong thức ăn. Ví dụ: Quá trình ôxy hóa glucose, phản ứng diễn ra như sau:

C6H12O6 + 6O2 = 6CO2+ 6H2O + 678 KCal
(180gam) (134,4l)
(134,4l)
10

Học viên: Nguyễn Thị Hà


Trường Đại học công nghiệp Hà Nội
Từ phản ứng trên cho thấy cứ ôxy hoá hoàn toàn 1 phân tử gam glucose thì cần
phải tiêu thụ6 phân tử gam ôxy đồng thời thải ra 6 phân tử gam khí CO2và giải
phóng ra 678 KCal. Ở điều kiện tiêu chuẩn, mỗi phân tử gam chất khí đều chứa
22,4 lít. Do vậy phân tửgam ôxy hoặc CO2 đều chứa: 6 x 22,4 lít = 134,4 lít.
Từ đó suy ra, cơ thể cứ tiêu thụ 1 lít O2 để ôxy hoá hoàn toàn một phân tử gam
glucose đồng thời thải ra 1 lít CO2 thì kèm theo giải phóng một nhiệt lượng là:
678 KCal: 134,4 lít = 5,047 KCal/lít và gọi là đương lượng nhiệt của ôxy.
Dựa vào phương pháp nhiệt lượng kếgián tiếp, có thểxác định được sựthải
nhiệt của bất kì động vật máu nóng nào thông qua sốlít ôxy tiêu thụ(hoặc sốlít
CO2thải ra). Từphản ứng ôxy hóa glucose ởtrên và sau này áp dụng chung cho
Gluxit khi ôxy hoá hoàn toàn sẽgiải phóng ra nhiệt lượng được tính theo công
thức:
Q(KCal) = số lít O2( hoặc số lít CO2) x 5,047 (1.4)
Khi ôxy hóa Protein, nhiệt lượng giải phóng ra được tính theo công thức:
Q(KCal) = số lít O2 x 4,46 (1.5)
Khi ôxy hoá Lipit, nhiệt lượng giải phóng ra được tính theo công thức:
Q(KCal) = số lít O2 x 4,74 (1.6)
Mối quan hệgiữa thức ăn, sốlít O2 tiêu thụ và số lít CO2 thải ra cùng đương lượng
nhiệt của ôxy được thểhiện qua bảng 1.1.
Bảng 1.1: Đương lượng nhiệt của ôxy đối với các loại thức ăn.
Thức ăn

Số lít O2 cần để
số lít CO2 thải ra
Đương lượng
ôxy hoá 1 gam
sau khi ôxy hoá
nhiệt của ôxy
thức ăn
1g thức ăn
Gluxit
0,83
0,83
5,047
Protein
0,97
0,77
4,46
Lipit
2,03
1,42
4,74
Đối với thức ăn hỗn hợp gồm cả Gluxit, Protein và Lipit khi bị ôxy hoá, nhiệt
lượng giải phóng ra được tính theo công thức:
Q(KCal) = sốlít O2x 4,825 (1.7)
Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp còn có thểxác định được nhiệt lượng giải
phóng ra khi ôxy hoá thức ăn thông qua: Thương số hô hấp là tỉ lệ khí CO2 trên
khí O2. Thương số hô hấp cũng thay đổi tuỳ thuộc vào loại thức ăn được ôxy hoá.
11

Học viên: Nguyễn Thị Hà

Trường Đại học công nghiệp Hà Nội
- Đối với phản ứng ôxy hoá glucose

Thương số hô hấp của glucose được sử dụng cho cả Gluxit.
- Đối với phản ứng ôxy hóa Lipit có thương sốhô hấp bằng 0,7, đối với Protein
bằng 0,8 còn với thức ăn hỗn hợp có giá trịnằm trong khoảng từ0,85 đến 0,9.
Thương số hô hấp có liên quan với đương lượng nhiệt của ôxy, thểhiện qua bảng
1.2.
Bảng 1.2: Thương sốhô hấp (TS hô hấp) và đương lượng nhiệt của ôxy (ĐLN của
ôxy)
TS hô hấp
0,7
0,75
0,8
0,85
0,9
0,95
1
ĐLN của ôxy
4,686 4,739
4,801 4,862 4,924 4,985 5,05
Khi ôxy hoá thức ăn, bằng cách đo lượng khí O2tiêu thụvà lượng khí
CO2thải ra (đơn vị là lít), tính được thương sốhô hấp. Dựa vào bảng 1.2, lấy giá trị
đương lượng nhiệt của ôxy tương ứng với thương sốhô hấp nhân với sốlít O2tiêu
thụ sẽ biết được nhiệt lượng giải phóng (còn gọi là lượng nhiệt trao đổi hay trị số
trao đổi năng lượng).
Ví dụ: Nếu thương số hô hấp là 0,85 thì có đương lượng nhiệt của ôxy là 4,862 và
biết cơ thể tiêu thụ 20 lít O2 thì trị số trao đổi năng lượng sẽ là:

4,862 x 20 lít O2= 97,24 KCal
III. Định luật II
3.1. Định luật II nhiệt động học
Định luật I nhiệt động học chỉ cho biết về sự biến đổi giữa các dạng năng
lượng khác nhau, cho phép xác định biểu thức chỉ rõ sự liên quan về lượng giữa
các dạng năng lượng khác nhau khi xuất hiện trong một quá trình cho trước. Song
định luật I nhiệt động học không cho biết quá trình khi nào có thể xảy ra hoặc
không xảy ra và chiều hướng diễn biến của quá trình nếu xảy ra thì theo chiều
hướng nào?

12

Học viên: Nguyễn Thị Hà


Trường Đại học công nghiệp Hà Nội
Định luật II nhiệt động học xác định được chiều hướng tự diễn biến của một
quá trình cũng như cho biết quá trình tự diễn biến đến khi nào thì dừng lại và cho
phép đánh giá khả năng sinh công của các hệ nhiệt động khác nhau.
Định luật II nhiệt động học có ba cách phát biểu.
Cách phát biểu thứ nhất còn gọi là tiên đề Clausius đưa ra 1850: "Nhiệt không thể
tự động truyền từ vật lạnh sang vật nóng". Từ đó suy ra rằng nhiệt nói riêng còn
những quá trình nhiệt động nói chung chỉ có thể tự diễn ra nếu xảy ra sự truyền
năng lượng từ mức độ cao đến mức độ thấp, tức là theo chiều gradien. Gradien của
một thông số đặc trưng cho một tính chất nào đó về trạng thái của hệ(như nồng độ)
được xác định bằng hiệu số giá trịcủa thông số đó ở tại hai điểm chia cho khoảng
cách giữa hai điểm đó.
Khi so sánh một tế bào sống với một vật vô sinh như một hạt cát ta thấy rõ
ngay rằng trong tế bào sống duy trì nhiều loại gradien khác nhau. Gradien màng để
duy trì điện thế tĩnh và điện thế hoạt động, gradien nồng độ để duy trì nồng độ,

gradien áp suất thẩm thấu để duy trì lượng nước trong tế bào... Nếu tế bào chết thì
các loại gradien cũng bị triệt tiêu. Nếu xét ở mức độ gradien thì sự sống của tế bào
luôn kèm theo sự tồn tại của các loại gradien. Cách phát biểu thứ hai do Thomson
phát triển tiên đề của Clausius "Không thể có một quá trình biến đổi chuyển toàn
bộ nhiệt lượng thành công".
Theo cách phát biểu của Thomson thì hiệu suất hữu ích của quá trình bao giờ cũng
nhỏ hơn 1 (tức η< 1). Điều này có nghĩa trong tự nhiên không có một quá trình nào
có thể chuyển toàn bộ nhiệt lượng được cung cấp thành công hữu ích. Đối với các
quá trình diễn ra trong hệ thống sống có tuân theo cách phát biểu của Thomson
hay không? Vấn đề này sẽ đề cập đến ở phần sau.
Cách phát biểu thứ ba trên cơ sở ý kiến của Planck, cho rằng Entropi là một
tiêu chuẩn đầy đủvà cần thiết đểxác định tính thuận nghịch và không thuận nghịch
của bất cứquá trình vật lí nào diễn ra trong thiên nhiên. Định luật II nhiệt động học
phát biểu nhưsau:
"Đối với hệ cô lập, mọi quá trình trong tựnhiên đều diễn biến theo chiều tăng của
entropi". Vậy entropi là gì? Để hiểu rõ đại lượng này ta xét ví dụ về nguyên lý hoạt
động của máy nhiệt.
13

Học viên: Nguyễn Thị Hà


Trường Đại học công nghiệp Hà Nội
Theo hình 1.1, nguyên lý hoạt động của máy nổ như sau:
Máy chỉ có khả năng sinh công A (tức bánh đã quay) khi được cung cấp năng
lượng là xăng. Khi xăng bị đốt cháy có nhiệt độ là T1và giải phóng nhiệt lượng là
Q1.
Một phần của nhiệt lượng Q1dùng để sinh công, phần còn lại đã truyền cho nguồn
nước làm lạnh máy là Q2, dẫn đến làm tăng nhiệt độ của nước là T2. Ở đây Q1>Q2
và T1>T2 Theo (1.8) thì hiệu suất hữu ích của quá trình thuận nghịch được xác

định theo công thức:

Nguồn cung cấp nhiệt ( T1)
Q1
.

Máy sinh công
Q2
Nguồn thu nhiệt ( T2)

Hình 1.1: Nguyên lý hoạt động của máy nổ
Từ vật lý học cho biết sự thay đổi entropi của một hệ được xác định theo công
thức:
ΔS = Q/T (1.13)
ΔS: sự thay đổi entropi của hệ.
Q: Nhiệt lượng cung cấp cho hệ(calo)
T: Nhiệt độ Kelvin (oK) của hệ
Đối với quá trình biến thiên vô cùng nhỏ, ta có:
14

Học viên: Nguyễn Thị Hà


Trường Đại học công nghiệp Hà Nội

Đơn vị của entropi là Cal/M.độ
Entropi là một hàm trạng thái nên nó chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái
cuối cùng của hệ.
Công thức (1.12) có thểbiểu diễn qua hàm entropi nhưsau:

S1: Entropi ở trạng thái đầu
S2: Entropi ở trạng thái cuối
Đối với quá trình thuận nghịch theo công thức (1.12) ta có:
S1=S2 →S = Const (hằng số) (1.15)
Trong một hệ nếu chỉ xảy ra các quá trình thuận nghịch thì hệ luôn duy trì ở trạng
thái cân bằng nên entropi của hệ là không đổi. Đối với quá trình không thuận
nghịch thì ΔS > Q/T vì nhiệt lượng cung cấp cho hệ không chỉ làm thay đổi entropi
của hệ mà còn làm thay đổi entropi của môi trường xung quanh do sự ma sát và tỏa
nhiệt. Thực nghiệm đã xác định đối với một quá trình không thuận nghịch thì
entropi của hệ ở trạng cuối (tức S2) bao giờ cũng lớn hơn so với entropi của hệ ở
trạng thái đầu (tức S1). Do vậy:
S2-S1>0 (1.16)
Trong một hệ xảy ra các quá trình không thuận nghịch thì entropi của hệ bao giờ
cũng tăng lên. Do vậy, nếu là hệ cô lập thì các quá trình xảy ra trong hệ sẽ tiến
triển theo chiều tăng của entropi và entropi của hệ sẽ đạt giá trị cực đại ởtrạng thái
cân bằng nhiệt động.
Tính chung cho cả quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch thì sự thay đổi
entropi của hệcó thể viết nhưsau:
ΔS ≥0 (1.17)
3.2. Định luật II nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật
15

Học viên: Nguyễn Thị Hà


Trường Đại học công nghiệp Hà Nội
Hệ thống sống là một hệ thống mở, luôn xảy ra quá trình trao đổi vật chất và
năng lượng với môi trường ngoài. Theo cách phát biểu của Thomson: "Không thể
chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại hai" là động cơ có hiệu suất hữu ích là 100%,
khi áp dụng vào hệ thống sống là hoàn toàn đúng đắn. Thực nghiệm đã xác định

mọi quá trình diễn ra trong hệ thống sống đều có hiệu suất hữu ích nhỏ hơn 100%
(xem bảng 1.4).
Bảng 1.4: Hiệu suất của một số quá trình sinh vật

Quá trình quang hợp của thực vật có hiệu suất 75% có nghĩa là cây xanh cứ
hấp thụ 100 calo từ năng lượng ánh sáng mặt trời thì có 75 calo được sử dụng vào
tổng hợp chất (phần năng lượng có ích) còn 25 calo tỏa nhiệt sởi ấm cơ thể hay
phát tán nhiệt ra môi trường xung quanh (phần năng lượng vô ích).
* Vai trò của entropi
Đối với hệ cô lập, định luật II nhiệt động học đã khẳng định mọi quá trình
diễn biến đều diễn ra theo chiều tăng của entropi và đạt giá trị cực đại khi đạt đến
trạng thái cân bằng nhiệt động thì dừng hẳn. Cơ thể sống là một hệ mở cho nên
không thể áp dụng định luật II nhiệt động học trực tiếp lên cơ thể sống. Định luật
II nhiệt động học chỉ có thể áp dụng vào hệ sinh vật nếu xem hệ bao gồm cả cơ thể
sống và môi trường sống.
Về mối liên quan giữa entropi và độ trật tự cấu trúc của cơ thể sống,
Schrodinger cho rằng: "Sự sống là sự hấp thụ entropi âm". Giải thích quan điểm
này, theo tác giả là cơ thể sống luôn luôn duy trì độ trật tự cao của mình bằng cách
hấp thụ chất dinh dưỡng có độ trật tự cao như protit, Gluxit, Lipit qua thức ăn.
Thực ra, khi tiêu thụ chất dinh dưỡng, cơ thể sống không sử dụng chúng như một
16

Học viên: Nguyễn Thị Hà


Trường Đại học công nghiệp Hà Nội
nguồn trật tự (để nguyên và dùng làm nguyên liệu để xây dựng nên cơ thể sống)
mà chất dinh dưỡng sau khi hấp thụ được phân giải thành chất để tế bào có thể hấp
thu được. Chẳng hạn Protein của thịt gà có độ trật tự cao (tức entropi thấp) khi
được cơ thể hấp thụ nó sẽ bị phân giải thành các axit amin nên có độ trật tự kém

hơn (tức entropi cao). Do vậy, quan điểm của Schrodinger là hoàn toàn không phản
ánh đúng bản chất của quá trình tiêu hóa và hấp thu của cơ thể sống. Độ trật tự cấu
trúc và độ trật tự của các quá trình sinh học diễn ra trong cơ thể sống không phải
do entropi quyết định mà do cơ thể sử dụng nguồn năng lượng tự do từ nguồn thức
ăn để duy trì sự tồn tại và phát triển của cơ thể sống. Trong quá trình phát sinh và
hình thành sự sống trên trái đất, trải qua thời gian tiến hóa với sự chọn lọc của tự
nhiên đã hình thành nên các loài sinh vật có sự thích nghi cao với từng loại môi
trường sống. Do các nguyên lí của các quá trình sinh học quyết định đã làm cho cơ
thể sống thích nghi cả về mặt cấu trúc cũng như thích nghi về mặt chức năng chứ
không phải hoàn toàn do entropi quyết định như trong hệ lý hóa.
Tuy nhiên mọi quá trình sinh lý, sinh hóa diễn ra trong cơ thể sống đều kèm
theo sự thay đổi của entropi.
Khi xét entropi riêng của một cơthể sống mà không gắn với entropi của môi
trường sống thì khi cơ thể ởtrạng thái cân bằng dừng, entropi có một giá trị xác
định nhưng không phải là cực đại và không đổi. Khi cơ thể sống nhiễm phóng xạ,
nhiễm chất độc hại, nhiễm virut thì entropi sẽ tăng và có giá trị lớn hơn so với
entropi khi ở trạng thái cân bằng dừng. Khi cơ thể sống có quá trình sinh tổng hợp
chất (nhưquá trình quang hợp ở thực vật) diễn ra mạnh hơn so với quá trình phân
hủy chất thì entropi sẽ giảm và có giá trị nhỏ hơn so với entropi khi ởtrạng thái cân
bằng dừng là trạng thái có tốc độ phản ứng tổng hợp cân bằng với tốc độ phản ứng
phân hủy. Sự thay đổi entropi diễn ra trong cơ thể sống không vi phạm định luật II
nhiệt động học vì cơ thể sống là một hệ mở chứ không phải là một hệ cô lập.

3.3. Phân biệt nguyên tắc hoạt động của cơ thể sống với máy nhiệt
17

Học viên: Nguyễn Thị Hà


Trường Đại học công nghiệp Hà Nội

Máy nhiệt là động cơ dùng nhiên liệu đốt như dầu Diedel, xăng để sinh công như
máy nổ ôtô, xe máy, máy bơm nước... Trong cơ học, hiệu suất sử dụng năng lượng
của một cái máy nhiệt, được tính theo công thức:

Công thức chuyển đổi giữa nhiệt độKelvin và nhiệt độbách phân (oC):
T(oK) = t(oC) + 273 (1.9)
Giả sử hiệu suất sử dụng năng lượng của một máy nhiệt đạt trung bình là
33% = 33/100 ≈1/3
Nếu ta cũng giả sử cơ thể sống hoạt động giống như một máy nhiệt, tức là cũng có
hiệu suất sử dụng năng lượng là 33% ?
Nhiệt độ ban đầu của cơ thể người là 37oC, theo công thức (1.9) tính ra:
T1= 37 + 273 = 310oK Thay η= 33% ≈31và T1= 310oK vào công thức (1.8) sẽ
được:

Kết quả trên cho thấy cơ thể sống hoạt động không giống như một máy nhiệt. Đối
với cơ thể sống, Protein bị biến tính ngay ở nhiệt độ từ40 oC đến 60oC còn ở192oC
thì không có một sinh vật nhân chuẩn nào có thể sống được. Điều đó khẳng định
cơ thể sống hoạt động không giống như một máy nhiệt mà hoạt động theo
nguyên lý của các quá trình sinh học.

18

Học viên: Nguyễn Thị Hà


Trường Đại học công nghiệp Hà Nội
Tài liệu tham khảo
1. Giáo trình nhiệt động học cho hệ sinh vật – trường đại học Thái Nguyên
2.

Hóa lý (tập 1) – Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế Nhà xuất bản giáo dục

3.

Vật lý đại cương – Lương Duyên Bình - Nhà xuất bản giáo dục

4.

Vật lý phân tử và nhiệt học – Lê Văn- Nhà xuất bản giáo dục.

5.

Nguyên lý động cơ đốt trong – Nguyễn Tất Tiến - Nhà xuất bản giáo dục

6.

Nhiệt động học trong kỹ thuật hóa học – La Văn Bình – Nhà xuất bản
khoa học và kỹ thuật

19

Học viên: Nguyễn Thị Hà