Nhiệt động học

NHIỆT ĐỘNG HỌC
CÁC HỆ SINH VẬT

Viện Vật lý Y Sinh


•
•
•
•

Yêu cầu: nắm vững các nguyên lý của nhiệt
động học.
Đối tượng: các hệ nhiệt động
Mục đích: nghiên cứu sự chuyển hóa khác nhau
của các dạng năng lượng.
Phương pháp: tiên đề
+ Đối tượng không cấu trúc

Viện Vật lý Y Sinh


•

•

Nội dung:
+ Nguyên lý 1 và nguyên lý 2.
Áp dụng vào sinh học:
+ Cơ thể sống có phải hệ nhiệt động không
+ Năng lượng có phải là P,V,T không

+ Có bảo toàn năng lượng không
+ Có chiều biến thiên không

Viện Vật lý Y Sinh


•

Ứng dụng trong y học

+ Chẩn đoán đánh giá trạng thái
+ Vai trò của nhiệt trong y học
+ Tác nhân vật lý

Viện Vật lý Y Sinh


* Nhiệt động học: ngành KH nghiên cứu các
quy luật chuyển hóa năng lượng từ dạng
này sang dạng khác.
* Các hệ nhiệt động:
- Hệ cô lập.
- Hệ kín.
- Hệ mở.

Viện Vật lý Y Sinh


Viện Vật lý Y Sinh

NGUYÊN LÝ 1
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 năng lượng ban
đầu
dU = dQ + dA

Viện Vật lý Y Sinh


NGUYÊN LÝ 1
- Công:
+ Công cơ học
+ Công hóa học
+ Công thẩm thấu
+ Công điện

Viện Vật lý Y Sinh


NGUYÊN LÝ 1
-

-

Năng lượng:
ADP + P + W -> ATP
ATP + H2O = ADP + H3PO4 + (7 – 8,5 Kcal)

Nhiệt:
+ Sơ cấp
+ Thứ cấp
Viện Vật lý Y Sinh


NGUYÊN LÝ 1

Viện Vật lý Y Sinh


NGUYÊN LÝ 1
Sơ đồ chuyển hóa năng lượng trong cơ thể
ATP
E
Mặt trời,

Ai
Q1

Đồ ăn

Q1
Q2

ADP + ~ P
Viện Vật lý Y Sinh


NGUYÊN LÝ 1

-

-

Cơ thể hoạt động như 1 máy hóa, nhiệt sinh ra
đóng vai trò như 1 hao phí. Tuy nhiên, không thể
xem quá trình sinh nhiệt là hoàn toàn vô ích.
Có 2 cơ chế điều chỉnh nhiệt lượng sinh ra: thay
đổi tốc độ tạo thành nhiệt sơ cấp và thứ cấp.

Viện Vật lý Y Sinh


NGUYÊN LÝ 1
-

Bảo toàn năng lượng trong cơ thể sống:

Thức ăn

Năng lượng = Công sinh ra bởi cơ thể
oxy hóa
Cô lập –

Đo nhiệt lượng thải ra

Viện Vật lý Y Sinh


NGUYÊN LÝ 1

-

-

Thế kỷ 18: Lavoisier – Laplace:
đo trên chuột
E (oxy hóa thức ăn trong cơ thể) = E (đốt
thức ăn trong nhiệt lượng
kế)
Etuvateur: Ethải ra (đo nhiệt trực tiếp)
Evào (oxy hấp thụ, CO2, nitơ, ure,…thải ra)
ΣEvào = ΣEra
Viện Vật lý Y Sinh


NGUYÊN LÝ 1
1g

lipit – 9,3 Kcal
gluxit – 4,2 Kcal
protit – 4,2 Kcal

Đưa vào (Kcal)
Thức ăn:
56,8g protit
237
140g lipit
1307
79,9g glucit
335

Σ: 1879

Thải ra (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
Σ 1859

Viện Vật lý Y Sinh


NGUYÊN LÝ 1
-> Cơ thể thực sự không thể là 1 nguồn năng lượng
mới
- Tất cả các dạng công trong cơ thể được thực hiện
nhờ 1 lượng tương đương năng lượng giải phóng
ra trong quá trình oxy hóa thức ăn.

Viện Vật lý Y Sinh

ĐỊNH LUẬT HESS

Q1 = Q2 + Q3 = Q4 + Q5 + Q6

Ví dụ:
C
+ O2 = CO2 + 97 Kcal/mol
(-) CO + ½ O2 = CO2 + 68 Kcal/mol
C

+ ½ O2 = CO + 29 Kcal/mol

Viện Vật lý Y Sinh


HẠN CHẾ CỦA NGUYÊN LÝ 1
-

Không cho biết chiều diễn biến thực tế xảy
ra.
Sự chuyển hóa giữa công và nhiệt.

Viện Vật lý Y Sinh


NGUYÊN LÝ 2
-

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 xác suất lớn

Viện Vật lý Y Sinh


NGUYÊN LÝ 2
•

Phương pháp năng lượng tự do:
- Khả năng xảy ra các quá trình nhiệt động, chiều
hướng và giới hạn của chúng được đặc trưng bởi
những tham số trạng thái như entropi và năng
lượng tự do.
- Entropi: S = Q/T
S là hàm trạng thái
S là hàm có tính chất cộng được
S là đại lượng cho thấy mức độ hỗn loạn của hệ
Viện Vật lý Y Sinh


NGUYÊN LÝ 2
-

Năng lượng tự do:
dU = dF + TdS

Dưới dạng giá trị tuyệt đối: U= F + TS
Năng lượng tự do của hệ là phần năng lượng sử
dụng sinh công;
Năng lượng liên kết là năng lượng được phát tán
dưới dạng nhiệt

Viện Vật lý Y Sinh


NGUYÊN LÝ 2
- Nguyên lý 2 cho rằng: một quá trình 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, năng lượng liên kết tăng lên.
- Các quá trình chuyển hóa năng lượng xảy ra cho
đến khi năng lượng tự do bằng không và entropi
tăng đến cực đại. Trạng thái này gọi là cân bằng
nhiệt động, hệ không có khả năng sinh công và
hoàn toàn mất trật tự.
Viện Vật lý Y Sinh


NGUYÊN LÝ 2
-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:
HS = A/dF ≤ 1 (HS=1 trong qtr thuận nghịch)
- Giá trị HS cực đại của 1 số quá trình:

Glucoliz
0,36
Oxy hóa-Phosphorin hóa
0,55
Co cơ
0,40
Quang hợp
0,75
Viện Vật lý Y Sinh


NGUYÊN LÝ 2
•
-

Gradient
Năng lượng hóa học của ATP tạo nên gradient, sự
phân giải các gradient sinh công. Sự tồn tại gradient
đặc trưng cho cơ thể sống.
Gradient trong cơ thể: gradient nồng độ gây ra bởi
sự phân phối không đồng đều các vật chất khác
nhau trong và ngoài tế bào, gradient điện trên màng
tế bào do nồng độ khác nhau của các ion K, Na,…

Viện Vật lý Y Sinh


NGUYÊN LÝ 2
-

Gradient của đại lượng Y:

Gradient Y = G = ΔY/Δx
- Gradient là 1 vecto hướng từ vùng cao tới vùng
thấp.
- Một hệ nhiệt động có thể sinh công khi chứa các
gradient, hệ tiềm chứa 1 lượng năng lượng tự do
F = RTln(Y1/Y2)
R: hằng số khí = 8,314472 J/K.mol
- Chiều hướng của quá trình: giảm gradient, dừng lại
khi cân bằng.

Viện Vật lý Y Sinh