Một lý thuyết nhiệt động đối với các đại phân tử sinh học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
======

ĐẶNG THỊ THANH HẰNG

MỘT LÝ THUYẾT NHIỆT ĐỘNG ĐỐI
VỚI CÁC ĐẠI PHÂN TỬ SINH HỌC
Chuyên ngành: Vật lí lí thuyết và Vật lí toán
Mã số: 60 44 01 03

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN TRÍ LÂN

NGUYỄN TRÍ LÂN

HÀ NỘI, 2017


Lời cảm ơn

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới Tiến sĩ Nguyễn Trí Lân
- Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Thầy đã
hướng dẫn tận tình, đầy hiệu quả, thường xuyên chỉ bảo, giúp đỡ, động viên, tạo
môi trường làm việc tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và thực
hiện đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường ĐHSP Hà Nội II, các thầy cô
trong khoa vật lý đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập
và làm luận văn này.
Xin cảm ơn các thầy cô trong Viện Vật lý đã giúp đỡ, đóng góp, cung cấp cho

tôi những kiến thức bổ ích về vấn đề nghiên cứu.
Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những người thân trong gia
đình và bạn bè đã cổ vũ động viên, tạo mọi điều kiện cho tôi trong suốt thời gian
học tập và làm luận văn.

Hà Nội, tháng 06 năm 201 7
Tác giả

ĐẶNG THỊ THANH HẰNG


Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn
của Tiến sĩ Nguyễn Trí Lân. Luận văn không hề trùng lặp với những đề tài khác.
Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn sinh viên
để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn.

Hà Nội, tháng 06 năm 201 7
Tác giả

ĐẶNG THỊ THANH HẰNG


Mục lục

Mở đầu
Lí do chọn đề tài . . .
Mục đích nghiên cứu .
Nhiệm vụ nghiên cứu .

Đối tượng nghiên cứu .
Phương pháp nghiên cứu

1

1
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

Nhiệt động học sinh học
1.1 Sự chuyển hóa năng lượng trong các hệ sinh học
1.2 Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học . .
1.2.1 Nội dung . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2 Enthalpy . . . . . . . . . . . . . .
1.2.3 Áp dụng định luật I cho hệ sinh học. . .
1.3 Định luật thứ hai của nhiệt động học. . . . .
1.3.1 Nội dung . . . . . . . . . . . . . .
1.3.2 Entropy . . . . . . . . . . . . . .
1.3.3 Áp dụng định luật II cho hệ sinh học . .
1.4 Năng lượng tự do Gibbs . . . . . . . . . .

2

.
.
.
.

.

1
4
4
4
4
6

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.

.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

Các đại phân tử sinh học

2.1 Một vài nét về đại phân tử sinh học . . . . . . . . .
2.1.1 Sự hình thành của đại phân tử sinh học đầu tiên .
2.1.2 Khái niệm đại phân tử sinh học . . . . . . . .
2.2 Cấu trúc và chức năng của một số đại phân tử sinh học .
2.2.1 Cấu trúc của protein . . . . . . . . . . . . .
2.2.1.1 Cấu trúc sơ cấp hay cấu trúc bậc I
2.2.1.2 Cấu trúc bậc II . . . . . . . . . . .

7
13
13
17
19
21
21
22
25
27
30

. .
. .
. .
. .
. .
. . .
. . .

.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
. . .
. . .

30
30

33
34
35
35
36


2.2.1.3 Cấu trúc bậc III
2.2.1.4 Cấu trúc bậc IV
2.2.2 Chức năng của protein . . . .
2.3 Sự biến tính và cuộn xoắn của protein

3

.
.
.
.

.
.
.
.

. . .
. . .
. .
. .

.

.
.
.

. . .
. . .
. .
. .

.
.
.
.

. . .
. . .
. .
. .

.
.
.
.

.
.
.
.

. . .

. . .
. .
. .

Chuyển pha áp suất — nhiệt độ
3.1 Nước dạng lỏng . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Sự chuyển pha của các đại phân tử sinh học . . . . .
3.3 Các lý thuyết chuyển pha áp suất — nhiệt độ đối với
sinh học . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1 Giản đồ pha dạng Elliptic của Protein . . . . .
3.3.2 Giới hạn của lý thuyết nhiệt động lực học . . .
3.4 Một vài ứng dụng của giản đồ pha áp suất - nhiệt độ .
3.4.1 Myoglobin . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.2 Ribonuclease . . . . . . . . . . . . . . .

38
39
40
41
44

. . .
. . .
các đại
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .

. . . .
. . . .
phân tử
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .

45
46
49
49
56
57
57
58

Kết luận

60

Tài liệu tham khảo

61


1

Mở đầu

Lí do chọn đề tài
Sự phát triển của nhiệt động lực học là một vấn đề hấp dẫn trong lịch sử khoa
học. Sự áp dụng kiến thức vật lý vào nghiên cứu sinh học đã được thực hiện vào
cuối thế kỷ XVIII. Năm 1780 hai nhà khoa học Pháp là Lavoadie và Laplace đã
tiến hành thí nghiệm để nghiên cứu tính khả dụng của định luật I nhiệt động
học áp dụng vào hệ sống.
Năm 1929, Berger ghi được điện não đồ của động vật. Lịch sử hình thành Lý sinh
đã được Taruxop, giáo sư trường Đại học tổng hợp Lomonoxop khẳng định: "Lý
sinh được xem như là một khoa học bắt đầu được hình thành từ thế kỷ XIX".
Thế kỷ XX là thế kỷ phát triển mạnh mẽ những nghiên cứu khoa học về Lý sinh
trong các lĩnh vực: Nhiệt động học, động học của các quá trình sinh vật, vận
chuyển chất qua màng tế bào, quang sinh học và phóng xạ sinh học v.v...
Theo Albert Einstein - một nhà vật lý người Mỹ gốc Đức, sống 1879-1955. Ông
đã được trao giải Nobel Vật lý năm 1921 và được mô tả như là "Người đàn ông
của thế kỷ" do tạp chí Time bầu chọn vào cuối năm 1999. Ông đã nói rằng: "nhiệt
động lực học cổ điển... là lý thuyết vật lý duy nhất tổng quát, trong khả năng ứng
dụng và trong các cơ sở lý thuyết của nó, mà tôi tin rằng sẽ không bao giờ bị lật
đổ.” C. P. Snow, một nhà vật lý người Anh, ”Nội dung của định luật thứ hai nhiệt
động lực học thể hiện sự thiếu hiểu biết của Shakespeare, nhằm nhấn mạnh tầm
quan trọng của nhiệt động lực học về nhận thức các tính chất (đặc trưng) cơ bản
của thế giới vật chất.”
Saibal Mitra, giáo sư vật lí tại Đại học Missouri, cho rằng: Có một số cách khác
phát biểu định luật thứ hai, ông nói. ”Ở cấp độ rất vi mô, nó đơn giản phát biểu
rằng nếu bạn có một hệ cô lập, thì mọi quá trình tự nhiên trong hệ đó diễn tiến
theo hướng làm tăng mức hỗn loạn, hay entropy, của hệ.” Mitra giải thích rằng
mọi quá trình đều mang lại sự tăng entropy. Cho dù khi trật tự tăng lên ở một
nơi nhất định, chẳng hạn bởi sự tự lắp ráp của các phân tử tạo ra một sinh vật

2
sống, thì khi ta xét toàn bộ hệ bao gồm cả môi trường, luôn luôn có một sự tăng
entropy toàn phần. Trong một ví dụ khác, các tinh thể có thể hình thành từ dung
dịch muối khi nước bay hơi. Các tinh thể thì trật tự hơn các phân tử muối trong
dung dịch; tuy nhiên, nước bay hơi thì hỗn loạn hơn nhiều so với nước lỏng. Quá
trình xét tổng thể mang lại sự tăng mức hỗn loạn.
Và M. V. Volkenstein, thành viên của Viện Sinh học phân tử và Viện Hàn lâm
Khoa học Liên Xô, đã viết, ”Khi khảo sát bất kì một hệ vật lý nào, bao gồm cả
một hệ sống, bắt đầu là việc mô tả nhiệt động học hiện tượng luận của nó.”
Sự quan tâm trong ngành khoa học Lý sinh chưa bao giờ dừng lại và nó ngày
càng lớn dần khi khoa học kĩ thuật - đất nước ngày một phát triển. Cụ thể, bước
sang thế kỷ XXI, hàng loạt vấn đề đang được đặt ra cho các nhà khoa học cần
phải nghiên cứu. Đó là năng lượng sinh học, sự chuyển hoá năng lượng và sử
dụng năng lượng của hệ sống? Bản chất và cơ chế hình thành điện thế sinh vật?
Hiện tượng phân cực ở trong hệ thống sống xảy ra như thế nào và có gì khác so
với ở hệ vật lý? Các chỉ số đặc trưng về vật lý và hoá lý đối với tế bào, mô, cơ
quan, cơ thể có mối liên quan như thế nào trong hệ thống tiến hoá? Vấn đề tự
điều chỉnh các quá trình sinh học của cơ thể sống trước những thay đổi của yếu
tố môi trường cũng đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Sinh học
phóng xạ hiện đang thu hút nhiều nhà khoa học đi sâu nghiên cứu nhằm phục vụ
cho công tác chọn giống mới, bảo quản lương thực, thực phẩm, công cuộc chinh
phục vũ trụ, sử dụng năng lượng hạt nhân vì mục đích hoà bình và không loại
trừ khả năng có cuộc chạy đua vũ trang trong việc nắm giữ "đòn hạt nhân đầu
tiên" với tham vọng bá quyền thế giới?
Ngày nay, sinh học, hóa sinh, lý sinh và công nghệ sinh học đang thu hút sự chú
ý của những người trẻ tuổi, dựa trên phương pháp mà các nhà vật lý và hóa học
đã làm cách đây ba mươi, bốn mươi và năm mươi năm trước. Hiện đã có một sự
thay đổi lớn trong nhận thức của dư luận và trong phân bổ nguồn tài nguyên cho

các nghiên cứu của các trường đại học. Cụ thể, những đột phá trong di truyền
học, sinh học tế bào, và y học đang thay đổi cách chúng ta sống, từ việc cải thiện
chất lượng của sản phẩm để xoá bệnh; mọi người cũng được khuyến khích tìm
hiểu về nguồn gốc và ý nghĩa của cuộc sống. Phát triển nhận thức về hình học
của cuộc sống, về quy mô chiều dài mở rộng từ một sinh vật riêng lẻ cho đến một
yếu tố cấu trúc của một đại phân tử cá nhân, đã dẫn đến một sự đánh giá lại các
nguyên tắc của thiết kế trong tất cả các ngành kỹ thuật, bao gồm cả tính toán.
[2]
Và một vài thập kỷ sau khi đầu tiên xác định được ở độ phân giải nguyên tử các
cấu trúc của DNA sợi kép và protein, nó ngày càng trở nên rõ ràng rằng cả hai
thông tin nhiệt động và cấu trúc là cần thiết để đạt được một nhận thức sâu sắc
về tính chất chức năng của các đại phân tử sinh học. Protein là một loại máy


3
móc của thiên nhiên có kích thước nano, đang cung cấp nguồn cảm hứng cho sự
sáng tạo cho các nhà khoa học lý - sinh - hóa và các kiểm soát của vật chất ở cấp
độ nguyên tử. Nhiệt động lực học của protein co - duỗi được sử dụng để minh
họa một số điểm chính. Tại sao phải nhấn mạnh protein? Khoảng 50% khối lượng
khô của cơ thể con người là protein, không có tế bào nào có thể hoạt động mà
không cần protein. Vì protein đảm nhiệm nhiều chức năng liên quan đến toàn bộ
hoạt động sống của tế bào, quy định các tình trạng và các tính chất của cơ thể
sống.
Như ta đã biết, sự sống đầu tiên được phát sinh từ nước. Chất lỏng nước vừa là
thành phần cấu tạo vừa là dung môi hòa tan nhiều chất cần thiết cho các hoạt
động sống của tế bào, đồng thời nước còn là môi trường của các phản ứng sinh
hóa. [28] Do vậy, chất lỏng nước định hướng hay quyết định các tính chất của
tất cả các cấu trúc sinh học. Nhà triết học Hy Lạp Thales Miletus (khoảng 550
TCN) được trích dẫn bởi Aristotle (Lý thuyết Siêu hình, 983b) quan niệm toàn
bộ thế giới của chúng ta được khởi nguồn từ nước. Nước là bản chất chung của

tất cả mọi vật, mọi hiện tượng trong thế giới. Mọi cái trên thế gian đều khởi
nguồn từ nước và khi bị phân hủy lại biến thành nước. Thales có nói rằng: ”Mọi
vật đều sinh ra từ nước; thứ nhất bản nguyên của mọi động vật là tinh dịch, mà
tinh dịch thì ẩm ướt; thứ hai, mọi thực vật đều sống bằng nước và đâm hoa kết
trái nhờ nước, sẽ khô héo nếu thiếu nước; thứ ba, bản thân ánh sáng của mặt trời
và các thiên thể cùng tiêu thụ hơi nước, giống như bản thân vũ trụ.’’ Chính trong
môi trường nước, các tiểu phân tử và ion lắp ráp thành các đại phân tử, đại phân
tử tích hợp thành bào quan và hình thể của tế bào, tức toàn bộ khối lượng còn
lại của cơ thể sinh vật. Các phân tử đó gồm amino acid, lipid, glucid, protein...
Hơn nữa, trong các thí nghiệm sinh hóa - sinh lý, ngoài nhiệt độ thì áp suất cũng
thông số rất quan trọng và chúng là các biến nhiệt động. Trong những thập kỷ
qua, số thực nghiệm cho áp suất cao được thực hiện trên hệ thống sinh học đã
tăng lên đáng kể. Có nhiều lý do để cần đo áp suất hiệu dụng (biểu kiến) trong
các hệ thống nhiệt động lực học. Có lẽ lý do quan trọng nhất là nhờ đó có thể
tách rời ảnh hưởng của sự thay đổi thể tích và nhiệt năng đối với áp suất, khi
chúng xuất hiện cùng lúc trong các thí nghiệm về nhiệt độ. Trong quá trình sinh
học phân tử, áp suất rất nhạy cảm với sự thay đổi thể tích của hệ. Do đó, khi
thay đổi thể tích liên quan đến các quá trình hóa học (sinh học), có thể sử dụng
áp suất như là một biến thực nghiệm.
Những lập luận trên cho thấy rõ rằng, một vài hiện tượng đóng vai trò quan
trọng được nghiên cứu không chỉ ở các thí nghiệm về nhiệt độ mà còn trong các
thí nghiệm áp suất, hoặc cả hai. Trong luận văn này, chúng tôi sẽ thảo luận về
các quá trình khác nhau của nhiệt động lực học (sự biến tính, quá trình chuyển
pha,..,) trên mặt phẳng đồ thị áp suất - nhiệt độ (p − T ) của nước ở dạng lỏng.


4
Vì những lý do trên, đề tài ”Một lý thuyết nhiệt động đối với các đại phân
tử sinh học” được chọn làm luận văn thạc sĩ khoa học của học viên Đặng Thị
Thanh Hằng.

Mục đích nghiên cứu
• Tìm hiểu một cách tổng quát về một lý thuyết nhiệt động đối với các đại
phân tử sinh học;
• Tìm hiểu các lý thuyết và ứng dụng của sự chuyển pha áp suất — nhiệt độ
đối với các đại phân tử sinh học.

Nhiệm vụ nghiên cứu
• Xây dựng bức tranh vật lý về một lý thuyết nhiệt động đối với các đại phân
tử sinh học;
• Thực hiện một số tính toán giải tích cho sự chuyển pha áp suất — nhiệt độ
đối với các đại phân tử sinh học, đối với các dao động mật độ của nước ở
dạng lỏng.

Đối tượng nghiên cứu
• Nhiệt động học sinh học;
• Các đại phân tử sinh học, nước dạng lỏng...;
• Các lý thuyết chuyển pha áp suất — nhiệt độ đối với các đại phân tử sinh
học.

Phương pháp nghiên cứu
• Ứng dụng các công cụ vật lý lý thuyết hiện đại như lý thuyết hệ nhiều hạt,
lý thuyết các hệ phức hợp, nhiệt động lực học sinh học và vật lý thống kê,
...
• Sử dụng các phần mềm tính số và xây dựng đồ thị thể hiện các kết quả
giải tích thu được trong và sau quá trình tính toán giải tích đồi với các đối
tượng thuộc phạm vi nghiên cứu.


5

• Thảo luận, trao đổi với những nhà nghiên cứu có cùng đối tượng nghiên
cứu nhằm làm rõ và nâng cao nhận thức và kỹ năng trong lĩnh vực nghiên
cứu.


6

CHƯƠNG

1

Nhiệt động học sinh học

Nhiệt động lực học là bộ môn khoa học về biến đổi và chuyển hóa năng lượng
nhiệt. 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 phức hệ ”cơ thể - môi trường”.
Các sinh vật sống và các tế bào cấu tạo nên chúng không phải là những cái máy
nhiệt mà là những máy chuyển hóa, chúng biến đổi năng lượng hóa 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 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 chủ yếu cho tất cả các
quá trình sống trên trái đất.
Nhiệt động học sinh học là lĩnh vực nghiên cứu hiệu ứng biến đổi và chuyển hoá
giữa các dạng năng lượng nhiệt với các quá trình xảy ra trong hệ thống sinh học.
Cơ thể sống trong quá trình sinh trưởng và phát triển đều cần có sử dụng năng
lượng vì vậy nhiệt động học sinh học là lĩnh vực mới rất cần thiết nghiên cứu.
Hiện nay, nhiệt động học sinh học 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 khuếch tán, thẩm thấu, vận chuyển tích cực...;
• Nghiên cứu cơ chế tác động của sự thay đổi các yếu tố môi trường lên quá
trình chuyển hoá năng lượng và sự trao đổi năng lượng giữa cơ thể sống với


7
môi trường.
Do vậy, trong chương này sẽ trình bày một cách cơ bản về sự chuyển hóa năng
lượng ở mức độ phân tử, nhiệt động lực học hệ sinh học cùng với các ứng dụng
của nhiệt động lực học vào hệ sinh học.

1.1

Sự chuyển hóa năng lượng trong các hệ sinh
học

Nhiều người Hy Lạp cổ đại miêu tả con người như một mô hình thu nhỏ của vũ
trụ. Mỗi con người được tạo thành từ cùng một nguyên tố như toàn bộ vũ trụ đất, không khí, lửa và nước.
Tất cả các sinh vật sống được cấu tạo từ hydrogen, các nguyên tố nhẹ nhất, và
các nguyên tố nặng hơn như carbon, nitrogen, oxygen, và phosphorus. Hydrogen
là nguyên tố đầu tiên được hình thành sau vụ nổ Big Bang. Khi vũ trụ nguội
dần đi, hydrogen ngưng tụ để hình thành sao. Sau hàng tỷ năm trước đây, các
nguyên tử nặng hơn đã được tổng hợp bằng phản ứng tổng hợp hạt nhân bên
trong của các vì sao.Và được gọi là ”bụi sao”.

Hình 1.1.1: Sơ đồ thể hiện cách động vật có vú hấp thụ (chiếm) năng lượng.

Mặt trời là nguồn năng lượng chính cho các sinh vật sống. Một số sinh vật sống
như cây cần ánh sáng mặt trời trực tiếp trong khi các sinh vật khác như con
người có thể có được năng lượng từ mặt trời gián tiếp (hình 1.1.1). Tuy nhiên có
bằng chứng cho thấy một số vi khuẩn có thể phát triển mạnh trong môi trường


8
khắc nghiệt như ở Nam Cực như bằng chứng sự sống của các loại tảo xanh bên
dưới lớp dày băng trong hồ. Không phân biệt hình thức, tính phức tạp, thời gian
hoặc địa điểm, tất cả các sinh vật được gọi là giống nhau ở chỗ chúng phải nắm
bắt, tải nạp, lưu trữ và sử dụng năng lượng để sống.
Xét đến hiện nay, điều thú vị là hành tinh xanh của chúng ta có ít hơn 1 năng
lượng của Mặt Trời xuyên vào các lớp bảo vệ tầng ozone, hơi nước và carbon
dioxide trong khí quyển, thực tế chúng bị hấp thụ bởi các nhà máy (tạo nên
nguồn năng lượng cho sự hoạt động của hệ sinh thái) (hình 1.1.2).

Hình 1.1.2: Sự phân bố nguồn năng lượng mặt trời đến trái đất.
Sự trao đổi năng lượng trong hệ sinh vật: nguồn năng lượng cho thế giới sinh vật
trên trái đất chủ yếu là mặt trời. [13] Mặt trời phát năng lượng dưới dạng bức
xạ điện từ với các bước sóng khác nhau nhưng chỉ khoảng 30% năng lượng của
bức xạ đến được trái đất còn lại bị lớp khí quyển bao quanh trái đất hấp thụ.
Với 30% năng lượng đến được trái đất thì phần lớn số đó biến thành nhiệt, một
phần biến thành năng lượng phát xạ trở lại vào vũ trụ dưới dạng bức xạ hồng
ngoại, một phần làm bốc hơi nước, tạo ra các đám mây và chỉ có ít hơn 1% trong
30% là được các thực vật quang hợp hấp thụ.
Tảo và cây xanh là những sinh vật sử dụng trực tiếp năng lượng của ánh sáng
mặt trời. Tảo và cây xanh nhờ các lục lạp, trong quá trình quang hợp đã sử dụng
ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng để tổng hợp cacbonhidrat như đường,
và được tổng hợp từ carbon dioxide và nước.

9

Hình 1.1.3: Sự hấp thụ quang phổ của các sắc tố quang hợp.
Chất diệp lục và các sắc tố khác trong hoạt động của thực vật có thể hấp thu ánh
sáng mặt trời, làm cho thực vật có khả năng hấp thụ năng lượng trong khoảng
giới hạn tương đối được gọi là hạt photon của ánh sáng (hình 1.1.3).
Cụ thể hơn, sắc tố thực vật gồm nhiều loại phân tử đa dạng khác nhau, bao gồm
porphyrins, carotenoid, anthocyanin và betalain. Tất cả các sắc tố sinh học đều
hấp thu một cách chọn lọc các bước sóng ánh sáng nhất định trong khi phản xạ
các bước sóng khác. Phần ánh sáng mà bị hấp thu có thể được sử dụng bởi thực
vật để cung cấp năng lượng cho các phản ứng hóa học, trong khi các bước sóng
ánh sáng bị phản xạ sẽ quyết định màu nào của sắc tố mà xuất hiện trước mắt.
Một phân tử sắc tố, làm bằng hạt nhân nguyên tử và các electron, có một trạng
thái liên kết electron đã biết có thể tương tác với một photon trong phạm vi nhìn
thấy của phổ điện từ (hình 1.1.4). Khi một photon được hấp thụ, các electron
liên kết chuyển sang trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn nhưng kém ổn
định hơn.
Mối quan hệ giữa năng lượng của ánh sáng E, bước sóng ánh sáng λ, hoặc tần
số của ánh sáng ν là:
hc
λ
= hν,

E=


10

Hình 1.1.4: Phổ điện tử.

11
trong đó: h là hằng số Plank (6.63 × 1034 Js) và c là tốc độ ánh sáng trong chân
không (2.998 × 108 ms−1 ). Cả h và c là các hằng số cơ bản của tự nhiên.
Lá cây là nơi thực hiện quá trình quang hợp ở thực vật. Quang hợp là quá trình
thu nhận năng lượng ánh sáng mặt trời, carbon dioxide, nước của thực vật, tảo và
một số vi khuẩn để tạo ra hợp chất hữu cơ (C6 H12 O6 (glucose, oxygen và nhiệt)
phục vụ bản thân cũng như làm nguồn thức ăn cho hầu hết các sinh vật trên
Trái Đất. Bằng cách này, năng lượng mặt trời được chuyển thành năng lượng
hóa học. Năng lượng hóa học này được lưu trữ trong các phân tử carbohydrate
như đường, và được tổng hợp từ carbon dioxide và nước. Ví dụ như mỗi phân tử
cellulose gồm những đường đa được cấu tạo từ các liên kết glucose. Các phân tử
glucose nối với nhau ở vị trí β − 1.4 bằng cầu nối oxy. Cellulose có hình dạng sợi
dài, nhiều sợi liên kết song song với nhau thành chùm nhờ các liên kết hydrogen
giữa các nhóm −OH. Cellulose là một hợp chất hữu cơ phổ biến nhất trên trái
đất và là kho lưu trữ của hơn một nửa của tất cả cacbon của sinh quyển.
Động vật ăn cỏ như gấu trúc và các động vật ăn tạp như gấu ăn thực vật, sử
dụng năng lượng của các nguyên liệu thực vật để tiêu hóa và chuyển hóa sản xuất
các đại phân tử sinh học, chúng cần giữ cho cơ thể tồn tại hoặc tạo ra các tế bào
mới. Các tế bào máu đỏ được sản sinh từ tế bào “mẹ” trong tủy xương gọi là
hồng huyết cầu - là loại tế bào máu có chức năng chính là hô hấp, chuyên chở
hemoglobin1 , qua đó đưa O2 từ phổi đến các mô. Quá trình này bắt đầu từ tế
bào gốc vạn năng, biệt hóa thành các các dòng hồng cầu, bạch cầu và tiểu cầu.
Máu có các chức năng chính là hô hấp, dinh dưỡng, đào thải, bảo vệ và điều hòa
hoạt động cơ thể.
Năng lượng của các phân tử hữu cơ được giải phóng trên các động vật trong một
loạt các phản ứng trong đó glucose, chất béo và các hợp chất hữu cơ khác đang
bị đốt cháy để tạo thành carbon dioxide và nước, vật liệu, và nhiệt. Động vật chỉ
sử dụng năng lượng của các thức ăn tiêu hóa cho vận động, duy trì nhiệt độ cơ

thể, tạo ra ánh sáng (ví dụ như đom đóm), chống lại nhiễm trùng do vi khuẩn
sinh vật, và sinh sản.
Các quá trình sinh học đều liên quan đến một số lượng lớn các phản ứng sinh
hóa cụ thể, để các phản ứng đó có thể xảy ra phải có năng lượng. Sự chuyển hóa
năng lượng [25] được phác thảo trên đề cập đến ít nhất là hai trong số các nhu
cầu cho cuộc sống như: các cơ chế để kiểm soát năng lượng dòng chảy, ví dụ,
màng tế bào - protein liên kết tham gia vào quá trình quang hợp; và các cơ chế
cho việc lưu trữ và truyền tải thông tin sinh học, cụ thể là, polynucleic axit. Vai
trò quan trọng của các cơ chế trong quá trình sống có hàm ý rằng trật tự là một
đặc tính cơ bản của cơ thể sống.
1

Hemoglobin là một protein phức tạp chứa phần tử sắt có khả năng thu nhập, lưu giữ và
phóng thích ôxy trong cơ thể động vật hữu nhũ và một số động vật khác.


12
Việc duy trì trật tự trong sự sắp xếp của một "hệ" sinh vật sống phải đòi hỏi năng
lượng đầu vào đáng kể và định kỳ. Một khía cạnh đáng chú ý của hệ sinh học
là các cấu trúc của các enzyme protein, chúng điều chỉnh năng lượng của dòng
chảy, thông tin trong và giữa các tế bào đã được mã hóa bởi các axit nucleic, các
phân tử lưu trữ thông tin. Sự ảnh hưởng qua lại giữa năng lượng và thông tin là
một chủ đề đáng quan tâm trong nhiệt động lực học sinh học, thật vậy, chúng
có trong hầu hết các ngành khoa học kỹ thuật và công nghệ. Các cuộc thảo luận
trước cũng cho thấy, trong tự nhiên,dòng năng lượng mang một số điểm tương
đồng với sự vận động của tiền tệ trong nền kinh tế: năng lượng "thay đổi bàn tay"
(di chuyển từ mặt trời thực vật với động vật...) và được "chuyển đổi thành các
loại khác nhau của tiền tệ" (lưu trữ như năng lượng hoá học, năng lượng điện,...).
Năng lượng sinh học là những quá trình phản ứng cung cấp, chuyển hóa và tiêu
hao năng lượng, có tác dụng điều hòa và thúc đẩy trao đổi chất của cơ thể sinh

vật.
Trong hô hấp nội bào, sự chuyển hóa năng lượng là sự chuyển hóa năng lượng
hóa học trong các liên kết của chất hữu cơ đã được tế bào tổng hợp thành năng
lượng trong các liên kết cao đó là adenosine triphosphate (ATP) dễ sử dụng.
ATP chính là nguồn cung cấp năng lượng sinh học chủ yếu của mọi cơ thể sinh
vật, là cầu nối giữa hai quá trình đồng hóa và dị hóa. Nó được tạo thành trong
quá trình phân giải các chất khác nhau như oxygen hóa các chất trong ty thể,
đường phân và lên men, quang hợp ở diệp lục của thực vật xanh và các quá trình
vận chuyển ion ở vi khuẩn...
Động vật sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời một cách gián tiếp thông qua
việc ăn thức ăn các sản phẩm quang hợp hoặc ăn thức ăn các động vật khác. Tế
bào phân hủy thức ăn, giải phóng năng lượng có trong thức ăn và dự trữ năng
lượng này dưới dạng ATP để dùng cho các quá trình sinh công sinh học của tế
bào.
Như vậy, bản chất của dòng năng lượng có thể đạt được từ một cái nhìn toàn
cảnh về các vai trò sinh học của ATP, các hợp chất hữu cơ nhỏ được gọi là "đồng
tiền năng lượng của tế bào”. ATP còn có chức năng sinh học trong hiện tượng
co cơ, tham gia vào quá trình tổng hợp axit deoxyribonucleic (ADN), kiểm soát
phản ứng hóa học và để gửi tin nhắn...cũng như sản sinh và duy trì tính phân bố
không đều các chất giữa tế bào với môi trường xung quanh. Như vậy, ATP là có
tầm quan trọng cơ bản và tập trung trong cuộc sống.
Sự phân bố năng lượng trong hệ sinh vật: [26] trong hệ sinh vật sống, kho năng
lượng chính là đại phân tử, trong đó năng lượng được lưu trữ dưới dạng liên kết
cộng hóa trị và liên kết hóa học không cộng hóa trị, và nồng độ, các chất hòa tan,
chủ yếu là các ion, trên các vị trí đối diện của một màng tế bào. Hình 1.1.3 cho


13
thấy một loại phân phối năng lượng. Đối với một số lượng nhất định của năng
lượng mặt trời mà thực sự đạt đến bề mặt của hành tinh chúng ta, nhiều photon

có bước sóng 500 nm hơn 250 hoặc 750 nm. Quang phổ mặt trời là một loại phân
phối năng lượng. Theo thuyết động học phân tử chất khí, nhiệt độ càng cao các
phân tử chuyển động càng nhanh. Vậy tốc độ sự phân phối năng lượng có liên
quan đến nhiệt độ.
Như vậy, năng lượng không tự sinh ra cũng không tự mất đi mà nó chỉ chuyển
hóa từ dạng này sang dạng khác từ vật này sang vật khác nhưng tổng năng lượng
luôn được bảo toàn không thay đổi. Đây cũng chính là định luật đầu tiên của
nhiệt động lực học.

1.2

Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học

1.2.1 Nội dung
Nội năng U của một hệ nhiệt động là toàn bộ năng lượng chứa trong hệ. Năng
lượng là đại lượng đặc trưng cho mức độ vận động của vật chất bên trong hệ.
Năng lượng là đại lượng có thể đo được, có thể biến đổi một cách định lượng
luôn theo cùng một tỉ lệ thành nhiệt lượng. Năng lượng phản ánh khả năng sinh
công của một hệ. Năng lượng chứa trong hệ gồm năng lượng chuyển động nhiệt,
năng lượng dao động của các phân tử, nguyên tử, năng lượng chuyển động của
các electron, năng lượng hạt nhân... Như vậy, năng lượng tương tác của hệ với
bên ngoài và động năng chuyển động của cả hệ không được tính vào nội năng.
Với mỗi trạng thái của hệ tương ứng có một nội năng xác định, khi hệ thay đổi
trạng thái thì nội năng thay đổi; nói cách khác là một hàm trạng thái2 của hệ.
Nội năng không thể đo được trực tiếp. Điều quan trọng không phải là nội năng
U mà chính là độ biến thiên nội năng dU của nó khi hệ biến đổi từ trạng thái
này sang trạng thái khác. Thông thường, người ta giả thiết rằng nội năng của
một hệ bằng không ở nhiệt độ không tuyệt đối (T = 0 K). Nếu hệ biến đổi qua
các trạng thái khác nhau rồi quay trở về trạng thái ban đầu (hệ thực hiện một
chu trình) thì: ∆U = 0. Nếu hệ biến đổi từ trạng thái 1 sang trạng thái 2, ta có:

ˆ

U2

∆U =

dU
U1

(1.2.1)

= U2 − U1 .
2

Hàm trạng thái của hệ là đại lượng mà sự biến thiên giá trị của nó trong bất cứ quá trình
nào cũng chỉ phụ thuộc vào giá trị đầu và giá trị cuối mà không phụ thuộc vào quá trình
diễn biến.


14
Công W là số đo phần năng lượng trao đổi giữa hai hệ sau quá trình tương tác
mà kết quả là làm thay đổi mức độ chuyển động định hướng của một hệ. Ví dụ
như hệ khí trong xi lanh giãn nở đẩy pittong chuyển động thì hệ khí đã truyền
năng lượng cho pittong dưới dạng công. Hay khi đá một quả bóng làm cho nó
chuyển động thì quả bóng đã nhận được năng lượng dưới dạng công. Công phụ
thuộc vào quá trình biến đổi, nếu hệ ở một trạng thái xác định không có trao đổi
năng lượng thì công bằng 0.
Trong hệ sinh học cũng luôn tồn tại các quá trình thực hiện công. Công sinh học
là công mà cơ thể sinh vật sinh ra trong quá trình sống của chúng. Công sinh
học có nhiều dạng [15]. Ví dụ như công sinh ra khi hô hấp là công được thực

hiện bởi các cơ hô hấp để thắng tất cả các lực cản khi thông khí. Công của tim
thực hiện khi đẩy máu vào mạch và đẩy máu chuyển động thoe một chiều xác
định,..Công tổng hợp các chất cao phân tử sinh vật từ các phân tử lượng thấp
hơn như tổng hợp protein, axit amin, axit nucleic từ mononucleotit hay tổng hợp
gluxit từ monosacarit...Công điện sinh ra khi xuất hiện điện thế sinh vật, khi dẫn
truyền xung thần kinh...
Nhiệt lượng Q là phần số đo năng lượng trao đổi giữa hai hệ sau quá trình tương
tác thông qua sự trao đổi trực tiếp năng lượng giữa các phân tử chuyển động hỗn
loạn trong các hệ đó. Như phần năng lượng truyền từ vật nóng cho vật lạnh khi
tiếp xúc là nhiệt lượng. Nhiệt lượng cũng phụ thuộc vào quá trình biến đổi.
Như vậy, công và nhiệt là những đại lượng dùng để đo mức độ trao đổi năng
lượng chứ bản thân chúng không phải là một dạng năng lượng. Khi hệ biến đổi
từ trạng thái này sang trạng thái khác theo những con đường khác nhau thì công
và nhiệt trong những quá trình đó có giá trị khác nhau. Như vậy, công và nhiệt
là những hàm của quá trình. Định luật I nhiệt động học được hình thành qua
các công trình nghiên cứu của các tác giả như M. V. Lomonoxob (1744), G. I.
Heccer (1836), R. Majo (1842), Helmholtz (1849), Joule (1877)...
Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học là một trường hợp riêng của định luật bảo
toàn và chuyển hóa năng lượng [16] vận dụng vào các quá trình vĩ mô. Định luật
I chính là định luật bảo toàn năng lượng áp dụng vào hiện tượng nhiệt, khẳng
định rằng năng lượng luôn được bảo toàn. Nói cách khác, tổng năng lượng của
một hệ kín là không đổi. Các sự kiện xảy ra trong hệ chính là sự chuyển năng
lượng từ dạng này sang dạng khác. Trong toàn vũ trụ, tổng năng lượng không
đổi, nó chỉ có thể chuyển từ hệ này sang hệ 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 toả ra môi trường xung quanh.

15
Quá trình nhiệt động của một hệ có thể thu được bằng các tác động công cơ học
lên hệ hoặc cung cấp nhiệt cho nó. Định luật I nói rằng công cơ học và nhiệt là
các dạng của năng lượng và do vậy quá trình nhiệt động phải tuân theo định luật
bảo toàn năng lượng.
Gọi Q là nhiệt lượng mà hệ thu được và W là công thực hiện bởi hệ. Định luật
I phát biểu rằng với mọi quá trình nhiệt động, Nội năng U (năng lượng có bên
trong mọi vật) được xác định bẳng tổng động năng và thế năng của các phần tử
cấu tạo nên vật. Nó chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối:

(1.2.2)

∆U = Q + W.

tức là U là hàm của trạng thái có nghĩa là theo định nghĩa toán học, giá trị của
U chỉ phụ thuộc vào trạng thái của hệ như nhiệt độ, thể tích, áp suất.
Công thức (1.2.2) được xây dựng vào năm 1847 bởi nhà vật lý và sinh lý học
người Đức nổi tiếng Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821-1894). Ý
tưởng về sự bảo toàn năng lượng đã được đề xuất năm 1842 bởi nhà sinh lý học
người Đức Julius Robert von Mayer (1814 – 1878). Điều thú vị ở đây đó là một
nhà sinh lý học đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết lập một trong các
khái niệm quan trọng nhất của nhiệt động lực học.
Với quá trình cực nhỏ:

dU = dQ − dW,
trong đó dU là vi phân toàn phần, dQ v`
a dW không phải vi phân toàn phần do
Q và W không phải là các hàm trạng thái.
Vi phân toàn phần có thể biểu diễn theo các vi phân của các tham số nhiệt động
(p,V,T):

dU =
i

∂U
dXi ,
∂Xi

(1.2.3)

với Xi là các tham số độc lập. Ngoài ra, ta có thể viết:

dU =

∂U
∂p

dp +
V

∂U
∂V

dV,
p


16
với U = U (p, V ) được xác định theo hai tham số độc lập là p và V.
Vi phân của công cơ học được cho bởi:

(1.2.4)

dW = pdV.
Do vậy:

(1.2.5)

dQ = dU + dW = dU + pdV.

Ta có thể viết dQ theo vi phân của các tham số độc lập (p, V ) , (p, T ) , (V, T ) :

∂U
∂p

dQ =



V



∂V
+p
∂T
p

∂U
dQ = 

∂T
dQ =

∂U
∂T



∂U
dp + 
∂V

dT +
V

+ p dV,
p


 dT
p

∂U
∂V

+

∂U
∂p

+p
T

∂V
∂P

dp,

(1.2.6)

T

+ p dV.
T

Nhiệt dung riêng là nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của hệ lên 1 đơn vị.
Ta có định nghĩa nhiệt dung riêng sau:

CV ≡

dQ
dT

V

=

∂U
∂T

V

Cp =
=

,

dQ
dT

p

∂H
∂T

p

,

trong đó:

H = pV + U,

(1.2.7)


17
được gọi là Enthalpy. Đại lượng này của một hệ cô lập trong điều kiện p =
const.(áp suất không thay đổi) là không đổi. Còn U cũng không thay đổi trong
điều kiện V = const.(đẳng tích).

Ví dụ của chất khí lý tưởng: Không có tương tác giữa các phân tử. Như vậy U
là không đổi dù thể tích của khối khí như thế nào. Nghĩa là U (T, V ) không phụ
thuộc vào thể tích đối với chất khí lý tưởng và bởi vì

H = U + pV
= U + N kT
= H (T, p) ,

1.2.2 Enthalpy
Đối với một hệ nhiệt động có thể trao đổi nhiệt và công với môi trường xung
quanh, enthalpy H được hiểu là tổng của nội năng U với tích giữa áp suất p và
thể tích V . Hay Enthalpy là nhiệt lượng mà hệ trao đổi trong quá trình đẳng áp.
Enthalpy là một hàm trạng thái nhiệt động của hệ nhiệt động, có thứ nguyên
của năng lượng (J, kJ, cal, kcal).
Khi một hệ chuyển pha thì một số lượng lớn chất lỏng nước chuyển sang thể rắn,
sự thay đổi của Enthalpy trong hệ gọi là “ẩn nhiệt” của phản ứng tổng hợp, nhiệt
được đưa ra ngoài môi trường trong quá trình đóng băng.
Tuy nhiên, H không thể đo được một cách trực tiếp, thay vào đó, việc đo sự thay
đổi nhiệt độ của phản ứng theo thời gian được sử dụng để tính sự biến thiên của
enthalpy theo thời gian (ký hiệu là ∆H). Biết ∆H của một phản ứng, ta có thể
xác định được đó là phản ứng thu nhiệt (nhiệt của phản ứng lấy từ môi trường)
hay tỏa nhiệt (nhiệt của phản ứng tỏa ra môi trường).
Từ công thức (1.2.7), sự biến thiên của enthalpy là:

∆H = ∆ (U + pV )
= ∆U + ∆ (pV )

(1.2.8)

= ∆U + p∆V + V ∆p.

Lưu ý: theo giải thuyết p và V là độc lập với nhau. Nếu áp suất bên ngoài là
không đổi, tức là ∆p = 0, thì

∆H = ∆U + p∆V.

(1.2.9)


18
Biểu thức trên cho thấy sự biến thiên của enthalpy nhận được là tổng của sự biến
thiên nội năng và công theo sự biến thiên của thể tích. Nhờ vậy có khả năng biểu
diễn nhiệt lượng trao đổi trong quá trình đẳng áp qua sự biến thiên enthalpy:
∆H = ∆Qp .

(1.2.10)

Như vậy, từ phương trình trên cho thấy rằng ∆H bằng với lượng nhiệt được trao
đổi trong các quá tình đẳng áp. Thông thường, các phản ứng hóa sinh xảy ra
trong chất lỏng và chất rắn hơn là chất khí, thể tích thay đổi hầu như không
đáng kể, do vậy enthalpy và nội năng gần như bằng nhau.
Trong quá trình đẳng tích dV = 0, nhiệt lượng trao đổi được biểu diễn qua sự
biến thiên nội năng:
∆U = ∆Qv .

(1.2.11)

Để hiểu đầy đủ các phản ứng hóa học, cần thiết biết nhiệt lượng mà nó giải phóng
hay hấp thụ trong phản ứng tại những nhiệt độ ban đầu và cuối cùng như nhau
(quá tình đẳng nhiệt). Thông thường người ta biểu diễn khối lượng các vật chất
tham gia trong quá trình phản ứng ra đơn vị mol, vì vậy nhiệt lượng giải phóng

hay hấp thụ của một mol vật chất trong phản ứng gọi là nhiệt phản ứng.
Như vậy, trong trường hợp phản ứng đẳng áp, hiệu ứng nhiệt của phản ứng được
xác định bằng sự biến thiên enthalpy của hệ theo hệ thức (1.2.10); trong trường
hợp phản ứng đẳng tích, hiệu ứng nhiệt của phản ứng được xác định bằng sự
biến thiên nội năng của hệ theo công thức (1.2.11).
Ở trường hợp cụ thể cho trước, có thể xác định được sự biến thiên trong nội năng
hoặc trong enthalpy nếu biết được các nhiệt dung riêng khi thể tích không đổi và
khi áp suất không đổi cũng như nhiệt biến đổi và nhiệt phản ứng nếu như trong
quá tình còn xảy ra những biến đổi pha hay phản ứng hóa học.
Nếu ta biết giá trị nội năng tại nhiệt độ không tuyệt đối thì có thể xác định giá
trị tuyệt đối của cả nội năng lẫn enthalpy ở những trạng thái khác nhau. Nhưng
điều này chỉ có thể được áp dụng trong vài chất, vì thế những bảng ra cứu chỉ
cho biết những biến thiên của enthalpy. Do vậy, người ta phải qui ước là nội năng
và enthalpy của tất cả các nguyên tố hóa học bằng không tại 250 C và 1 atm. Từ
đó suy ra rằng nội năng và enthalpy của hợp chất tại 250 C và 1 atm bằng nhiệt
tạo thành khi thể tích và áp suất không đổi.
Ta có phương trình trạng thái khí lý tưởng: pV = RnT, thế vào phương trình


19
(1.2.9) thu được

∆H = ∆U + ∆ (RnT ) .

(1.2.12)

Giả sử nhiệt độ không thay đổi thì: ∆ (RnT ) = RT ∆ (n) , với ∆n là sự biến
thiên số mol của khí trong phản ứng, R là hằng số (trong hệ đơn vị SI, R ≈
8.3145 J.K −1 .mol−1 ), T là nhiệt độ tuyệt đối.
Ví dụ, từ kết quả thực nghiệm, khi đá nóng chảy tại 0.10 C, có ∆H = 1437.2 cal.mol−1 .

Khi nóng chảy xảy ra tại −0.10 C, ngay dưới điểm đóng băng thì ∆H = 1435.4 cal.mol−1 .
Ở đây có sự biến thiên của enthalpy cụ thể với sự chênh lệch 0.20 C thì ∆ (∆H) =
1.8 cal.mol−1 . Sự khác biệt này phát sinh từ sự thay đổi trạng thái đầu và trạng
thái cuối, quá trình nóng chảy từ thể rắn sang thể lỏng. Sự thay đổi này có vai
trò quan trọng để giải thích cho hiệu ứng nhiệt đối với quá trình thay đổi trạng
thái của vật chất (rắn, lỏng, khí) khi tính được ∆H. Và từ công thức (1.2.10) cho
thấy rằng, năng lượng tỏa ra hay cung cấp cho các phản ứng hóa học trong điều
kiện đẳng áp chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối hay chính là
∆H - đó cũng chính là nội dung đinh luật Hertz. 3
Định luật Hertz có ý nghĩa cho phép xác định hiệu ứng nhiệt của các phản ứng
mà vì lý do nào đó không thể xảy ra trong điều kiện thí nghiệm hoặc không thể
đo trực tiếp được hiệu ứng nhiệt của nó. Định luật này cũng giúp khẳng định
một phản ứng nào đó có thể xảy ra qua các phản ứng trung gian hay không.
Ví dụ như khi đốt cháy trực tiếp 1 mol glucose thành CO2 và H2 O thì tỏa ra 688
kcal. Trong tế bào cũng có quá trình oxy hóa glucose và tạo sản phẩm cuối cùng
là CO2 và H2 O nên theo định luật Hertz cũng tạo ra nhiệt lượng là 688 kcal.
Nhưng tế bào không bị cháy vụn ra vì nhiệt lượng đó tỏa ra dần dần và qua gần
20 phản ứng enzim trung gian để tạo ra CO2 và H2 O.

1.2.3 Áp dụng định luật I cho hệ sinh học
Theo định luật I thì năng lượng mà hệ kín trao đổi với môi trường hoặc biến đổi
thành dạng năng lượng khác luôn có sự tương đương về số lượng. Trao đổi năng
lượng trong hệ sinh vật cũng phải tuân theo nguyên lý này.
Thực nghiệm cũng chứng tỏ: sự ion hóa các chất dinh dưỡng trong cơ thể sinh
vật sẽ cho một nhiệt lượng đúng bằng nhiệt lượng mà cơ thể đã tiêu hao khi dùng
lượng dinh dưỡng đó [23].
3

Định luật Hertz: hiệu ứng nhiệt của các phản ứng hóa học chỉ phụ thuộc vào dạng và trạng
thái của chất đầu và chất cuối mà không phụ thuộc vào cách chuyển biến.

20
Ví dụ như xét sự cân bằng nhiệt lượng ở người sau một ngày đêm được kết quả
bảng 1.2.1:
Nhiệt lượng nhận được
Nhiệt lượng tỏa ra
do oxy hóa các chất (kcal)
theo các con đường khác nhau (kcal)
56.8 gam protein
237 Nhiệt lượng tỏa ra
1374
40 gam chất béo
1307 Thải ra theo tiêu hóa và bài tiết
86
79.9 gam đường
335 Bay hơi qua hô hấp
181
Bay hơi qua da
227
Hiệu chính
11
Tổng cộng
1879 Tổng cộng
1879
Bảng 1.2.1: Nhiệt lượng nhận được và tỏa ra ở người sau một ngày đêm.

Khi cơ thể hấp thụ 1 phân tử gam (tức 1M) glucose, lập tức xảy ra phản ứng
ôxy hoá đường và giải phóng ra 678 kcal (nhiệt lượng cơ bản). Cơ thể sẽ sử dụng
nhiệt lượng cơ bản vào các hoạt động sống, nếu còn dư sẽ được tích luỹ vào ATP.

Phần nhiệt lượng tích luỹ vào các hợp chất cao năng gọi là nhiệt lượng tích cực.
Trong cơ thể sống, nhiệt lượng cơ bản 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.
Như vậy, cơ thể sinh vật đã tiêu hao năng lượng đúng bằng năng lượng nhận vào
chứ cơ thể sinh vật không phải là nguồn tự tạo ra năng lượng. Nói cách khác,
[14] sinh vật muốn sinh công và duy trì sự sống thì phải trao đổi năng lượng với
bên ngoài, nhận năng lượng từ bên ngoài. Tuy nhiên, hệ sinh vật không thể sinh
công nhờ nhận nhiệt lượng của môi trường mà phải nhận năng lượng dưới dạng
đặc biệt là hóa năng.
Một số ví dụ khác như:
• Năng lượng dùng để thực hiện công trong quá trình co cơ lấy trực tiếp từ
ATP. Lượng ATP có sẵn trong cơ không nhiều...
• Hoạt động của cơ tim đòi hỏi phải cung cấp năng lượng và năng lượng này
cũng phải lấy từ ATP...