BÀI giảng lý sinh

BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
§1. Một số khái niệm:
1.1. Hệ nhiệt động:
- Khái niệm: Là tập hợp các vật thể , các phântử,…
giớihạn trong một không gian nhất định.
- Ví dụ: Một thể tích nước trong bình, một khối khí trong xy
lanh, một cơ thể sinh vật, một tế bào sống,...

BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
•
1.1. Hệ nhiệt động:
•
- Phân loại: 3 loại:
•
+ Hệ nhiệt động cô lập: Không trao đổi vật chất và
năng lượng với bên ngoài (nước trong một
phích kín, cách nhiệt tốt)
•
+ Hệ nhiệt động kín (hệ đóng): Chỉ trao đổi năng
lượng mà không trao đổi vật chất với bên ngoài
(nước trong phích kín nhưng cách nhiệt kém).
•
+ Hệ nhiệt động mở: Trao đổi cả vật chất và năng
lượng với bên ngoài (nước trong phích hở, cơ
thể sống của sinh vật,...

BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC

•
1.2. Thông số trạng thái:
•
- Khái niệm: Là các đại lượng đặc trưng cho
trạng thái của một hệ nhiệt động
•
+ Với hệ nhiệt động vật lý (như hệ khí,…) thì
các thông số trạng thái của hệ có thể là N (số
phân tử), V (thể tích), P (áp suất), T (nhiệt độ),
U (nội năng), S (entropy),…
•
+ Với hệ nhiệt động là tế bào sống thì thông số
trạng thái có thể là nồng độ chất, nồng độ ion,
độ pH , áp suất thẩm thấu,…

BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
•
1.2. Thông số trạng thái:
•
Khi hệ thay đổi trạng thái thì các thông số
của hệ cũng thay đổi theo những quy luật
nhất định (quy luật nhiệt động).

BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
•
1.2. Thông số trạng thái:
- Trạng thái của hệ mà các thông số trạng thái
không thay đổi theo thời gian là trạng thái cân

bằng; Khi đó đạo hàm các thông số trạng thái
của hệ theo thời gian sẽ bằng không.
- Một quá trình biến đổi của hệ gồm một chuỗi liên
tiếp các trạng thái cân bằng gọi là quá trình cân
bằng. Một quá trình cân bằng là quá trình thuận
nghịch
•
Ví dụ: Các quá trình lý tưởng như dãn nở khí
đẳng áp, đẳng nhiệt, …

BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
•
1.2. Thông số trạng thái:
•
Một quá trình biến đổi mà quá trình ngược lại
không thể tự sảy ra hoặc nếu sảy ra thì làm môi
trường xung quanh có thay đổi, được gọi là quá
trình bất thuận nghịch hay không cân bằng.
•
Ví dụ: Quá trình truyền nhiệt, biến đổi công
thành nhiệt,….
•
Các quá trình xảy ra trong tự nhiên thường là
bất thuân nghịch.

BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
•
1.3. Gradien (grad):

•
- Khái niệm: Gradien của một đại lượng
vật lý là đại lượng có trị số bằng độ biến
thiên của đại lượng đó trên một đơn vị
dài:
•
gradU =
Dạng véc tơ:
với là véc tơ đơn vị theo chiều U tăng.
dx
dU
n
=Ugrad
dx
dU
n

BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
•
1.3. Gradien (grad):
•
Ví dụ:
•
+ Gradien của nồng độ: gradC =
•
+ Gradien của điện thế: gradV =
•
- Trong tế bào sống luôn tồn tại nhiều loại gradien, nó là
một đặc trưng cho tế bào sống:

•
+ Gradien nồng độ hình thành do sự phân bố không đồng
đều của các chất hữu cơ và vô cơ giữa các phần của tế
bào hoặc trong và ngoài tế bào
dx
dC
dx
dV

BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
•
1.3. Gradien (grad):
•
+ Gradien thẩm thấu hình thành do chênh lệch
áp suất thẩm thấu, đặc biệt là áp suất thẩm thấu
keo giữa bên trong và ngoài tế bào.
•
+ Gradien màng tạo ra do phân bố không đồng
đều các chất có phân tử lượng khác nhau ở hai
phía màng tế bào mà nguyên nhân là do màng
tế bào có tính bán thấm, chúng cho các phân tử
nhỏ đi qua dễ dàng, nhưng các phân tử có phân
tử lượng lớn thì rất khó thấm vào hoặc giải
phóng ra khỏi tế bào.

BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
•
1.3. Gradien (grad):

•
+ Gradien độ hòa tan xuất hiện ở hai pha không trộn lẫn,
do sự hòa tan các chất của hai pha khác nhau (như pha
lipit và protein trong tế bào,…)
•
+ Gradien điện thế xuất hiện do sự chênh lệch về điện thế
ở hai phía màng tế bào, khi có phân bố không đều các
ion như Na
+
, K
+
,…
•
+ Gradien điện hóa gồm tổng gradien nồng độ và gradien
điện thế, xuất hiện khi có sự phân bố không đều các hạt
mang điện ở trong và ngoài tế bào.
•
Nói chung, khi tế bào chết thì gradien mất đi.

BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
•
§2. Nguyên lý I nhiệt động học với hệ sinh vật:
•
2.1. Nội năng, công, nhiệt lượng:
•
2.1.1. Nội năng:
•
Nội năng (U) của một hệ nhiệt động là toàn bộ năng
lượng chứa trong 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 electrron, năng lượng hạt nhân,… Như vậy, năng
lượng tương tác của hệ với bên ngoài và động năng
chuyển dộng của cả hệ không được tính vào nội năng.

BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
•
2.1.1. Nội năng:
•
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
nội năng là hàm trạng thái của hệ.
•
Nếu hệ thực hiện một quá trình kín và trở
về trạng thái ban đầu thi độ biến thiên nội
năng ΔU = 0.

BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
•
2.1.2. Công:
•
Công (A) 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 nào đó.
•

Ví dụ:
•
Hệ khí trong xy lanh dãn nở đẩy pit tông chuyển
động thì hệ khí đã truyền cho pít tông năng lượng
dưới dạng công,
•
Khi đá một quả bóng làm nó chuyển động thì quả
bóng đã nhận được năng lượng dưới dạng công.

BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
•
2.1.2. 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 không.
•
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

BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
•
Công sinh học
•
- Do cơ thể sinh ra khi có sự dịch chuyển các bộ phận,

các cơ quan trong nội bộ cơ thể sinh vật hoặc toàn bộ cơ
thể sinh vật.
•
Ví dụ:
•
+ 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 theo một chiều xác định,…
•
+ Công sinh ra khi động vật chạy, khi côn trùng bay,…

BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
•
Công sinh học:
•
Ví dụ:
1. Công tổng hợp các chất cao phân tử sinh vật
từ các phân tử có phân tử lượng thấp hơn như
tổng hợp protein, axit amin, axit nucleic từ
mononucleotit hay tổng hợp gluxit từ
monosacarit,…
2. - Công điện sinh ra khi xuất hiện điện thế sinh
vật, khi dẫn truyền xung thần kinh,…
3. - Công vận chuyển các chất ngược chiều
gradien nồng độ, công vận chuyển các ion
ngược chiều grdien điện thế,…

BÀI GIẢNG LÝ SINH

CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
•
2.1.3. Nhiệt lượng
•
Nhiệt lượng (Q) là số đo phần 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.
Ví dụ:
•
Phần năng lượng truyền từ vật nóng cho vật
lạnh khi tiếp xúc nhau là nhiệt lượng.
•
Nhiệt lượng cũng phụ thuộc quá trình biến đổi.

BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
•
2.2. Nguyên lý I nhiệt động học:
•
Nguyên lý I nhiệt động học là định luật bảo toàn
năng lượng áp dụng cho quá trình nhiệt
•
Phát biểu: Nhiệt lượng mà hệ nhận được trong
một quá trình bằng tổng công mà hệ sinh ra
cộng với độ biến thiên nội năng của hệ
•
Biểu thức: Q = A + Δ U
•
Quá trình biến đổi vô cùng nhỏ: ƏQ = ƏA + dU

BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
•
2.2. Nguyên lý I nhiệt động học:
•
Nếu một hệ không nhận nhiệt lượng (Q = 0) mà
liên tuc sinh công (A > 0) hoặc liên tục sinh
công lớn hơn nhiệt lượng nhận vào (A > Q) thì
ΔU = Q - A < 0 tức là U giảm dần đến hết nội
năng (U = 0) thì dừng.
•
Vậy theo nguyên lý I: Không thể chế tạo động cơ vĩnh
cửu loại I liên tục sinh công mà không nhận nhiệt lượng
hoặc liên tục sinh công lớn hơn nhiệt lượng nhận vào.

BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
•
2.3. Nguyên lý I nhiệt động học áp dụng
cho chuyển hóa hóa học:
•
2.3.1. Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học:
•
- Khái niệm: Hiệu ứng nhiệt dQ của phản ứng
hóa học là lượng nhiệt hệ sinh ra trong phản
ứng: dQ = - Q
•
- Xét phản ứng diễn ra trong điều kiện đẳng tích
thì A = 0 nên dQv = -Q = -dU

Vậy: Hiệu ứng nhiệt trong quá trính đẳng tích
bằng độ giảm nội năng của hệ.

BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
•
2.3.1. Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học:
•
- Xét phản ứng diễn ra trong điều kiện đẳng áp:

dQp = -Q = - dU – PdV = -d(U + PV) = -dH
•
Đại lượng H = U + PV gọi là entanpi của hệ.
•
Vậy: Hiệu ứng nhiệt trong quá trình đẳng áp
bằng độ giảm entanpi của hệ.

BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
•
2.3.2. Định luật Hertz:
•
Khi áp dụng nguyên lý I cho các chuyển
hóa hóa học, Hertz đưa ra đinh luật:
Hiệu ứng nhiệt của các chuyển hóa hóa học xảy ra qua
các quá trình trung gian chỉ phụ thuộc vào dạng và trạng
thái của các chất ban đầu và chất cuối mà không phụ
thuộc vào các quá trình trung gian.

BÀI GIẢNG LÝ SINH

CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
•
2.3.2. Định luật Hertz:
•
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 cũng giúp khẳng định một phản
ứng nào đó có xảy ra qua các phản ứng
trung gian hay không.

BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
•
2.3.2. Định luật Hertz:
•
Ví dụ:
•
Ta không thể xác định được hiệu ứng nhiệt
của phản ứng đốt cháy cacbon (C) ở thể
rắn thành oxitcacbon (CO) ở thể khí vì
trong quá trình đốt luôn có kèm theo một
lượng khí CO
2
thoát ra.

BÀI GIẢNG LÝ SINH

CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
•
2.3.2. Định luật Hertz:
•
Ví dụ:
•
Tuy nhiên có thể xác định được hiệu ứng
nhiệt của hai phản ứng:
C
rắn
+ O
2 khí
CO
2
+ 97 kcal/mol
CO
rắn
+ O
2 khí
CO
2 khí
+ 68 kcal/mol
•
Từ hai phản ứng có:
C
rắn
+ O
2 khí
CO
khí

+ 29 kcal/mol