SỰ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG TRÊN CƠ THỂ SỐNG

SỰ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG TRÊN CƠ THỂ SỐNG
I. Nhiệt độ và nhiệt lượng
Nhiệt độ là một đại lượng vật lý được xây dựng để phản ảnh đặc trưng của trạng
thái nóng hay lạnh của một đối tượng một cách khách quan, mà không phụ thuộc vào cảm
giác chủ quan.
Cảm giác nóng lạnh cho chúng ta biết một vật nào đó có nhiệt độ cao hơn hay thấp
hơn so với nhiệt độ của bộ phận tiếp xúc, nó phụ thuộc vào độ chênh lệch nhiệt độ và độ
dẫn nhiệt của vật. Ví dụ: tất cả các vật trong môi trường tự nhiên có nhiệt độ giống nhau
(bằng nhiệt độ môi trường), nhưng nếu ta tiếp xúc với kim loại thì cảm giác nóng lạnh sẽ
khác so với tiếp xúc với gỗ…
Đo nhiệt độ của vật thì ta có nhiều dụng cụ khác nhau, tùy vào nhu cầu ta chọn dụng
cụ thích hợp:
II. Các loại nhiệt kế-nhiệt giai
2.1.Các loại nhiệt kế
- Nhiệt kế thủy ngân ( dựa vào hiện tượng giãn nở vì nhiệt);
- Nhiệt kế áp điện (dựa vào hiện tượng áp điện giữa hai kim loại tiếp xúc nhau);
- Nhiệt kế điện trở (sự biến đổi điện trở theo nhiệt độ)…
2.2.Nhiệt giai
- Nhiệt giai Celsius là độ C, lấy chuẩn 0
0
C là nhiệt độ nước đá đang tan ở điều kiện bình
trường, lấy nhiệt độ sôi của nước là 100
0
C
- Nhiệt giai Fahreinheit là độ F, lấy chuẩn 32
0
F là nhiệt độ nước đá đang tan ở điều kiện bình
trường, lấy nhiệt độ sôi của nước là 212
0
F.
N

0
C=(1.8n+32)
0
F
- Nhiệt giai Kelvin: theo nghiên cứu người ta chứng minh được nhiệt độ thực tế thấp nhất có
thể đạt được là -273.16
0
C. Nhiệt giai Kelvin lấy đó làm chuẩn 0
0
K và có giai đo trùng với
giai đo độ C.
T
0
K=t
0
C+273,16
III. Nhiệt lượng
Mọi vật đều được cấu tạo từ các nguyên tử, phân tử. Các nguyên tử, phân tử này
luôn luôn chuyển động hỗn độn, trong quá trình chuyển động chúng va chạm với nhau.
Cộng tất cả các năng lượng chuyển động nhiệt và năng lượng tương tác giữa các nguyên tử,
phân tử đó cho ta nội năng của vật. Nhiệt độ của vật càng cao thì chuyển động của chúng
càng nhanh, do đó nội năng của vật cũng cao.
Nhiệt lượng là phần năng lượng mà vật nhận được hay truyền đi là thay đổi nội năng
của vật. Nhiệt lượng để vật thay đổi từ t1 đến t2 được tính bằng công thức:
∆Q=mc∆t
m: là khối lượng (kg)
c: nhiệt dung riêng (j/kg.độ)
∆t=t2-t1: độ chênh lệch nhiệt độ.
IV. Nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học
Nhiệt lượng truyền cho hệ bằng tổng công mà hệ thực hiện đối với môi trường bên

ngoài và độ biến thiên nội năng.
dQ=dU+dA
Trong đó: dQ là nhiệt lượng cung cấp
dU là độ biến thiên nội năng
dA là công hệ thực hiện
Theo nguyên lý I thì nếu cơ thể hoạt đọng như một máy nhiệt thì cần có một
nguồn nhiệt để cung cấp nhiệt lượng, muốn vậy thì nguồn nhiệt phải đạt 174
0
C theo tính
toán. Thực tế không thể được, vậy muốn hoạt động cơ thể còn cách thay đổi nội năng của
các cơ. Áp dụng nguyên lý I cho hệ thống sống thì ta có thể viết phương trình như sau:
∆Q=∆E+∆A+∆M
Trong đó ∆Q là nhiệt lượng sinh ra trong quá trình đồng hóa thức ăn
∆E là phần năng lượng tiêu hao vào môi trường
∆A là công mà cơ thể thực hiện
∆M là năng lượng dự trữ dạng hóa năng (các sản phẩm cuối)
Phương trình trên còn gọi là phương trình cân bằng nhiệt đối với cơ thể.
V. Một số quá trình biến đổi năng lượng trên cơ thể sống
4.1.Năng lượng trong quá trình co cơ
Công trực hiện trong quá trình co cơ được tính bằng công thức sau:
2
1
( ) x
x
x
A F x d=
∫
Trong đó x là độ dài cơ
Hiệu suất công của quá trình co cơ
ax

c
m
A
H
A
=
c
A
là công thực hiện với môi trường ngoài
axm
A
là công mà cơ thực hiện ứng với năng lượng cung cấp.
Thông thường hiệu suất này chỉ đạt khoảng 20-30%
Năng lượng dung trong quá trình co cơ được lấy trực tiếp từ ATP có trong cơ. Lượng
ATP có sẵn trong cơ không nhiều nên trong quá trình hoạt động ATP phải được tổng hợp
một cách lien tục, nhanh chóng nhờ một loại protein giàu năng lượng là phosphocreatin qua
phản ứng sau:
Phosphocreatin + ADP → ATP + creatin
Tuy nhiên lượng ATP tổng hợp trong quá trình này chỉ đủ để cơ hoạt động trong thời
gian ngắn. để có đủ năng lượng làm việc trong thời gian dài ATP được tổng hợp từ một
phản ứng khác là phân hủy glycogen.
Glucose+3H3PO4+2ADP → 2lactat+2ATP+2H2O
Quá trình này tạo nhiều lactate sẽ kìm hãm quá trình tổng hợp ATP.
4.2.Công trong hô hấp
Khi hít thở, không khí được đưa vào phổi và đẩy ra liên tục. Công này được tính
bằng công thức
2
1
V
V

A pdv=
∫
Vì áp suất này thay đổi liên tục nên công này khó có thể tính bằng lý thuyết. Dụng
cụ đo đại lượng này gọi là phế dung kế, kết quả đo được công A khoảng 1-2J/phút.
4.3.Năng lượng ở tim
Tim hoạt động như một bơm cơ học, lien tục tạo ra áp suất để đẩy máu đến các cơ
quan. Công suất cơ học của tim vào khoảng 1,3-1,4W, trong khi toàn bộ giá trị chuyển
hóa của cơ thể là 100W.
Cũng như các cơ khác, hoạt động của tim đòi hỏi phải cung cấp năng lượng, năng
lượng này cũng lấy từ việc tổng hợp ATP
VI. Nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học
5.1.Hàm entropy
 Entropy là một hàm trạng thái của hệ, ký hiệu là S sao cho độ biến thiên của hàm S đó
trong một quá trình thuận nghịch trao đối nhiệt
Q
d
của hệ với môi trường ngoài được tính
theo công thức:
Q
dS
T
d
=
 Nếu hệ biến đổi theo một quá trình cân bằng thuận nghịch bất kỳ từ trạng thái 1 sang trạng
thái 2 thì độ biến thiên của hàm entropy của hệ trong quá trình đó:
2
2 1
1
Q
S S S

T
d
= - =D
ò
5.2.Phát biểu thứ nhất của nguyên lý thú hai nhiệt động lực học
Khi có sự trao đổi nhiệt giữa hai vật khác nhiệt độ tiếp xúc nhau trong một bình kín
cách nhiệt so với môi trường ngoài thì nhiệt chỉ truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn đến vật
có nhiệt độ thấp hơn
5.3.Phát biểu thứ hai của nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học
 Xét hệ cô lập về nhiệt :
 Độ biến thiên entropy của hệ trong quá trình trao đổi nhiệt giữa hai vật:
1 2
1 2
2
1 2
1 1
Q Q
dS
T T
dS Q
T T
d d
d
= +
æ ö
÷
ç
÷
= -
ç

÷
ç
÷
ç
è ø
 Nếu
 T
2
< T
1
: vật 2 nhận nhiệt
 T
2
> T
1
: vật 2 tỏa nhiệt
 Với một hệ kín biến đổi theo quá trình không thuận nghịch, entropy của hệ là một hàm luôn
luôn tăng
 Đối với một hệ kín biến đổi theo một quá trình bất kỳ, qua đó độ biến thiên entropy của hệ
là
SD
thì nguyên lý tăng entropy được viết dưới dạng:
0SD ³
5.4.Áp dụng nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học
Ở hệ thống sống, vật chất, năng lượng được trao đổi không ngừng và quá trình biến
đổi năng lượng cũng luôn luôn xảy ra. Vì vậy, hệ thống sống không thể nằm ở trạng thái
cân bằng nhiệt động. hay ta nói sự tồn tại của trạng thái không cân bằng chính là điều kiện
sống của cơ thể sống. Tuy nhiên, trong cơ thể sống không phải được đặc trưng bởi trạng
thái không cân bằng bất kỳ mà sự vận động của nó đảm bảo các thông số quan trọng không
thay đổi. Ví dụ, ở tế bào sống thì độ pH và gradient nồng độ ion luôn luôn không đổi, các

trạng thái vừa nói trên gọi là các trạng thái dừng.
Mức trạng thái dừng của hệ thống sống dễ dàng bị dao động, nó phụ thuộc lớn vào
điều kiện môi trường bên ngoài cũng như bên trong. Ví dụ khi hoạt động, nghỉ ngơi, quá
trình phát triển…đều có các mức trạng thái dừng khác nhau. Việc thay đổi mức trạng thái
dừng không phải xảy ra tức thì mà là quá trình biến đổi chậm chạp. Ví dụ: khi đi từ sang
vào tối, người làm việc nặng chuyển sang nghỉ ngơi…
5.5.Biến đổi entropy ở hệ thống sống
Cơ thể sống là hệ mở trao đổi chất và năng lượng với môi trường xung quanh, vì
vậy sự thay đổi entropy của hệ được chia thành hai phần. Ta gọi dS
e
là phần thay đổi
entropy do sự trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh, dS
i
là phần
thay đổi entropy do sự biến đổi bên trong hệ.
dS= dS
e
+ dS
i
Giả sử xét hệ cô lập, dS
e
=0 (không trao đổi chất với môi trường), lúc này chỉ còn dS
i
thay đổi. đối với cơ thể sống, quá trình biến đổi bên trong cơ thể xảy ra không thuận
nghịch nên chúng gắn liền với sự tăng entropy.
Đại lượng dS
e
có thể nhận giá trị bất kỳ: âm, dương, bằng 0. Vì cơ thể có thể trao
đổi chất với môi trường bên ngoài theo cả 2 chiều. Nhưng do quá trình sử dụng thức ăn và
thải loại các chất thứ cấp khỏi cơ thể nên hầu như dS

e
mang giá trị âm.
Bài tập ôn tập: