Tài liệu Bài giảng lý sinh docx

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