1. BÀI 1
SỰ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG TRÊN CƠ THỂ SỐNG
* * *
A. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
- Nhiệt động lực học nghiên cứu các quá trình và chiều tiến triển của quá trình hay biến đổi năng lượng trong tự
nhiên trên tập lớn các phần tử tạo thành một hệ thống – hệ nhiệt động.
- Hệ nhiệt động gồm tập hợp của nhiều phần tử. Dựa vào tính chất tương tác giữa hệ với môi trường xung quanh,
hệ nhiệt động được chia thành 3 loại: hệ cô lập, hệ kín và hệ mở.
+ Hệ cô lập → không trao đổi vật chất và năng lượng (E) với mt xung quanh.
+ Hệ kín → Chỉ trao đổi E với mt xung quanh, không trao đổi vật chất qua biên giới của hệ.
+ Hệ mở → Luôn có sự trao đổi vật chất và E với môi trường xung quanh.
- Cơ thể sinh vật là một hệ mở, tuy nhiên có ba đặc điểm khác so với các hệ mở khác:
+ Là dạng tồn tại đặc biệt của các Protid và các chất tạo thành.
+ Có khả năng tự tái tạo.
+ Có khả năng phát triển.
I. Nhiệt lượng và nhiệt dung riêng
- Nhiệt năng → Dạng năng lượng dự trữ trong vật chất, có được nhờ vào sự chuyển động nhiệt hỗn loạn của các
phân tử cấu thành vật.
+ Nhiệt năng của một vật = Tổng động năng của các phân tử, nguyên tử cấu tạo thành vật đó.
+ Khi nhiệt độ của vật càng cao → Các phân tử, nguyên tử cấu tạo nên vật chuyển động càng nhanh → Nhiệt
năng của vật càng lớn Nhiệt năng và nhiệt độ có mối quan hệ chặt chẽ với nhau.
+ Khi có sự khác biệt về nhiệt độ giữa các vật → Nhiệt năng có thể được trao đổi giữa chúng.
+ Nhiệt năng có thể được thay đổi bằng 2 cách: Thực hiện công & truyền nhiệt.
- Nhiệt lượng (Q) → Phần nhiệt năng mà vật nhận được thêm hay mất đi trong quá trình truyền nhiệt.
+ Công thức tính: Q = mc∆t = mc∆T .
+ Đơn vị nhiệt lượng: Calo (cal) hoặc Jun (J) ; 1 cal ≈ 4,18 J
+ Calo là nhiệt lượng làm nóng 1 gam nước từ 14,5 0C đến 15,5 0C.
+ Nhiệt lượng thường được đo bằng nhiệt lượng kế.
- Nhiệt dung riêng của vật chất (C) → Lượng nhiệt cần thiết truyền cho một đơn vị khối lượng vật chất để nhiệt
độ của vật đó +10C.
+ Đơn vị nhiệt dung riêng (C): cal/gam.độ → Cần truyền 1 cal để 1 g nước +10C .
+ Nhiệt dung riêng của cơ thể người vào khoảng 0,83 cal/gam.độ ; của máu vào khoảng 0,93 cal/gam.độ ; của
xương đặc là vào khoảng 0,3 – 0,4 cal/gam.độ .
II. Sự truyền nhiệt
- Nhiệt có thể được trao đổi giữa các vật và hệ vật thông qua ba cách: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ.
+ Dẫn nhiệt → Sự truyền nhiệt năng tiếp xúc từ phần này sang phần khác của một hay nhiều vật ...
+ Đối lưu → Sự truyền nhiệt bằng các dòng chất lỏng hoặc chất khí → Hình thức truyền nhiệt chủ yếu của chất
lỏng và chất khí.
+ Bức xạ → Sự truyền nhiệt bằng sóng điện từ, có thể xảy ra ở chân không.
* Phương trình cân bằng nhiệt: Qtỏa ra = Qthu vào
Nhiệt năng không bị mất đi mà chỉ trao đổi.
2. III. Công cơ học
- Đặc trưng cho tương tác về phương diện E.
- Chỉ dùng trong trường hợp có lực tác dụng và làm vật chuyển dời.
- Công thức tính: 𝒅𝑨 = 𝑭
⃑
⃑ .𝒅𝒔
⃑ = |𝑭
⃑
⃑ |.|𝒅𝒔
⃑ |.𝐜𝐨𝐬𝜶
Công là mộtđạilượngđặctrưng chomứcđộtrao đổi E của hệ trong chuyển động có hướng.
IV. Liên hệ giữa công và nhiệt lượng
- Công và nhiệt lượng:
+ Đều là các đại lượng đặc trưng cho mức độ trao đổi E giữa các vật.
+ Có mối quan hệ chặt chẽ, có thể chuyển hóa cho nhau.
+ 1cal ≈ 4,18J .
- Ở mỗi trạng thái khác nhau, E của hệ có giá trị xác định, chứ ở mỗi trạng thái không có công và nhiệt, E của hệ
không phụ thuộc vào quá trình đưa đến trạng thái đó. Chỉ khi nào 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 mới có những giá trị khác nhau
Công và nhiệt là hàm của quá trình.
V. Nội năng
- Nội năng (U) → Năng lượng dự trữ toàn phần của tất cả các dạng chuyển động và tương tác của tất cả các phần
tử trong hệ.
- Các thành phần của nội năng trong một hệ gồm:
+ E chuyển động nhiệt ;
+ E dao động của các phân tử, nguyên tử ;
+ E điện tử quỹ đạo ;
+ E hạt nhân ; ...
- Động năng của chuyển động của tập thể của hệ, thế năng mà hệ tương tác với bên ngoài không phải là thành
phần nội năng của hệ.
- Mỗi hệ đều có một nội năng U xác định, nhưng vẫn chưa thể xác định trị số tuyệt đối nội năng U, mà chỉ xác
định được sự thay đổi nội năng dU.
- Nội năng của hệ là hàm đơn giá của trạng thái của hệ Hàm trạng thái.
- Nếu hệ thực hiện một chu trình (thay đổi qua các trạng thái khác nhau rồi trở về trạng thái ban đầu) thì ∆U = 0.
- Nếu hệ từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 thì ∆U = U2 – U1 .
B. NGUYÊN LÍ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
I. PHÁT BIỂU NGUYÊN LÍ
- Giả sử có một hệ nhận nhiệt lượng là δQ. Nếu như hệ thực hiện công δA lên môi trường ngoài thì công này lấy
ở phần nhiệt lượng mà vật thu được.
δQ = dU + δA
Trong đó: dU → Sự biến thiên nội năng, U là hàm của trạng thái.
δQ → Nhiệt lượng mà hệ nhận được và là hàm của quá trình.
δA → Công mà hệ sinh ra và là hàm của quá trình.
* Phát biểu nguyên lí I:
“Nhiệt lượng truyền cho hệ dùng làm tăng nội năng của hệ và biến ra công thực hiện bởi lực
của hệ đặt lên môi trường ngoài”.
3. II. HỆ QUẢ
- Khi δQ = 0 (không nhận E từ môi trường ngoài) thì δA = -dU Nếu không cung cấp nhiệt lượng cho hệ, để
hệ sinh công δA thì nội năng của hệ buộc phải giảm một lượng dU.
- Khi δQ = 0 và dU = 0 (lúc này hệ thực hiện một chu trình) thì δA = 0 (hệ không thể sinh công)
Không thể tồn tại những động cơ vĩnh cữu loại I (những động cơ không cần cung cấp năng lượng δQ cũng
sinh công δA mà nội năng lại không thay đổi) .
- Trong trường hợp hệ cô lập thì δQ = δA = 0 dU = 0 U1 = U2 Nội năng của hệ cô lập được bảo toàn.
III. ĐỊNH LUẬT HESS
- Là một hệ quả của nguyên lí I nhiệt động lực học.
- Phát biểu: “Năng lượng sinh ra bởi quá trình hóa học phức tạp không phụ thuộc vàocác giai
đoạn trung gian mà chỉ phụ thuộc vào các trạng thái ban đầu và cuối cùng của hệ hóa học”.
- Trong y học, định luật Hess được ứng dụng rộng rãi để xác định khả năng sinh nhiệt của thức ăn cho cơ thể
→ Bằng nhiệt lượng sinh ra trong quá trình oxy hóa thức ăn trong cơ thể, xác định bằng nhiệt lượng kế.
C. ÁP DỤNG NGUYÊN LÍ I CHO HỆ THỐNG SỐNG
I. CÁC DẠNG CÔNG TRONG CƠ THỂ
- Công sinh học được chia thành các dạng cơ bản sau:
+ Công cơ học → Công sinh ra khi dịch chuyển các bộ phận của cơ thể, được thực hiện bởi cơ khi chúng co lại.
+ Công hóa học → Công sinh ra khi tổng hợp các chất có trọng lượng phân tử cao từ các chất có trọng lượng
phân tử thấp, và khi thực hiện các phản ứng hóa học xác định.
+ Công thẩm thấu → Công vận chuyển các chất khác nhau qua màng từ nơi có C thấp đến nơi có C cao → Vận
chuyển tích cực.
+ Công điện → Công vận chuyển các hạt mang điện (e hay các ion) trong điện trường, được thực hiện khi cơ thể
sinh ra khi điện thế sinh vật và dẫn truyền kích thích trong tế bào.
II. NHU CẦU NĂNG LƯỢNG VÀ SỰ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG TỪ THỨC ĂN
III. NHIỆT CỦA CƠ THỂ
IV. KIỂM SOÁT NHIỆT TRÊN BỀ MẶT DA
V. HẠN CHẾ CỦA NGUYÊN LÍ I
- Không cho biết dạng E này có thể biến đổi hoàn toàn thành dạng E khác hay không, mà chỉ cho biết sự tương
đương về lượng giữa chúng khi tham gia vào các quá trình biến đổi → Không nói rõ: Các quá trình nhiệt động
trong tự nhiên đều xảy ra theo hay chiều.
