2. Sự biến đổi các dạng năng lượng trong cơ thể
sống
Gồm 3 giai đoạn:
• Năng lượng vào cơ thể.
• Chuyển hóa năng lượng trong cơ thể.
• Năng lượng rời cơ thể.
3
3. Nguyên lý I nhiệt động lực học
Hệ nhiệt động: tập hợp nhiều phần tử. Có 3 loại:
• Hệ cô lập.
• Hệ kín.
• Hệ mở.
4
Cơ thể sống thuộc loại
hệ nhiệt động nào?
4. • Cơ thể sinh vật là hệ mở. cơ thể sinh vật khác
với các hệ mở khác ở các điểm:
– Là một dạng tồn tại đặc biệt của các protid và các chất tạo
thành.
– Có khả năng tự tái tạo.
– Có khả năng tự phát triển.
5
5. Một số khái niệm
• Nhiệt lượng.
• Công.
• Nội năng.
7
6. Nhiệt năng
• Là một dạng năng lượng dự trữ trong vật chất nhờ vào chuyển động nhiệt hỗn loạn của
các hạt cấu tạo nên vật chất.
• T0>> → các phân tử cấu tạo nên vật chuyển động càng nhanh → nhiệt năng của vật càng
lớn.
• 2 cách thay đổi nhiệt năng: thực hiện công và truyền nhiệt.
• Nhiệt lượng là phần nhiệt năng mà vật hay hệ thống vật dự trữ hoặc được nhận thêm hay
mất đi trong quá trình truyền nhiệt.
• Đơn vị đo nhiệt lượng là calo (cal) hoặc Jun (J)
1cal = 4.8J
• Nhiệt dung riêng (tài liệu). Đơn vị:cal/gam.độ.
• Nhiệt dung riêng của các mô và cơ quan của cơ thể khác nhau thì khác nhau.
8
7. ➢3 cách nhiệt có thể trao đổi giữa các (hệ) vật:
• Dẫn nhiệt.
• Đối lưu. (chủ yếu ở chất lỏng và chất khí)
• Bức xạ. (các tia nhiệt, có thể xảy ra ở cả chân
không)
9
Nhiệt sự truyền nhiệt
8. 10
Nhiệt sự truyền nhiệt
• Kết quả thu được: t2 t t1
• Ta có: c1m1 (t- t1) = c2m2 (t2 - t)
hay Q tỏa ra = Q thu vào
m1 m2
t1 t2
t1 < t2
9. Công
• Công là một đại lượng đặc trưng cho mức độ
trao đổi năng lượng của hệ trong chuyển động
có hướng.
• 𝑑𝐴 = Ԧ
𝐹 𝑑Ԧ
𝑠 cos 𝛼
11
𝑭
𝒔
α
10. Liên hệ giữa công và nhiệt lượng
• Công và nhiệt lượng là những đại lượng dùng để
đo mức độ trao đổi năng lượng chứ bản thân
chúng không phải là một dạng năng lượng.
• Công và nhiệt lượng có mối liên hệ chặt chẽ với
nhau và có thể chuyển hoá lẫn nhau: công có thể
biến thành nhiệt lượng và ngược lại.
12
11. Nội năng
• Nội năng của hệ là năng lượng dự trữ toàn phần của tất
cả các dạng chuyển động và tương tác của tất cả các
phần tử nằm trong hệ.
• Nếu hệ từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 ta có:
∆𝑈 = න
𝑈1
𝑈2
𝑑𝑈
→ Khi hệ thực hiện một chu trình thì ∆𝑈 = 0
13
12. Nguyên lý I nhiệt động lực học
“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”.
𝜹𝑸 = 𝒅𝑼 + 𝜹𝑨
14
Phát biểu
13. • Nếu 𝛿𝐴 = 0 → 𝛿𝑄 = 𝑑𝑈
• Nếu 𝛿𝑄 = 0 → 𝛿𝐴 = −𝑑𝑈
(dU<0 ↔ 𝑈2 − 𝑈1 < 0)
• Nếu 𝛿𝑄 = 0, 𝑑𝑈 = 0 → 𝛿𝐴 = 0
• Trong hệ cô lập: 𝛿𝑄 = 0, 𝛿𝐴 = 0 → 𝑑𝑈 = 0
15
Nguyên lý I nhiệt động lực học
Hệ quả
14. “Năng lượng sinh ra bởi quá trình
hoá học phức tạp không phụ thuộc
vào các giai đoạn trung gian mà chỉ
phụ thuộc vào các trạng thái ban
đầu và cuối cùng của hệ hoá học”.
16
Nguyên lý I nhiệt động lực học
Định luật Hess
A1, A2, A3… B1, B2, B3…
C1, C2, …
N1, N2, …
M1, M2, …
E
E1
E2
E3
E4
E5
Hình 1.2. Hình minh họa định luật Hess.
Ứng dụng: Xác định khả năng sinh
nhiệt của thức ăn cho cơ thể.
15. Áp dụng nguyên lý I cho hệ thống sống
Các dạng công trong cơ thể:
• Công hóa học.
• Công cơ học.
• Công thẩm thấu.
• Công điện.
17
17. Áp dụng nguyên lý I cho hệ thống sống
19
Nhiệt của cơ thể
• Nhiệt của cơ thể được điều chỉnh và cảm nhận bởi trung tâm
thần kinh chuyên biệt ở não qua các thụ thể trên bề mặt của cơ
thể.
• Phần năng lượng được cơ thể tiêu thụ còn được dùng để sinh
ra nhiệt – nhiệt lượng thứ cấp.
• Khi sự tỏa nhiệt tăng sẽ kéo theo quá trình sinh nhiệt cũng
tăng, điều đó đảm bảo nhiệt độ cơ thể là không đổi.
18. Áp dụng nguyên lý I cho hệ thống sống
20
Kiểm soát nhiệt trên bề mặt da
Bề mặt da được làm mát bằng hình thức truyền
nhiệt chủ yếu là đối lưu, bức xạ hay bay hơi → thực
hiện thông qua hệ tuần hoàn.
19. Hạn chế nguyên lý I cho hệ thống sống
21
• Nguyên lý I có thể đưa ta đến một kết luận sai lầm rằng: nếu
trọng lượng, nhiệt độ của cơ thể không thay đổi và không
thực hiện công ra bên ngoài thì năng lượng vào cơ thể bằng
đúng năng lượng nhiệt rời khỏi cơ thể.
• Không cho biết chiều biến đổi của quá trình từ nhiệt thành
công mà chỉ cho biết về sự tương về lượng giữa chúng khi
tham gia vào quá trình biến đổi.
20.
21.
22. Một số quá trình biến đổi năng lượng trên cơ
thể sống
• Năng lượng trong quá trình co cơ.
• Công hô hấp.
• Năng lượng ở tim.
24
23. Năng lượng trong quá trình co cơ
• Gọi x là chiều đài cơ, dx là biến đổi rất nhỏ của chiều dài
cơ, F(x) là lực phát sinh do co cơ, ta có thể viết công A do
cơ sinh ra là:
• 𝐴 =
𝑥1
𝑥2
𝐹 𝑥 . 𝑑𝑥
• Hiệu suất này chỉ đạt 20-30% nếu xét từng cơ riêng lẽ; hiệu
suất còn phụ thuộc vào giới tính, vào tuổi tác và luyện tập.
• Năng lượng dùng co cơ lấy từ ATP.
25
24. • Phosphocreatin + ADP -> ATP + Creatin
• Glucose + 3H3P04 + 2ADP → 2 lactat + 2ATP + 2H2O
26
Năng lượng trong quá trình co cơ
26. Công trong hô hấp
• Là công được thực hiện bởi các cơ hô hấp để
thắng tất cả các lực cản khi thông khí.
• 𝐴 =
𝑉1
𝑉2
𝑝. 𝑑𝑉
28
27. Năng lượng ở tim
• Công cơ học của tim tạo ra áp suất đẩy máu, phần
còn lại tạo ra độ căng của cơ tức là trương lực cơ.
• Hoạt động của cơ tim đòi hỏi cung cấp năng
lượng. Trong cơ thể, năng lượng này lấy từ liên
kết hóa học giàu năng lượng ATP. ATP được sản
xuất từ sự phân ly các đường glucose và oxy hóa
phospholipid.
29
28. Nguyên lý II nhiệt động lực học
Một số thông số nhiệt động quan trọng:
• Gradien
• Entropi
• Năng lượng tự do.
• Trạng thái cân bằng nhiệt động.
• Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch.
30
29. Gradien
• Gradienf là đại lượng vectơ cho ta biết mức độ
thay đổi của đại lượng f trong không gian (độ
lớn và hướng).
• Ở tế bào sống có rất nhiều gradien (gradien
thẩm thấu, gradien điện...)
31
30. Entropi
• Trong cơ học thống kê: entropi là đại lượng
đặc trưng cho mức độ hỗn loạn của hệ.
32
32. Entropi
• Trong nhiệt động lực học: entropi nhiệt động
lực (hay gọi đơn giản là entropy) ký hiệu là S,
là một đơn vị đo nhiệt năng phát tán, hấp thụ
khi một hệ vật lý chuyển trạng thái tại một
nhiệt độ tuyệt đối xác định T (𝑑𝑆 =
𝛿𝑄
𝑇
).
34
33. Năng lượng tự do
Từ (1.8) ta có: δQ = T.dS
Kết hợp với δQ = dU + δA
ta nhận được :
δA = T.dS – dU
δA = - [dU – T.dS]
δA = - [dU – d(T.S)]
δA = - d[U – T.S]
Đặt U – T.S = F và gọi là năng lượng tự do của hệ
ta có: δA = -dF
U = F + T.S
Năng lượng tự do đặc trưng cho khả năng sinh công của hệ.
35
34. Trạng thái cân bằng nhiệt động
• Trạng thái cân bằng nhiệt động của hệ là trạng
thái mà các thông số đặc trưng cho hệ có giá trị
xác định và không đổi khi không có những
nguyên nhân bên ngoài làm thay đổi chúng.
• Trạng thái cân bằng nhiệt động của hệ cô lập
được đặc trưng bằng entropi đạt cực đại hay năng
lượng tự do đạt cực tiểu.
36
35. Quá trình thuận nghịch
• Một quá trình được biến đổi từ trạng thái này sang
trạng thái khác được gọi là thuận nghịch khi nó có thể
tiến hành theo chiều ngược lại và trong quá trình ngược
đó, hệ trải qua các trạng thái trung gian như trong quá
trình thuận.
• Với quá trình thuận nghịch thì sau khi biến đổi nghịch
về trạng thái ban đầu, môi trường xung quanh không bị
biến đổi.
37
36. Quá trình không thuận nghịch
• Quá trình không thuận nghịch là quá trình khi
ta tiến hành theo chiều ngược lại, hệ không trải
qua các trạng thái trung gian như trong quá
trình thuận.
38
37. Nguyên lý II nhiệt động lực học
• Trong các hệ cô lập, chỉ những quá trình nào
kéo theo việc tăng entropi mới có thể tự diễn
biến; giới hạn tự diễn biến của chúng là trạng
thái có giá trị cực đại của entropi.
39
39. Áp dụng nguyên lý II nhiệt động lực học cho
hệ thống sống
41
I K2
II
K3
K1
40. Áp dụng nguyên lý II nhiệt động lực học cho
hệ thống sống
Trạng thái dừng của 1 hệ thống sống
• Trạng thái dừng là trạng thái xảy ra ở hệ mở,
trong đó các thông số trạng thái không thay đổi
theo thời gian mà vẫn có dòng vật chất và năng
lượng vào ra hệ.
• Mức trạng thái dừng dễ dàng thay đổi nếu ta thay
đổi một số điều kiện bên ngoài.
42
41. Bảng so sánh
Trạng thái cân bằng nhiệt động Trạng thái dừng của hệ mở
• Không có dòng vật chất vào và ra khỏi hệ.
• Không tiêu phí năng lượng tự do để duy
trì trạng thái cân bằng.
• Khả năng sinh công của hệ bằng không.
• Entropi của hệ cực đại S = Smax.
• Không tồn tại các gradien trong hệ.
• Luôn có dòng vật chất không đổi vào và
ra khỏi hệ.
• Cần liên tục năng lượng tự do để duy trì
trạng thái cân bằng.
• Khả năng sinh công của hệ khác không.
• Entropi của hệ không đổi nhưng chưa đạt
giá trị cực đại S < Smax.
• Luôn tồn tại các gradien trong hệ.
44
43. Biến đổi entropi trong hệ thống sống
dS = dSe + dSi
Trong đó:
• dSe: phần thay đổi entropi gây ra bởi sự tương
tác với môi trường xung .
• dSi: phần thay đổi entropi gây bởi những thay
đổi bên trong hệ.
46
44. Biến đổi entropi trong hệ thống sống
dS = dSe + dSi
Khi:
• dSe = 0 thì dS = dSi
• dSe > 0 thì dS > 0.
• dSe < 0 ta thấy có ba trường hợp:
- Nếu |dSe| < |dSi| thì dS > 0: entropi của hệ tăng.
- Nếu |dSe| > |dSi| thì dS < 0: giai đoạn phát triển, hệ thống có tính
trật tự ngày càng cao.
- Nếu |dSe| = |dSi| thì dS = 0: điều đó tương ứng với trạng thái
dừng. 47
45. Sự cần thiết phải có môi trường sạch với
entropi thấp
48
