Chương 1 NHIỆT ĐỘNG HỌC HỆ SINH VẬT I. Nhiệt động học hệ sinh vật và hướng nghiên cứu Nhiệt động học hệ sinh vật là lĩnh vực nghiên cứu hiệu ứng năng lượng, sự chuyển hoá giữa các dạng năng lượng, khả năng tiến triển, chiều hướng và giới hạn tự diễn biến của các quá trình xảy ra trong hệ thống sống. Cơ thể sống trong quá trình sinh trưởng và phát triển đều có sử dụng năng lượng vì vậy nhiệt động học hệ sinh vật là lĩnh vực cần được nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu của nhiệt động học hệ sinh vật là cơ thể sống, đó là một hệ mở do luôn xảy ra sự trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh, có khả năng tự điều chỉnh, tự sinh sản nên khác với hệ vật lí như chất rắn, chất lỏng hay chất khí Hiện nay nhiệt động học hệ sinh vật có các hướng nghiên cứu chủ yếu sau: - Nghiên cứu sự chuyển biến năng lượng ở mức độ phân tử, tế bào, mô, cơ quan hay toàn bộ cơ thể khi ở trạng thái sinh lý bình thường và trạng thái đang hoạt động. Xác định hiệu suất sử dụng năng lượng của các quá trình sinh vật và năng lượng liên kết trong các liên kết của các cao phân tử sinh học. - Nghiên cứu tính chất nhiệt động của các quá trình diễn ra trong cơ thể sống như quá trình khuyếch tán, thẩm thấu, vận chuyển tích cực - Nghiên cứu cơ chế tác động của sự thay đổi các yếu tố môi trường lên quá trình chuyển hoá năng lượng và sự trao đổi năng lượng giữa cơ thể sống với môi trường. II. Một số khái niệm và đại lượng cơ bản - Hệ: Hệ là một vật thể hay một nhóm vật thể được dùng làm đối tượng để nghiên cứu. Ví dụ khi chọn cá thể để nghiên cứu thì cá thể là một hệ còn khi chọn quần thể để nghiên cứu thì quần thể là một hệ. - Hệ cô lập: Là hệ không có sự trao đổi vật chất và năng lượng giữa hệ với môi trường xung quanh. Trên thực tế khó xác định được một hệ cô lập hoàn toàn nhưng ở qui mô thí nghiệm các nhà khoa học có thể thiết kế được hệ cô lập như bom nhiệt lượng dùng để nghiên cứu hiệu ứng nhiệt của các phản ứng oxy hóa. - Hệ kín: Là hệ không trao đổi vật chất với môi trường xung quanh nhưng có trao đổi năng lượng với môi trường xung quanh. - Hệ mở: Là hệ có trao đổi cả vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh. Ví dụ: cơ thể sống là một hệ mở. - Tham số trạng thái: Là các đại lượng đặc trưng cho trạng thái của một hệ, ví dụ như nhiệt độ, áp suất, thể tích, nội năng, entropi - Trạng thái cân bằng: Là trạng thái trong đó các tham số trạng thái đạt một giá trị nhất định và không đổi theo thời gian. - Quá trình cân bằng: Là quá trình trong đó các tham số trạng thái thay đổi với tốc độ chậm tới mức sao cho tại mỗi thời điểm có thể xem như trạng thái của hệ là trạng thái cân bằng. - Quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp, đẳng tích là quá trình diễn ra trong đó nhiệt độ, áp suất và thể tích luôn không đổi trong suốt quá trình diễn ra. - Quá trình thuận nghịch: Là quá trình biến đổi mà khi trở về trạng thái ban đầu không kèm theo bất cứ một sự biến đổi nào của môi trường xung quanh. - Quá trình bất thuận nghịch: Là quá trình biến đổi mà khi trở về trạng thái ban đầu làm thay đổi môi trường xung quanh. - Hàm trạng thái: Một đại lượng được xem là một hàm trạng thái, đặc trưng cho trạng thái của hệ, khi sự biến thiên giá trị của nó trong bất cứ quá trình nào cũng chỉ phụ thuộc vào giá trị đầu và giá trị cuối mà không phụ thuộc vào con đường chuyển biến. Nội năng (U), năng lượng tự do (F), thế nhiệt động (Z hay G), entanpi (H), entropi (S) là những hàm trạng thái. - Năng lượng: Năng lượng là đại lượng có thể đo được, có thể biến đổi một cách định lượng luôn theo cùng một tỉ lệ thành nhiệt lượng. Năng lượng phản ánh khả năng sinh công của một hệ. Đơn vị dùng để đo năng lượng là Calo (Cal) hay Joule (J). - Công và nhiệt: Đó là hai hình thức truyền năng lượng từ hệ này sang hệ khác. Nếu như sự truyền năng lượng từ hệ này sang hệ khác gắn liền với sự di chuyển vị trí của hệ thì sự truyền đó được thực hiện dưới dạng công. Ví dụ khi chạy 100 mét thì năng lượng tiêu tốn đã được dùng vào thực hiện công để di chuyển vị trí. Nếu sự truyền năng lượng từ hệ này sang hệ khác làm tăng tốc độ chuyển động của phân tử ở hệ nhận năng lượng thì sự truyền đó được thực hiện dưới dạng nhiệt. Công và nhiệt là hàm số của quá trình vì chúng đều phụ thuộc vào cách chuyển biến. - Nội năng: Nội năng của một vật thể bao gồm động năng của các phân tử chuyển động và thế năng tương tác do sự hút và đẩy lẫn nhau giữa các phân tử cùng với năng lượng của hạt nhân nguyên tử và năng lượng của các điện tử. III. Định luật I nhiệt động học và những hệ quả của nó Định luật I nhiệt động học được hình thành qua các công trình nghiên cứu của các tác giả như M. V. Lomonoxob (1744), G. I. Heccer (1836), R. Majo (1842), Helmholtz (1849), Joule (1877) Định luật I nhiệt động học được phát biểu như sau: "Trong một quá trình nếu năng lượng ở dạng này biến đi thì năng lượng ở dạng khác sẽ xuất hiện với lượng hoàn toàn tương đương với giá trị của năng lượng dạng ban đầu". Định luật I nhiệt động học bao gồm hai phần: - Phần định tính khẳng định năng lượng không mất đi mà nó chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác. - Phần định lượng khẳng định giá trị năng lượng vẫn được bảo toàn (tức giữ nguyên giá trị khi qui đổi thành nhiệt lượng) khi chuyển từ dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác. Giá trị năng lượng chỉ được bảo toàn khi quá trình xảy ra là quá trình thuận nghịch và hiệu suất của quá trình đạt 100%. Đối với quá trình bất thuận nghịch, hiệu suất của quá trình nhỏ hơn 100% thì ngoài phần năng lượng truyền cho hệ phải cộng thêm phần năng lượng đã toả ra môi trường xung quanh. Biểu thức toán học của định luật I nhiệt động học: Một hệ cô lập ở trạng thái ban đầu có nội năng U 1 , nếu cung cấp cho hệ một nhiệt lượng Q thì một phần nhiệt lượng hệ sử dụng để thực hiện công A, phần còn lại làm thay đổi trạng thái của hệ từ trạng thái ban đầu có nội năng U 1 sang trạng thái mới có nội năng U 2 (U 2 >U 1 ). Từ nhận xét trên ta có biểu thức: Q = ΔU + A (1.1) Trong đó ΔU = U 2 - U 1 Công thức (1.1) có thể viết dưới dạng: ΔU = U 1 - U 1 = Q - A (1.2) Đối với quá trình biến đổi vô cùng nhỏ, phương trình (1.2) có thể viết dưới dạng: dU = δQ - δA (1.3) dU: Chỉ sự biến đổi nội năng, là hàm số trạng thái δQ và δA: Chỉ sự biến đổi nhiệt và công, là hàm số của quá trình. Từ biểu thức (1.2), định luật I nhiệt động học có thể phát biểu như sau: "Sự biến thiên nội năng của hệ bằng nhiệt lượng do hệ nhận được trừ đi công do hệ đã thực hiện". Từ định luật I nhiệt động học dẫn đến các hệ quả sau đây: - Nếu hệ biến đổi theo một chu trình kín (có trạng thái đầu và trạng thái cuối trùng nhau) thì nội năng của hệ sẽ không thay đổi (U 2 = U 1 →ΔU = 0). - Khi cung cấp cho hệ một nhiệt lượng, nếu hệ không thực hiện công thì toàn bộ nhiệt lượng mà hệ nhận được sẽ làm tăng nội năng của hệ. Theo (1.2) ΔU = U 2 - U 1 = Q - A, nếu A = 0 → U 2 - U 1 = Q. Hệ nhận nhiệt nên Q > 0 → U 2 - U 1 = Q > 0 → U 2 > U 1 . - Khi không cung cấp nhiệt lượng cho hệ mà hệ muốn thực hiện công thì chỉ có cách là làm giảm nội năng của hệ. Theo (1.2) ΔU = U 2 - U 1 = Q - A, nếu Q = 0 → U 2 - U 1 = -A → A = U 1 - U 2 . Hệ muốn thực hiện công, tức A > 0 → U 1 - U 2 > 0 → U 1 > U 2 . Sau khi thực hiện công (tức A > 0), nội năng của hệ đã giảm từ U 1 xuống U 2 nhỏ hơn. - Hệ thực hiện theo chu trình kín, nếu không cung cấp nhiệt lượng cho hệ thì hệ sẽ không có khả năng sinh công. Theo (1.2) ΔU = Q - A, nếu hệ thực hiện theo chu trình kín, theo hệ quả 1 thì ΔU = 0 → Q - A = 0 → Q = A Do vậy, nếu Q = 0, tức không cung cấp nhiệt lượng cho hệ thì hệ cũng không có khả năng sinh công, tức A = 0. Hệ quả này, có thể phát biểu dưới dạng: "Không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại một, là loại động cơ không cần cung cấp năng lượng nhưng vẫn có khả năng sinh công". IV. Định luật Heccer Được Heccer tìm ra năm 1836, sau này được các nhà khoa học xếp thuộc vào hệ quả của định luật I nhiệt động học. Định luật Heccer phát biểu như sau: "Hiệu ứng nhiệt của các phản ứng hoá học chỉ phụ thuộc vào dạng và trạng thái của chất đầu và chất cuối mà không phụ thuộc vào cách chuyển biến". Ví dụ: Phản ứng tạo khí CO 2 từ than nguyên chất là cacbon (C) có thể tiến hành theo 2 cách sau: Cách 1: Đốt trực tiếp than nguyên chất thành khí CO 2 sẽ giải phóng nhiệt lượng là Q 1 . Phản ứng xảy ra: C + O 2 → CO 2 + Q 1 Cách 2: Chuyển than nguyên chất thành CO theo phản ứng: C + 2 1 O 2 → CO + Q 2 Từ CO chuyển tiếp thành CO 2 theo phản ứng: CO + 2 1 O 2 → CO 2 + Q 3 Sơ đồ minh hoạ: C Q 2 Q 3 CO Q 1 CO 2 Theo định luật Heccer, chất đầu tham gia phản ứng (C) và sản phẩm của phản ứng (CO 2 ) giống nhau nên có hiệu ứng nhiệt giống nhau: Q 1 = Q 2 + Q 3 Trong thực nghiệm, hiệu ứng nhiệt của quá trình đốt than thành CO không thể đo trực tiếp được vì khi than cháy không bao giờ chỉ cho CO mà còn cho một ít CO 2 . Nhưng thực nghiệm lại đo trực tiếp được Q 1 = 97 KCal/M và Q 3 = 68 KCal/M. Từ đó dễ dàng suy ra giá trị Q 2 = Q 1 - Q 3 = 97 KCal - 68 KCal Q 2 = 29 KCal/M. Định luật Heccer có ý nghĩa rất quan trọng đối với hệ sinh vật. Trong hệ sinh vật diễn ra nhiều phản ứng phức tạp, cho đến nay vẫn còn nhiều phản ứng trung gian chưa có thể đo trực tiếp được hiệu ứng nhiệt. Dựa vào định luật Heccer có thể giải quyết được khó khăn này. V. Định luật I nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật Người đầu tiên tiến hành thí nghiệm để chứng minh tính đúng đắn của định luật I nhiệt động học khi áp dụng vào hệ thống sống là hai nhà khoa học Pháp Lavoisier và Laplace vào năm 1780. Đối tượng thí nghiệm là chuột khoang. Thí nghiệm cách ly cơ thể khỏi môi trường bên ngoài bằng cách nuôi chuột trong nhiệt lượng kế ở nhiệt độ 0 o C. Dùng một lượng thức ăn đã xác định trước để nuôi chuột thí nghiệm. Trong cơ thể chuột sẽ diễn ra các phản ứng phân huỷ thức ăn tới sản phẩm cuối cùng là khí CO 2 và H 2 O, đồng thời giải phóng ra nhiệt lượng Q 1 . Nếu coi ở điều kiện 0 o C, chuột đứng yên, không thực hiện công mà chỉ sử dụng nhiệt lượng giải phóng ra do oxy hoá thức ăn để cung cấp nhiệt lượng cho cơ thể và tỏa nhiệt ra môi trường, qua nhiệt kế đo được sự tăng nhiệt độ, theo công thức sẽ tính được nhiệt lượng Q 1 . Đồng thời lấy một lượng thức ăn tương đương với lượng thức ăn đã cho chuột ăn trước khi thí nghiệm đem đốt cháy trong bom nhiệt lượng kế cũng tới khí CO 2 và H 2 O, giải phóng ra nhiệt lượng Q 2 . So sánh hai kết quả thí nghiệm thấy giá trị Q 1 tương đương với Q 2 . Điều này chứng tỏ nhiệt lượng giải phóng ra từ các phản ứng hoá sinh diễn ra trong cơ thể sống hoàn toàn tương đương với nhiệt lượng giải phóng ra từ các phản ứng ôxy hoá diễn ra ở ngoài cơ thể sống. Nói cách khác, hiệu ứng nhiệt của quá trình ôxy hoá chất diễn ra ở trong cơ thể sống và hiệu ứng nhiệt của quá trình ôxy hoá chất diễn ra ở ngoài cơ thể sống là hoàn toàn tương đương. Để tăng độ chính xác của thí nghiệm, sau này có nhiều mô hình thí nghiệm của nhiều nhà nghiên cứu được tiến hành nhưng đáng chú ý nhất là của Atwater và Rosa vào năm 1904. Đối tượng thí nghiệm là người và thời gian thí nghiệm là một ngày đêm (24 giờ). Trong thời gian thí nghiệm, cho người tiêu thụ một lượng thức ăn nhất định, thông qua đo lượng khí ôxy hít vào (hay khí CO 2 thở ra), nhiệt thải ra từ phân và nước tiểu sẽ tính được hiệu ứng nhiệt của các phản ứng phân huỷ thức ăn diễn ra ở cơ thể người trong 24 giờ. Đồng thời đốt lượng thức ăn tương đương với lượng thức ăn mà người đã tiêu thụ ở trong bom nhiệt lượng kế sẽ đo được nhiệt lượng toả ra. Kết quả thí nghiệm: Hiệu ứng nhiệt của các phản ứng diễn ra ở cơ thể người trong 24 giờ: Nhiệt lượng toả ra xung quanh : 1374 KCal Nhiệt lượng toả ra do thở ra : 181 KCal Nhiệt lượng toả ra do bốc hơi qua da: 227 KCal Nhiệt do khí thải ra : 43 KCal Nhiệt toả ra từ phân và nước tiểu : 23 KCal Hiệu đính (do sai số) : 31 KCal Tổng cộng nhiệt lượng thải ra : 1879 KCal Nhiệt lượng do thức ăn cung cấp: 56,8 gam Protein : 237 KCal 79,9 gam Gluxit : 335 KCal 140,0 gam Lipit : 1307 KCal Tổng cộng : 1879 KCal Lưu ý: Khi ôxy hoá 1 gam Protein ở trong bom nhiệt lượng kế tới khí CO 2 và H 2 O, giải phóng ra 5,4 KCal còn trong cơ thể sống phân giải 1 gam Protein tới urê chỉ giải phóng khoảng 4,2 KCal. Khi oxy hoá hoàn toàn 1 gam Gluxit, giải phóng khoảng 4,2 KCal còn ôxy hoá hoàn toàn 1 gam Lipit giải phóng từ 9,3 đến 9,5 KCal. Kết quả thí nghiệm của Atwater và Rosa khẳng định năng lượng chứa trong thức ăn sau khi cơ thể tiêu thụ đã chuyển thành năng lượng giải phóng thông qua quá trình phân giải bởi các phản ứng hoá sinh diễn ra trong cơ thể sống. Năng lượng chứa trong thức ăn và năng lượng giải phóng ra sau khi cơ thể phân giải thức ăn là hoàn toàn tương đương. Nhiệt lượng trong cơ thể người được chia làm hai loại là nhiệt lượng cơ bản (hay nhiệt lượng sơ cấp) và nhiệt lượng tích cực (hay nhiệt lượng thứ cấp). Nhiệt lượng cơ bản xuất hiện ngay sau khi cơ thể hấp thụ thức ăn và tiêu thụ ôxy để thực hiện phản ứng ôxy hoá đồng thời giải phóng ra nhiệt lượng. Ví dụ khi cơ thể hấp thụ 1 phân tử gam (tức 1M) glucose, lập tức xảy ra phản ứng ôxy hoá đường và giải phóng ra 678 KCal (nhiệt lượng cơ bản). Cơ thể sẽ sử dụng nhiệt lượng cơ bản vào các hoạt động sống, nếu còn dư sẽ được tích luỹ vào ATP. Phần nhiệt lượng tích luỹ vào các hợp chất cao năng gọi là nhiệt lượng tích cực. Trong cơ thể sống, nhiệt lượng cơ bản và nhiệt lượng tích cực có liên quan với nhau. Nếu nhiệt lượng cơ bản nhiều mà cơ thể sử dụng ít thì nhiệt lượng tích cực sẽ tăng lên. Nếu nhiệt lượng cơ bản không có thì không những nhiệt lượng tích cực bằng không mà cơ thể phải phân giải ATP, giải phóng ra năng lượng để cung cấp cho các hoạt động sống. Ở trạng thái sinh lý bình thường, cơ thể sống sẽ duy trì mối tương quan nhất định giữa nhiệt lượng cơ bản và nhiệt lượng tích cực. Ở mức độ tế bào, có khoảng 50% năng lượng của chất dinh dưỡng được tích luỹ vào ATP. VI. Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp và nguyên tắc hoạt động của cơ thể sống Phương pháp đo nhiệt lượng của Lavoadie và Laplace dùng trong thí nghiệm chứng minh tính đúng đắn của định luật I nhiệt động học khi áp dụng vào hệ sinh vật, gọi là phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp. Cơ sở của phương pháp này là dựa vào lượng khí ôxy tiêu thụ hoặc lượng khí CO 2 do cơ thể thải ra ở động vật máu nóng (động vật có vú và người), có liên quan chặt chẽ với nhiệt lượng chứa trong thức ăn. Ví dụ: Quá trình ôxy hóa glucose, phản ứng diễn ra như sau: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 = 6CO 2 + 6H 2 O + 678 KCal (180gam) (134,4l) (134,4l) Từ phản ứng trên cho thấy cứ ôxy hoá hoàn toàn 1 phân tử gam glucose thì cần phải tiêu thụ 6 phân tử gam ôxy đồng thời thải ra 6 phân tử gam khí CO 2 và giải phóng ra 678 KCal. Ở điều kiện tiêu chuẩn, mỗi phân tử gam chất khí đều chứa 22,4 lít. Do vậy 6 phân tử gam ôxy hoặc CO 2 đều chứa: 6 x 22,4 lít = 134,4 lít. Từ đó suy ra, cơ thể cứ tiêu thụ 1 lít O 2 để ôxy hoá hoàn toàn một phân tử gam glucose đồng thời thải ra 1 lít CO 2 thì kèm theo giải phóng một nhiệt lượng là: 678 KCal: 134,4 lít = 5,047 KCal/lít và gọi là đương lượng nhiệt của ôxy. Dựa vào phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp, có thể xác định được sự thải nhiệt của bất kì động vật máu nóng nào thông qua số lít ôxy tiêu thụ (hoặc số lít CO 2 thải ra). Từ phản ứng ôxy hóa glucose ở trên và sau này áp dụng chung cho Gluxit khi ôxy hoá hoàn toàn sẽ giải phóng ra nhiệt lượng được tính theo công thức: Q(KCal) = số lít O 2 ( hoặc số lít CO 2 ) x 5,047 (1.4) Khi ôxy hóa Protein, nhiệt lượng giải phóng ra được tính theo công thức: Q(KCal) = số lít O 2 x 4,46 (1.5) Khi ôxy hoá Lipit, nhiệt lượng giải phóng ra được tính theo công thức: Q(KCal) = số lít O 2 x 4,74 (1.6) Mối quan hệ giữa thức ăn, số lít O 2 tiêu thụ và số lít CO 2 thải ra cùng đương lượng nhiệt của ôxy được thể hiện qua bảng 1.1. Bảng 1.1: Đương lượng nhiệt của ôxy đối với các loại thức ăn. Thức ăn Số lít O 2 cần để ôxy hoá 1 gam thức ăn số lít CO 2 thải ra sau khi ôxy hoá 1g thức ăn Đương lượng nhiệt của ôxy Gluxit 0,83 0,83 5,047 Protein 0,97 0,77 4,46 Lipit 2,03 1,42 4,74 Đối với thức ăn hỗn hợp gồm cả Gluxit, Protein và Lipit khi bị ôxy hoá, nhiệt lượng giải phóng ra được tính theo công thức: Q(KCal) = số lít O 2 x 4,825 (1.7) Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp còn có thể xác định được nhiệt lượng giải phóng ra khi ôxy hoá thức ăn thông qua: Thương số hô hấp là tỉ lệ khí CO 2 trên khí O 2 . Thương số hô hấp cũng thay đổi tuỳ thuộc vào loại thức ăn được ôxy hoá. - Đối với phản ứng ôxy hoá glucose C 6 H 12 O 6 + 6O 2 = 6CO 2 + 6H 2 O Số lít khí CO 2 6 x 22,4 lít Thương số hô hấp = Số lít O 2 = 6 x 22,4 lít = 1 Thương số hô hấp của glucose được sử dụng cho cả Gluxit. - Đối với phản ứng ôxy hóa Lipit có thương số hô hấp bằng 0,7, đối với Protein bằng 0,8 còn với thức ăn hỗn hợp có giá trị nằm trong khoảng từ 0,85 đến 0,9. Thương số hô hấp có liên quan với đương lượng nhiệt của ôxy, thể hiện qua bảng 1.2. Bảng 1.2: Thương số hô hấp (TS hô hấp) và đương lượng nhiệt của ôxy (ĐLN của ôxy) TS hô hấp 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 ĐLN của ôxy 4,686 4,739 4,801 4,862 4,924 4,985 5,05 Khi ôxy hoá thức ăn, bằng cách đo lượng khí O 2 tiêu thụ và lượng khí CO 2 thải ra (đơn vị là lít), tính được thương số hô hấp. Dựa vào bảng 1.2, lấy giá trị đương lượng nhiệt của ôxy tương ứng với thương số hô hấp nhân với số lít O 2 tiêu thụ sẽ biết được nhiệt lượng giải phóng (còn gọi là lượng nhiệt trao đổi hay trị số trao đổi năng lượng). Ví dụ: Nếu thương số hô hấp là 0,85 thì có đương lượng nhiệt của ôxy là 4,862 và biết cơ thể tiêu thụ 20 lít O 2 thì trị số trao đổi năng lượng sẽ là: 4,862 x 20 lít O 2 = 97,24 KCal VII. Phân biệt nguyên tắc hoạt động của cơ thể sống với máy nhiệt Máy nhiệt là động cơ dùng nhiên liệu đốt như dầu Diedel, xăng để sinh công như máy nổ ôtô, xe máy, máy bơm nước Trong cơ học, hiệu suất sử dụng năng lượng của một cái máy nhiệt, được tính theo công thức: 2 12 T TT − =η (1.8) η: Hiệu suất của máy nhiệt (%) T 1 : Nhiệt độ Kelvin ở trạng thái đầu ( o K) T 2 : Nhiệt độ Kelvin ở trạng thái cuối ( o K) Công thức chuyển đổi giữa nhiệt độ Kelvin và nhiệt độ bách phân ( o C): T( o K) = t( o C) + 273 (1.9) Giả sử hiệu suất sử dụng năng lượng của một máy nhiệt đạt trung bình là 33% = 33/100 ≈ 1/3 Nếu ta cũng giả sử cơ thể sống hoạt động giống như một máy nhiệt, tức là cũng có hiệu suất sử dụng năng lượng là 33% ? Nhiệt độ ban đầu của cơ thể người là 37 o C, theo công thức (1.9) tính ra: T 1 = 37 + 273 = 310 o K Thay η = 33% ≈ 3 1 và T 1 = 310 o K vào công thức (1.8) sẽ được: 2 o 2 T K310T 3 1 − = → 3.(T 2 - 310 o K)=T 2 2T 2 = 930 o K → T 2 = 465 o K Áp dụng công thức (1.9) ta có: 465 = t 2 ( o C) + 273 → t 2 = 465 - 273 = 192 o C Kết quả trên cho thấy cơ thể sống hoạt động không giống như một máy nhiệt. Đối với cơ thể sống, Protein bị biến tính ngay ở nhiệt độ từ 40 o C đến 60 o C còn ở 192 o C thì không có một sinh vật nhân chuẩn nào có thể sống được. Điều đó khẳng định cơ thể sống hoạt động không giống như một máy nhiệt mà hoạt động theo nguyên lý của các quá trình sinh học. VIII. Định luật II nhiệt động học Định luật I nhiệt động học chỉ cho biết về sự biến đổi giữa các dạng năng lượng khác nhau, cho phép xác định biểu thức chỉ rõ sự liên quan về lượng giữa các dạng năng lượng khác nhau khi xuất hiện trong một quá trình cho trước. Song định luật I nhiệt động học không cho biết quá trình khi nào có thể xảy ra hoặc không xảy ra và chiều hướng diễn biến của quá trình nếu xảy ra thì theo chiều hướng nào? Định luật II nhiệt động học xác định được chiều hướng tự diễn biến của một quá trình cũng như cho biết quá trình tự diễn biến đến khi nào thì dừng lại và cho phép đánh giá khả năng sinh công của các hệ nhiệt động khác nhau. Định luật II nhiệt động học có ba cách phát biểu. Cách phát biểu thứ nhất còn gọi là tiên đề Clausius đưa ra 1850: "Nhiệt không thể tự động truyền từ vật lạnh sang vật nóng". Từ đó suy ra rằng nhiệt nói riêng còn những quá trình nhiệt động nói chung chỉ có thể tự diễn ra nếu xảy ra sự truyền năng lượng từ mức độ cao đến mức độ thấp, tức là theo chiều gradien. Gradien của một thông số đặc trưng cho một tính chất nào đó về trạng thái của hệ (như nồng độ) được xác định bằng hiệu số giá trị của thông số đó ở tại hai điểm chia cho khoảng cách giữa hai điểm đó. Ví dụ: Giả sử tại vị trí 1 có nồng độ là C 1 còn ở vị trí 2 có nồng độ là C 2 và C 1 > C 2 thì hiệu số nồng độ sẽ là C 1 - C 2 còn hiệu số khoảng cách là x 2 - x 1 . Đặt ΔC = C 1 - C 2 và Δx = x 2 - x 1 thì gradien nồng độ được xác định: 12 21 xx CC x C − − = Δ Δ (1.10) C 1 xB 1 xB 2 C 2 • • > Gradien là một đại lượng vectơ, có giá trị về hướng và giá trị độ lớn. Khi so sánh một tế bào sống với một vật vô sinh như một hạt cát ta thấy rõ ngay rằng trong tế bào sống duy trì nhiều loại gradien khác nhau. Gradien màng để duy trì điện thế tĩnh và điện thế hoạt động, gradien nồng độ để duy trì nồng độ, gradien áp suất thẩm thấu để duy trì lượng nước trong tế bào Nếu tế bào chết thì các loại gradien cũng bị triệt tiêu. Nếu xét ở mức độ gradien thì sự sống của tế bào luôn kèm theo sự tồn tại của các loại gradien. Cách phát biểu thứ hai do Thomson phát triển tiên đề của Clausius "Không thể có một quá trình biến đổi chuyển toàn bộ nhiệt lượng thành công". Theo cách phát biểu của Thomson thì hiệu suất hữu ích của quá trình bao giờ cũng nhỏ hơn 1 (tức η < 1). Điều này có nghĩa trong tự nhiên không có một quá trình nào có thể chuyển toàn bộ nhiệt lượng được cung cấp thành công hữu ích. Đối với các quá trình diễn ra trong hệ thống sống có tuân theo cách phát biểu của Thomson hay không? Vấn đề này sẽ đề cập đến ở phần sau. Cách phát biểu thứ ba trên cơ sở ý kiến của Planck, cho rằng Entropi là một tiêu chuẩn đầy đủ và cần thiết để xác định tính thuận nghịch và không thuận nghịch của bất cứ quá trình vật lí nào diễn ra trong thiên nhiên. Định luật II nhiệt động học phát biểu như sau: "Đối với hệ cô lập, mọi quá trình trong tự nhiên đều diễn biến theo chiều tăng của entropi". Vậy entropi là gì? Để hiểu rõ đại lượng này ta xét ví dụ về nguyên lý hoạt động của máy nhiệt. Theo hình 1.1, nguyên lý hoạt động của máy nổ như sau: Máy chỉ có khả năng sinh công A (tức bánh đã quay) khi được cung cấp năng lượng là xăng. Khi xăng bị đốt cháy có nhiệt độ là T 1 và giải phóng nhiệt lượng là Q 1 . Một phần của nhiệt lượng Q 1 dùng để sinh công, phần còn lại đã truyền cho nguồn nước làm lạnh máy là Q 2 , dẫn đến làm tăng nhiệt độ của nước là T 2 . Ở đây Q 1 >Q 2 và T 1 >T 2 Theo (1.8) thì hiệu suất hữu ích của quá trình thuận nghịch được xác định theo công thức: 1 21 1 21 1 T TT Q QQ Q A − = − ==η (1.11) Nguồn cung cấp nhiệt Nguồn thu nhiệt Máy sinh côn g Q 1 T 2 T 1 Q 2 Cân bằng phương trình ta có: T 1 (Q 1 -Q 2 )=Q 1 (T 1 -T 2 ) → T 1 Q 1 -T 1 Q 2 =Q 1 T 1 -Q 1 T 2 Giản ước ta được: T 1 Q 2 =Q 1 T 2 hay 2 2 1 1 T Q T Q = (1.12) Hình 1.1: Nguyên lý hoạt động của máy nổ Từ vật lý học cho biết sự thay đổi entropi của một hệ được xác định theo công thức: T Q S =Δ (1.13) ΔS: sự thay đổi entropi của hệ. Q: Nhiệt lượng cung cấp cho hệ (calo) T: Nhiệt độ Kelvin ( o K) của hệ Đối với quá trình biến thiên vô cùng nhỏ, ta có: T Q dS δ = (1.14) Đơn vị của entropi là Cal/M.độ Entropi là một hàm trạng thái nên nó chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối cùng của hệ. Công thức (1.12) có thể biểu diễn qua hàm entropi như sau: 2 2 2 1 1 1 T Q S; T Q S == S 1 : Entropi ở trạng thái đầu S 2 : Entropi ở trạng thái cuối Đối với quá trình thuận nghịch theo công thức (1.12) ta có: S 1 =S 2 → S = Const (hằng số) (1.15) Trong một hệ nếu chỉ xảy ra các quá trình thuận nghịch thì hệ luôn duy trì ở trạng thái cân bằng nên entropi của hệ là không đổi. Đối với quá trình không thuận nghịch thì T Q S >Δ vì nhiệt lượng cung cấp cho hệ không chỉ làm thay đổi entropi của hệ mà còn làm thay đổi entropi của môi trường xung quanh do sự ma sát và tỏa nhiệt. Thực nghiệm đã xác định đối với một quá trình không thuận nghịch thì entropi của hệ ở trạng cuối (tức S 2 ) bao giờ cũng lớn hơn so với entropi của hệ ở trạng thái đầu (tức S 1 ). Do vậy: S 2 -S 1 >0 (1.16) Trong một hệ xảy ra các quá trình không thuận nghịch thì entropi của hệ bao giờ cũng tăng lên. Do vậy, nếu là hệ cô lập thì các quá trình xảy ra trong hệ sẽ tiến triển theo chiều tăng của entropi và entropi của hệ sẽ đạt giá trị cực đại ở trạng thái cân bằng nhiệt động. Tính chung cho cả quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch thì sự thay đổi entropi của hệ có thể viết như sau: ΔS ≥ 0 (1.17) Đối với quá trình thay đổi entropi vô cùng nhỏ (gọi là quá trình vi phân) thì: dS ≥ 0 (1.18) (Dấu bằng dùng cho quá trình thuận nghịch còn dấu lớn hơn dùng cho quá trình không thuận nghịch). Vật thể Q A B Hệ cô lập Ví dụ 1: Hệ cô lập gồm vật thể A và vật thể B. Vật thể A có nhiệt độ là T A còn vật thể B có nhiệt độ là T B . Giả sử T Vật thể B A >T B B thì theo định luật II nhiệt động học vật A sẽ truyền cho vật B một nhiệt lượng là Q. Sự thay đổi entropi của vật A do mất nhiệt là: dS A = A T Q − còn sự thay đổi entropi của vật B do [...]... là 10 0%, khi áp dụng vào hệ thống sống là hoàn toàn đúng đắn Thực nghiệm đã xác định mọi quá trình diễn ra trong hệ thống sống đều có hiệu suất hữu ích nhỏ hơn 10 0% (xem bảng 1. 4) Bảng 1. 4: Hiệu suất của một số quá trình sinh vật TT Quá trình sinh vật Hiệu suất (η) 1 Quá trình glicoliz (tiêu glucoza) 36% 2 Quá trình co cơ 30% 3 Quá trình oxy hóa photphorin hóa 55% 4 Quá trình quang hợp 75% 5 Quá trình. .. xác suất phân bố của chúng Số phân tử Xác suất Xác suất nhiệt động W toán học w Bên trái bình Bên phải bình 6 0 1 1/64 5 1 6 6/64 4 2 15 15 /64 3 3 20 20/64 2 4 15 15 /64 1 5 6 6/64 0 6 1 1/64 Kết quả ở bảng 1. 3 cho thấy sự phân bố cân bằng mỗi bên có 3 phân tử là có xác suất nhiệt động lớn nhất, tức W=20 nên theo công thức (1. 19) thì entropi cũng có giá trị lớn nhất Như vậy, trạng thái cân bằng là trạng... do Từ định luật I nhiệt động học đã thiết lập được công thức (1. 3) là: dU = δQ- δA Từ định luật II nhiệt động học đã thiết lập được công thức (1. 14) là: δQ → δQ = T.dS dS = T Thay δQ = T dS vào công thức (1. 3) ta được: dU = T dS - δA → -δA = dU - T dS (1. 21) Đối với quá trình đẳng nhiệt (là quá trình diễn ra ở nhiệt độ luôn không đổi) ta có thể viết: -δA = d(U - T.S) (1. 22) Người ta đặt F = U - T.S... động có mối quan hệ như thế nào? Năm 18 96 Boltzmann là người đầu tiên tìm được mối liên quan giữa entropi và xác suất nhiệt động qua phương trình: S = klnW (1. 19) S: Entropi của hệ k: Hằng số Boltzmann bằng 1, 38 .10 -16 ec/độ W: Xác suất nhiệt động Để hiểu rõ tính chất thống kê của định luật II nhiệt động học, ta xét ví dụ: Trong 1 bình có 6 phân tử được đánh số từ số 1 đến số 6 Ta ngăn bình thành 2 phần:... chọn lọc của tự nhiên đã hình thành nên các loài sinh vật có sự thích nghi cao với từng loại môi trường sống Do các nguyên lí của các quá trình sinh học quyết định đã làm cho cơ thể sống thích nghi cả về mặt cấu trúc cũng như thích nghi về mặt chức năng chứ không phải hoàn toàn do entropi quyết định như trong hệ lý hóa Tuy nhiên mọi quá trình sinh lý, sinh hóa diễn ra trong cơ thể sống đều kèm theo... Thời điểm ban đầu: Bên trái Bên phải 1 2 3 4 5 6 Thành ngăn Sau khi bỏ thành ngăn do chuyển động nhiệt của các phân tử nên các phân tử sẽ chuyển động trong toàn bộ thể tích của bình tạo nên tất cả có 26 = 64 - Kiểu phân bố 5 phân tử ở bên trái bình còn 1 phân tử ở bên phải bình (có 6 kiểu phân bố) 2 2 1 1 1 2 3 4 3 4 5 6 5 6 Kiểu 1 1 5 3 6 Kiểu 3 1 4 6 5 Kiểu 2 2 3 4 2 1 2 3 4 3 4 6 5 5 6 Kiểu 4 Kiểu 5... hiện P: Áp suất dV: Sự thay đổi thể tích Thay (1. 24) vào (1. 3) ta có: dU = δQ - P dV → δQ = dU + P dV (1. 25) Đối với quá trình đẳng áp (P=hằng số), công thức (1. 25) có thể viết: δQ = d(U + P V) (1. 26) Người ta đặt H = U + P V và gọi H là hàm entanpi Entanpi là một hàm trạng thái Công thức (1. 26) có thể viết lại như sau: δQ = dH (1. 27) Đối với quá trình diễn ra ở điều kiện nhiệt độ và áp suất không... Thay F vào (1 22) ta được: - dF = δA (1. 23) Dấu trừ thể hiện quá trình sử dụng năng lượng tự do để thực hiện công Đối với quá trình thuận nghịch, năng lượng tự do, được chuyển toàn bộ thành công Từ vật lí đã xác định được đối với quá trình đẳng áp (là quá trình diễn ra ở áp suất luôn không đổi) nếu công sinh ra chỉ để chống lại áp suất bên ngoài thì công được tính theo công thức: δA = P dV (1. 24) δA:... suất phân bố của phân tử trong bình được trình bày ở bảng 1. 3 Xác suất nhiệt động là số kiểu có thể xảy ra của mỗi kiểu phân bố cho nên xác suất nhiệt động luôn luôn lớn hơn 1 hoặc nhỏ nhất là bằng 1 Xác suất toán học (kí hiệu là w) bao giờ cũng nhỏ hơn một và bằng 1 là lớn nhất Xác suất toán học là khả năng xảy ra số kiểu trên toàn bộ số kiểu phân bố Bảng 1. 3: Sự phân bố của các phân tử giữa hai phần... dS m (1. 20) = + dt dt dt dSC = 0 khi các quá trình diễn ra trong cơ thể sống đều là quá trình thuận Thành phần dt nghịch Song trên thực tế phần lớn các quá trình diễn ra ở cơ thể sống là những quá trình dSC bất thuận nghịch, do vậy >0 dt dS m = 0 khi giữa cơ thể sống và môi trường không xảy ra quá trình trao đổi Thành phần dt vật chất và năng lượng Điều này không xảy ra vì trái với thực tế Quá trình . Máy sinh côn g Q 1 T 2 T 1 Q 2 Cân bằng phương trình ta có: T 1 (Q 1 -Q 2 )=Q 1 (T 1 -T 2 ) → T 1 Q 1 -T 1 Q 2 =Q 1 T 1 -Q 1 T 2 Giản ước ta được: T 1 Q 2 =Q 1 T 2 hay 2 2 1 1 T Q T Q = . T 2 . Ở đây Q 1 >Q 2 và T 1 >T 2 Theo (1. 8) thì hiệu suất hữu ích của quá trình thuận nghịch được xác định theo công thức: 1 21 1 21 1 T TT Q QQ Q A − = − ==η (1. 11) Nguồn cung. 37 o C, theo công thức (1. 9) tính ra: T 1 = 37 + 273 = 310 o K Thay η = 33% ≈ 3 1 và T 1 = 310 o K vào công thức (1. 8) sẽ được: 2 o 2 T K 310 T 3 1 − = → 3.(T 2 - 310 o K)=T 2 2T 2 =