Bài giảng Lý sinh Y học - Bài 3: Các nguyên lý nhiệt động và ứng dụng trong y học

Bài 3 Các nguyên lý nhiệt động và ứng dụng trong y học Bộ môn Lý sinh Y học-Trường ĐHYK Thái Nguyên Mục tiêu: 1. Trình bày được cách xây dựng nguyên lý thứ nhất nhiệt động học và phát biểu được nguyên lý. 2. Trình bày được các hệ quả của nguyên lý thứ nhất nhiệt động học và ý nghĩa trong y học. 3. Chỉ ra được quy luật không thuận nghịch của các quá trình tự nhiên. 4. Xây dựng và phát biểu được nguyên lý thứ hai nhiệt động học và ứng dụng cho các hệ thống sống. I. Nguyên lý thứ nhất nhiệt động học. 1. Xây dựng nguyên lí Xét một hệ nhiệt động.Giả sử hệ nhận một nhiệt lượng Q. * Nếu hệ không thực hiện công với môi trường bên ngoài, thì phần nhiệt lượng này sẽ làm tăng nội năng của hệ lên một lượng U, khi đó : U = Q * Nếu hệ thực hiện công lên môi trường bên ngoài, thì công này cũng lấy từ phần nhiệt lượng mà hệ vừa nhận được, khi đó : U + A = Q (biểu thức toán học của nguyên lí thứ nhất nhiệt động học). 2. Phát biểu Năng lượng mà một hệ nhận được sẽ làm tăng nội năng của hệ và biến thành công mà hệ thực hiện lên môi trường bên ngoài. 3. ý nghĩa * Hệ quả 1 : Từ công thức : Q = A + U - Nếu Q = 0 (hệ không được cung cấp NL) thì: A = - U  Nếu không cung cấp năng lượng cho hệ mà muốn hệ sinh công thì một cách tất yếu là nội năng của hệ phải suy giảm.  Đối với các cơ thể không được cung cấp năng lượng (thức ăn, nước uống ...) thì khi hoạt động (sinh công) cơ thể sẽ mệt mỏi, dần dần suy kiệt (nội năng suy giảm). - Nếu : Q = 0 và U = 0 A = 0  Hệ không thể sinh công khi không được cung cấp NL từ bên ngoài mà nội năng của hệ lại không bị suy giảm. Cách phát biểu khác của nguyên lý 1: Không thể chế tạo động cơ vĩnh cửu loại 1 là loại động cơ không cần cung cấp năng lượng mà vẫn hoạt động và sinh công trong khi nội năng của hệ không suy giảm * Hệ quả 2 (Định luật Héc xơ): Hiệu ứng nhiệt của một quá trình hoá học phức tạp không phụ thuộc vào các giai đoạn trung gian mà chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của quá trình đó. (VD: vận chuyển vật liệu XD,...) A1,A2,A3 B1,B2,B3 C D E F I Q7Q6Q5 Q Q4 Q3 Q2 Q1 - Theo định luật Héc-xơ: Q = Q1 + Q2 + Q3 = Q4 + Q5 + Q6 + Q7 - ứng dụng: Xác định khẩu phần ăn (ngành dinh dưỡng) 4. Nguyên lí thứ nhất áp dụng cho hệ thống sống - Hệ thống sống: NL từ thức ăn (quá trính đồng hoá)  cải tạo tổ chức, tạo chất dự trữ vật chất và năng lượng trong cơ thể, sinh nhiệt để duy trì nhiệt độ cho CT chống lại sự mất mát nhiệt vào môi trường xung quanh, sinh công trong các hoạt động cơ học của cơ thể). - Phương trình cơ bản của cân bằng nhiệt ở cơ thể người: Q =E + A + M Trong đó: Q là năng lượng sinh ra trong quá trình đồng hoá thức ăn. E là năng lượng mất mát vào môi trường xung quanh. A là công mà cơ thể thực hiện để chống lại lực môi trường. M là năng lượng dự trữ dưới dạng hoá năng - Nhiệt lượng: + Sơ cấp: phát ra ngay sau CT hấp thu TA và O2 + Thứ cấp: dự trữ dưới dạng ATP II. Nguyên lý thứ hai nhiệt động học 1. Một vài thông số nhiệt động liên quan đến Nguyên lí 1.1. Gradien : - ĐN: Tỷ số giữa hiệu số độ lớn của Y ở hai điểm và khoảng cách giữa hai điểm đó được gọi là Gradien của đại lượng Y. grad Y = Y / x (Y là thông số trạng thái của hệ nhiệt động) - VD: + Hệ thống sống (grad C, grad P,...) + Xã hội (grad chè, grad dân trí, kinh tế...) 1.2. Entropi: - Xác suất nhiệt động W cho ta biết số cách có thể thực hiện phân phối các phần tử (≥ 1). Còn xác suất toán học P cho biết khả năng xảy ra một cách phân phối nào đó (p càng lớn càng dễ xảy ra).  Đại lượng S = K lnW, trong đó K là hằng số Bôzman, được gọi là Entropi của một hệ. - Hệ luôn có xu hướng tới Entropi lớn (Hệ nào càng có Entropi lớn càng dễ xảy ra). - Ví dụ: 2 4 1 3 65 A B W p 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 1 6 15 20 15 6 1 1/64 6/64 15/64 20/64 15/64 4/64 1/64 2. Tính không thuận nghịch của các quá trình tự nhiên - VD1:A,B là cùng 1 loại khí NA NB Vách ngăn NA > NB Nếu bỏ vách ngăn NA>NB - VD 2: Đặt 2 vật có nhiệt độ khác nhau đặt gần nhau thì vật nóng truyền nhiệt.  Quá trình truyền nhiệt là quá trình 1 chiều -VD3: Bình A có V nhỏ, chứa ít nước nhưng có nhiệt độ cao. Bình B ngược lại khả năng sinh công của bình A tốt hơn. Kết luận: 1- Các quá trình trong tự nhiên không thuận nghịch diễn biến luôn liên quan đến sự truyền năng lượng từ mức cao đến mức thấp. Tức là các gradien đang từ giá trị lớn giảm dần rồi triệt tiêu. 2- Tính trật tự của một hệ nhiệt động cô lập chỉ có thể giữ nguyên hoặc giảm dần. 3. Nội dung nguyên lí * Tính trật tự của một hệ cô lập chỉ có thể giữ nguyên hoặc giảm dần. * Không thể tồn tại trong tự nhiên một chu trình mà kết quả duy nhất là biến nhiệt thành công mà không để lại một dấu vết gì ở xung quanh. * Trong một hệ cô lập, chỉ những quá trình nào kéo theo việc tăng entropi mới có thể tự diễn biến. Giới hạn của tự diễn biến là hệ đạt đến trạng thái có entropi cực đại. 4. Trạng thái dừng và hệ thống sống - Cơ thể sống là một hệ mở điển hình tức là luôn luôn có sự trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh (thông qua việc ăn, uống, hít thở...). - HTS cũng không thể tồn tại ở trạng thái bất kì mà nó chỉ có thể tồn tại ở các trạng thái mà ở đó các thông số trạng thái của hệ có giá trị không đổi và các hệ số hoá lí của hệ được bảo toàn. Trạng thái như vậy được gọi là : Trạng thái dừng. - Hệ ở trạng thái dừng vẫn luôn luôn trao đổi vật chất và năng luợng với môi trường xung quanh, S của hệ không đạt giá trị max mà có một giá trị xác định không đổi nào đó khi ra khỏi trạng thái dừng hệ vẫn có khả năng sinh công. 5. Sự dịch chuyển entropi trong các hệ thống sống ở các trạng thái dừng, S của hệ có giá trị không đổi. Khi chuyển từ trạng thái dừng này sang trạng thái dừng khác thì S thay đổi một lượng là dS = S2 - S1, trong đó dS bao gồm hai phần: - Thành phần dSi: gây bởi những biến đổi bên trong - Thành phần dSe: gây bởi sự tương tác, trao đổi với môi trường. Nghĩa là : dS = dSi + dSe Trong đó: dSi luôn luôn dương ( theo nguyên lí 2) dSe có thể dương, âm hoặc = 0 Nếu dSe > hoặc = 0 thì dS > 0. Thoả mãn nguyên lí 2 Nếu dSe < 0 thì có 3 khả năng có thể xảy ra : - | dSe | 0 ==> nguyên lí 2 được thoả mãn. - | dSe | > | dSi |  dS = dSi + dSe S giảm,tính trật tự tăng.