Bài giảng Phương pháp lý sinh - Chương 2: Nhiệt động học

116 CHƯƠNG II NHIỆT ĐỘNG HỌC 117 I.MỘT SỐ KHÁI NIỆM 1. Nhiệt động học: Là môn học nghiên cứu sự chuyển hóa năng lượng của các quá trình trong hệ nhiệt động cũng như khả năng, chiều hướng và giới hạn của các quá trình đó. 118 2. Cân bằng nhiệt động: Là trạng thái mà hệ không có bất kỳ sự biến đổi nào và các thông số trạng thái không biến đổi theo thời gian. Khi ở trạng thái cân bằng nhiệt động thì hệ không còn khả năng sinh công. 119 3. Hệ nhiệt động: Là một tập hợp của số lượng lớn những phần tử vật chất được giới hạn trong một không gian nhất định cách biệt với môi trường chung quanh. Có 3 loại hệ nhiệt động: 120 a) Hệ biệt lập:Không trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường chung quanh b) Hệ đóng: Không trao đổi vật chất nhưng có trao đổi năng lượng với môi trường chung quanh c) Hệ mở: Có trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường chung quanh 121 4) Cơ thể sống là hệ nhiệt động mở : Cơ thể sống là một tập hợp của những phân tử vô cơ và những biopolymer. Trong suốt quá trình sống, cơ thể không nhừng có sự trao đổi vật chất và năng lương với môi trường chung quanh. Vậy cơ thể sống là là một hệ nhiệt động mở 122 II.CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG TRONG HỆ SỐNG I.Nguyên lý 1:(Về bảo toàn năng lượng) Nhiệt lượng Q mà hệ nhận được trong một quá trình bất kỳ sẽ bằng công A mà hệ sinh ra cộng với sự biến đổi nội năng của hệ  Q =  A +  U  Q > 0 Khi hệ thu nhiệt  Q < 0 Khi hệ mất nhiệt 123 La Voizier và Laplace (1780) đã làm thí nghiệm dựa trên nguyên lý hiệu ứng nhiệt của Hezt như sau: “Nhiệt lượng tỏa ra (hoặc thu vào) trong các phản ứng hoá học không phụ thuộc vào quá trình phản ứng mà chỉ phụ thuộc vào dạng và trạng thái của những chất tham gia phản ứng và sản phẩm của nó ”ù. Tuân theo sự bảo tồn năng lượng Nguyên lý nầy thể hiện trong cơ thể sống qua những điểm cơ bản sau: 124 Thí dụ: C + O2 = CO2 + Q Quá trình nầy có 2 giai đoạn: C + O2 = CO + 1/2O2 + Q1 CO + 1/2O2 = CO2 + Q2 Q = Q1 + Q2 125 C6H12O6 + 6O2  6CO2+ 6H2O + 678 Kcal La Voizier và Laplace (1780) đã làm thí nghiệm sau: 126 Kết quả cho thấy: Q  U Sở dĩ như vậy là vì ta đã giả định A = 0 Trên những thiết bị hiện đại hơn Etoiter (1904) đã thu được kết quả cho thấy sự sai lệch không đáng kể giữa Q và U Không thể chuyển trực tiếp từ nhiệt thành công 127 Không hoạt động theo nguyên lý của máy nhiệt 2 12 T TTn%  Nếu cơ thể hoạt động như máy nhiệt với hiệu suất 30% (hiệu suất nầy thấp hơn trong thực tế ) và nhiệt độ môi trường chung quanh là 20 0C độ buồng đốt (cơ thể) phải là: Hiệu suất máy nhiệt: 0.3 T1 = T1 - 2930K T1 = 418,60K Hay T1 = 135,60 C 1 1 T 20)(273T0.3  128 Vậy nguyên lý 1 trong cơ thể sống: * Tuân theo nguyên lý I nhiệt động học thể hiện qua thí nghiệm của La Voizier và Etoiter trên chuột cách ly. *Không thể sinh công từ nhiệt được chuyển trực tiếp từ bên ngoài *Hoạt động sinh công của cơ thể sống hoàn toàn khác với một máy nhiệt 129 2.Nguyên lý 2: - Gradien - Entropy - Năng lượng tự do Cho biết khả năng cũng như xu hướng biến đổi của các quá trình trong hệ. Đối với hệ sống người ta xét trên 3 đại lượng sau: 130 Đặc điểm : - Là độ biến thiên giá trị của thông số nào đó trên một đơn vị chiều dài. - Gradien là một đại lượng vectơ - Gradien trong hệ biệt lập luôn có xu hướng tiến đến 0. a) Gradien: 131 Trong hệ sống: *Trong cơ thể sống tồn tại đồng thời nhiều gradien và chúng có thể tương tác lẫn nhau (Aùp suất thẩm thấu, điện thế, nồng độ.) *Các hoạt động sống gắn liền với sự tồn tại của các gradien nầy. 132 b) Entropy: *Định nghĩa theo nhiệt độ và nhiệt lượng (Clausius) T QS  Entropy của hệ khi ở trạng thái 2: 1 1 1 T QS  2 2 2 T QS  Vậy Entropy của hệ khi ở trạng thái 1: 133 Khi chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 thì sự biến thiên của Entropy sẽ là: T dQdS  Sự biến thiên của Entropy trong hệ nhiệt động biệt lập luôn luôn lớn hơn hoặc bằng không 0 T dQdS  134 Entropy là đại lượng đặc trưng cho mức độ hỗn loạn về sự phân bốù các phần tử trong hệ và được định nghĩa như sau: S = k.lnW k- Hằng số Boltzman W- Xác suất nhiệt động * Định nghĩa theo trạng thái của hệ (Boltzmann): 135 Để minh họa ta lấy thí dụ sau: !n!...n!n !nN k21  136 Trạng thái số trạng thái xác suất N W 1 1/16 4 4/16 • 6 6/16 4 4/16 1 1/16 6 137 Entropy của hệ gồm nhiều phân hệ bằng tổng Entropy của các phân hệ:    n 1i iSS Cơ thể sống là hệ nhiệt động mở gồm 2 phân hệ với sự biến thiên của Entropy như sau: * dSi -là sự biến thiên Entropy trong nội bộ của hệ * dSe- là sự biến thiên Entropy do cơ thể trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường 138 Vậy sự biến thiên Entropy của cơ thể sống bằng tổng sự biến thiên của 2 Entropy thành phần: dS = dSi + dSe + dSi  0 + dSe có thể lớn hơn,nhỏ hơn hoặc bằng không - dSe Dị hoá (hệ nhận năng lượng) - dSe = 0 khi Đồng hoá=Dị hoá - dSe > 0 khi Đồng hoá < Dị hoá (hệ mất năng lượng) 139 Do đó sự biến thiên Entropy trong cơ thể sống có thể xảy ra như sau: +Khi dSe  0 dS > 0 +Khi dSe<0 Nếu | dSe | = | dSi | dS = 0 Nếu | dSe | > | dSi | dS < 0 140 c) Năng lượng tự do: Dựa vào nguyên lý I TdS = dU + A - A = dU - TdS - A là công hữu dụng (hiệu suất) mà hệ có thể sản sinh khi có sự biến đổi nội năng T dQdS  Theo định nghĩa về theo phương diện nhiệt của Entropy ta có: 141 Phần năng lượng của hệ có khả năng sinh công hoặc chuyển sang dạng năng lượng khác gọi là năng lượng tự do (F) của hệ. dF = dU- TdS Vậy,quá trình nhiệt động nào có sự biến đổi Entropy càng cao thì năng lượng tự do càng thấp 142 Năng lượng tự do của các quá trình khác nhau trong cơ thể sống cũng khác nhau: Glucolyse 36% Quang hợp 75% Co cơ 30% 143 III. QUÁ TRÌNH THUẬN NGHỊCH VÀ BẤT THUẬN NGHỊCH • 1. Quá trình thuận nghịch: • Là quá trình tự nó có thể trở về trạng thái ban đầu mà không cần cung cấp năng lượng từ bên ngoài. • dS = 0 144 • Dấu hiệu để nhận diện quá trình thuận nghịch nếu như hàm của nó có dấu không phụ thuộc vào dấu của biến thời gian. •Thí dụ:Phương trình truyền sóng 2 2 2 2 2 2 2 2 1 z U y U x U t U C             145 • 2. Quá trình bất thuận nghịch: • Là quá trình tự nó không có thể trở về trạng thái ban đầu nếu không được cung cấp năng lượng từ bên ngoài. • dS > 0 • Hàm số biểu thị quá trình bất thuận nghịch sẽ có dấu phụ thuộc vào dấu của biến thời gian. • Thí dụ:Phương trình sự khuếch tán x dCDS dt dm d  146 IV.TRẠNG THÁI DỪNG • Trạng thái dừng hay còn gọi là cân bằng dừng của hệ là trạng thái mà các thông số nhiệt động không thay đổi theo thời gian. • Đối với hệ mở khi ở trạng thái dừng thì nó luôn luôn nhận được năng lượng bù đắp từ bên ngoài. 0 dt dS  147 • So sánh hai trạng thái cân bằng: • Cân bằng nhiệt động Trạng thái dừng 0 dt dS  0 dt dS  S = max S < max dF = 0 dF  0 148 Hoạt động của mô hình trạng thái cân bằng dừng 149 Trạng thái dừng không ổn định: Nếu bị đẩy khỏi trạng thái cân bằng thì tự nó sẽ không trở lại trạng thái ban đầu Trạng thái dừng ổn định: Nếu bị đẩy khỏi trạng thái cân bằng thì sau một khoảng thời gian nó sẽ trở lại trạng thái ban đầu 150 Khi thay đổi điều kiện bên ngoài có thể chuyển trạng thái dừng của hệ sang mức khác . c- “Khởi hành giả” a-Chuyển đúng b- Chuyển thừa