Nhiệt Động Học - Lý Sinh
•Download as PPTX, PDF•
1 like•1,497 views
Học kỳ 1, năm 2 HUS-VNU: trường đại học khoa học tự nhiên, đại học quốc gia Hà Nội
Nhiệt Động Học - Lý Sinh
- 1. LÝ SINH HỌC
- 2. Lý sinh học là môn học nghiên cứu các hiện tượng xảy ra trong các tổ chức và cơ thể sống dựa trên quan điểm và các định luật vật lý, từ mức độ điện tử, nguyên tử đến toàn cơ thể
- 3. NHIỆM VỤ CỦA MÔN LÝ SINH Nghiên cứu những quy luật vật lý xảy ra và chi phối các quá trình sống Ảnh hưởng của những tác nhân Vật lý lên sự sống Ứng dụng những kết quả nghiên cứu Lý – Sinh vào Sinh – Nông – Y học
- 4. CHƯƠNG TRÌNH HỌC CHƯƠNG 2. PHÂN TỬ VÀ DUNG DỊCH TRONG CƠ THỂ SINH VẬT CHƯƠNG 1. NHIỆT ĐỘNG HỌC CỦA CƠ THỂ SỐNG CHƯƠNG 3. SỰ VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT TRONG CƠ THỂ SỐNG CHƯƠNG 4. CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN TRÊN CƠ THỂ SỐNG CHƯƠNG 5. SINH HỌC PHÓNG XẠ THỰC TẬP LÝ THUYẾT
- 5. NHIỆT ĐỘNG HỌC CỦA CƠ THỂ SỐNG
- 6. Nhiệt động học (Thermodynamics): ► Là môn học nghiên cứu sự chuyển hóa nhiệt lượng sang các dạng năng lượng khác và ngược lại. ► Dựa trên các thông số nhiệt động có thể: + Xác định hệ nhiệt động đang ở trạng thái nào (đang biến đổi, cân bằng nhiệt động, cân bằng dừng . . .) + Biết được khả năng xảy ra của một quá trình nào đó trong hệ nhiệt động cũng như chiều hướng và giới hạn của nó. Tuy nhiên các thông số này không cho biết được bản chất hoặc cơ chế của quá trình
- 7. Hệ nhiệt động: Tập hợp số lượng lớn những phần tử vật chất, vật thể … được giới hạn trong 1 không gian nhất định (cách biệt với môi trường chung quanh). Có 3 loại hệ nhiệt động: Hệ biệt lập (Isolated Systems ) Hệ đóng (Closed Systems) Hệ mở (Open Systems )
- 8. Hệ nhiệt động theo mối quanhệ với môi trường:
- 9. Hệ biệt lập: Không trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường chung quanh
- 10. Hệ đóng: Không trao đổi vật chất nhưng có trao đổi năng lượng với môi trường chung quanh
- 11. Hệ mở: Có trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường chung quanh
- 12. 3 loại hệ nhiệt động Cô lập Kín Mở Trao đổi vật chất X X ✓ Trao đổi năng lượng X ✓ ✓
- 14. Sinh vật = vật sống, vật có sự sống Sự sống theo Mednhicov: “ sự duy trì và tự tái tạo một cách tích cực các cấu trúc đặc thù kèm theo tiêu tốn năng lượng” Các tính chất đặc trưng của sự sống Có cấu trúc phức tạp và tổ chức tinh vi: cơ thể sinh vật cũng được tạo nên từ các nguyên tố hóa học trong tự nhiên nhưng cấu trúc bên trong vô cùng phức tạp bao gồm vô số các hợp chất hóa học. Có sự chuyển hóa năng lượng phức tạp: thu nhận năng lượng từ môi trường ngoài và biến đổi nó để xây dựng và duy trì tổ chức phức tạp đặc trưng cho sự sống. Thông tin của sự sống thì ổn định, chính xác và liên tục: liên quan đến các quá trình sống chủ yếu như sinh sản, phát triển, tiến hóa và các phản ứng thích nghi.
- 15. Cơ thể sống là hệ nhiệt động mở
- 16. Thông số trạng thái của hệ ► Là đại lượng đặc trưng cho trạng thái (của 1 hệ nhiệt động) ► VD: Hệ khí có các thông số trạng thái: + N: số ptử + V: thể tích + U: Nội năng + P: áp suất + T: Nhiệt độ + S: entropy ► Tb sống có thông số trạng thái như: + Nồng độ chất (C) + Nồng độ ion + độ pH + áp suất thẩm thấu
- 17. Thông số trạng thái Trạng thái Cân bằng Quá trình Cân bằng Trạng thái của hệ có các thông số ko đổi theo time => Đạo hàm các thông số trạng thái của hệ = 0 Gồm 1 chuỗi liên tiếp các trạng thái cân bằng => Quá trình thuận nghịch ►VD: Các quá trình dãn nở khí, đẳng áp, đẳng nhiệt lý tưởng
- 18. Thông số quá trình Nhiệt lượng Q Công cơ họcA Quy ước về dấu với công và nhiệt: Trong nhiệt động: A>0 hệ sinh công, Q>0 hệ thu nhiệt Trong nhiệt hóa thì ký hiệu nhiệt lượng q q>0 hệ tỏa nhiệt, q<0 hệ thu nhiệt.
- 19. 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.
- 20. Một số quá trình nhiệt động Quá trình biến đổi trạng thái Phương trình Mendeleev-Clapeyron pV = nRT R – 8.31 J/mol.K 0 hằng số khí lý tưởng A – đẳng áp Entanpi: H = U + pV dH = dU + d(pV) B – đẳng tích C – đẳng nhiệt
- 21. Năng lượng Đặc trưng cho khả năng sinh công của vật. “Thước đo” cho sự chuyển vận của vật chất >>> là khả năng làm thay đổi trạng thái / thực hiện công năng lên một hệ vật chất. Đơn vị: Jun, Calo, kW.h, eV … kg.m2.s-2 Năng lượng trong trọng trường gồm: Động năng, Thế năng, Nội năng
- 22. Nội năng Năng lượng dự trữ toàn phần của tất cả các dạng chuyển động và tương tác của tất cả các phần từ nằm trong hệ. Gồm: + năng lượng chuyển động tịnh tiến của phân tử + năng lượng e- trong ngtu + năng lượng hạt nhân của phân từ + năng lượng dao động, quay của các phân tử + năng lượng liên kết bề mặt ở giữa các pha … Ngoại trừ: Động năng của chuyển động tập thể của hệ và thế năng tương tác của hệ với môi trường bên ngoài ( trọng trường ). U = 3/2nRT đối với khí lý tưởng
- 23. CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG TRONG HỆ SỐNG Phương pháp nghiên cứu – thống kê Phương pháp nhiệt động Nguyên lý số 0 nếu hai hệ cân bằng nhiệt với một hệ thứ ba thì chúng ở trạng thái cân bằng nhiệt với nhau ứng dụng:
- 24. CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG TRONG HỆ SỐNG Định luật bảo toàn & biến đổi năng lượng: “Năng lượng không tự nhiên xuất hiện và không thể biến mất, nó chỉ biến đổi từ dạng này sang dạng khác” Nguyên lý thứ nhất: “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 U của hệ” Q = A + U ►Q > 0 Khi hệ thu nhiệt ►Q < 0 Khi hệ mất nhiệt
- 25. ÁP DỤNG NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CHO HỆ THỐNG SỐNG 4 dạng công cơ bản trong cơ thể sống: Công hóa học: công sinh ra khi tổng hợp các macromolecule Công cơ học: công sinh ra khi dịch chuyển các bộ phận của cơ thể Công thẩm thấu: công vận chuyển các chất qua màng (vận chuyển tích cực) Công điện: công vận chuyển các hạt mang điện Cần năng lượng ATP (nhiên liệu vạn năng của tế bào)
- 26. Những hạn chế của Định luật 1 NĐH Cà phê ở lặng yên trong cốc trên bàn nó tự nhiện lạnh xuống và tự xoay tròn? Tại sao không thể cấp nhiệt để hòn đá tự sinh công để nâng mình lên được? Quá trứng rơi xuống cái cốc và vỡ, vậy khi đun nóng quá trứng sao không trở thành nguyên vẹn và tự nhảy lên? Cái gì trên thế giới xác định chiều hướng của thời gian, quá trình?
- 27. C6H12O6 + 6O2 6CO2+ 6H2O + 678 Kcal La Voizier và Laplace (1780) đã làm thí nghiệm như sau: U Q
- 28. 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
- 29. Nguyên lý thứ hai cho biết khả năng cũng như xu hướng của các quá trình trong hệ. Đối với hệ sống, người ta xét trên 3 đại lượng: - Gradien - Entropy - Năng lượng tự do CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG TRONG HỆ SỐNG
- 30. Gradien Gradien – của 1 tham số nào đó là hiệu giá trị của tham số đó ở 2 điểm chia cho khoảng cách giữa hai điểm đó. Exp: gradien nồng độ dC/dx = (C2-C1)/dx Là 1 đại lượng vector Gradien nồng độ, gradien điện thế … như vậy sự có mặt của gradien tạo ra khả năng thực hiện công của tế bào sống.
- 31. Gradien ►Đại lượng vật lý có trị số = độ biến thiên của đại lượng trên 1 đơn vị dài Gradien của nồng độ: Grad(C) = dC/dx ►Đặc trưng của tb sống là tb luôn tồn tại nhiều loại gradien. Khi tb chết thì gradien mất.
- 32. Gradien tế bào ► Gradien thẩm thấu: Áp suất thẩm thấu chênh lệch (đặc biệt là giữa bên trong & bên ngoài tb) ► Gradien màng 2 phía màng tb có sự phân bố giữa các chất ko đồng đều Màng tb có tính bán thấm: + Ptử nhỏ qua lại dễ dàng + Ptử lớn khó thấm, khó giải phóng ra khỏi tb
- 33. Gradien điện ►Gradien điện thế: 2 phía màng tb chênh lệch ion Na+, K+ … ►Gradien điện hóa - Bằng gradien nồng độ + graiden điện thế - Các hạt mang điện trong & ngoài tb pbố ko đều
- 34. Entropi là gì?
- 35. Entropy ► Nguyên lý II nhiệt động học ► Ký hiệu: S ► Đặc trưng cho mức hỗn loạn, bất trật tự về phân bố của hệ nhiệt động Thước đo mức hỗn loạn về phân bố ptử của hệ S tăng khi hệ nhiệt động biến đổi giữa các trạng thái phân bố trật tự (càng hỗn loạn càng tăng)
- 36. Entrophy và NL II Nhiệt động Entrophy là 1 khái niệm khá trừu tượng, nên để dễ nắm bắt vấn đề, cần đưa ra 1 số quá trình chính: 1/ Quá trình chuyển công thành nhiệt và chuyển nhiệt thành công 2/ Quá trình thuận nghịch và bất thuận nghịch 3/ Chu trinh Carnot và động cơ nhiệt
- 37. 1/ Quá trình chuyển công thành nhiệt & chuyển nhiệt thành công Định luật 2 (dạng 1): Không thể biển đối nhiệt lượng hoàn toàn thành công mà không có một sự biến đổi nào khác xảy ra. >> công có thể biến hoàn toàn thành nhiệt nhưng nhiệt chỉ có thể biến một phần thành công, còn một phần không thể tránh khỏi, bị mất mát cho môi trường Q>A
- 38. a) 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. 2. QUÁ TRÌNH THUẬN NGHỊCH & BẤT THUẬN NGHỊCH
- 39. b) 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. Mọi quá trình hóa sinh và lý sinh xảy ra trong cơ thể sống đều là các quá trình bất thuận nghịch
- 40. Quá trình bất thuận nghịch ► 1 quá trình biến đổi: + Chiều thuận xảy ra, chiều nghịch ko thể tự xảy ra (hoặc ngược lại) + Mtrg xung quanh thay đổi do quá trình Thì gọi là quá trình bất thuận nghịch (ko cân bằng) VD: quá trình truyền nhiệt, biến đổi công thành nhiệt Thường các quá trình trong tự nhiên là bất thuận nghịch)
- 41. 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. QUÁ TRÌNH THUẬN NGHỊCH VÀ BẤT THUẬN NGHỊCH 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. Mọi quá trình hóa sinh và lý sinh xảy ra trong cơ thể sống đều là các quá trình bất thuận nghịch
- 42. 3. Chu trình Carnot ( ~1820 ) 1 chu trình thuận nghịch. Thực nghiệm cũng đã chứng minh rằng mọi chu trình nhiệt động lực học thuận nghịch đều là chu trình kết hợp của các chu trình Carnot nhỏ hơn.
- 43. Chu trình Carnot “Hiệu suất của tất cả các máy nhiệt hoạt động theo chu trình Carnot thuận nghịch không phụ thuộc vào cấu tạo máy mà chỉ phụ thuộc và nhiệt độ nguồn nóng và nguồn lạnh” η = A/Q = (T1 – T2)/T1 >>>>> η < 1 “Tất cả các chu trình không thuận nghịch có hiệu suất nhỏ hơn các chu trình thuận nghịch hoạt động giữa cùng hai nguồn nhiệt.”
- 44. 3. Động cơ nhiệt Động cơ nhiệt là những động cơ trong đó một phần năng lượng của nhiên liệu bị đốt cháy chuyển hóa thành cơ năng. Các loại động cơ nhiệt: máy hơi nước, động cơ đốt trong Một động cơ nhiệt phải tiếp xúc với 2 nguồn nhiệt: nguồn nóng và nguồn lạnh.
- 45. Sự truyền nhiệt Định luật 2 (dạng 2): Nhiệt lượng không thể truyền từ một vật này sang một vật khác nóng hơn mà không có sự thay đổi nào khác xảy ra. Máy lạnh lý tưởng không tồn tại
- 46. Entropy trong hệ nhiệt động chất lỏng ►Quá trình đông đặc đưa các ptử đến trạng thái sắp xếp tại những vị trí xác định ►Lúc đó, Entropy giảm vì: + Hỗn loạn giảm + Tính trật tự tăng + Tỏa nhiệt
- 47. Nguyên lý tăng entropi trong sinh học ► KHÔNG đóng vai trò quyết định chiều hướng diễn biến của quá trình sinh học ► Liên quan đến tính trật tự của hệ ► Thuyết tiến hóa Darwin: cơ thể động vật ngày càng hoàn chỉnh về cấu trúc. Các quá trình sống trong cơ thể phối hợp tốt hơn entropy giảm
- 48. Định nghĩa 1: Entropy - Nhiệt rút gọn Q/T – nhiệt rút gọn Tổng đại số nhiệt rút gọn trong chu trình Carnot “thuận nghịch” bằng 0. Entropy – hàm trạng thái, đặc trưng cho trạng thái của hệ. Quan tâm đến sự biến thiên entropy hơn là giá trị tuyết đối của nó. Sự biến thiên entropy trong quá trình thuận nghịch có giá trị bằng tổng nhiệt rút gọn
- 49. Biến thiên Entropy trong quá trình thuận nghịch Ở quá trình thuận nghịch đẳng nhiệt ΔS = S2 – S1 = dQ/T Ở quá trình thuận nghịch đoạn nhiệt ΔS = 0
- 50. Biến thiên Entropy trong quá trình bất thuận nghịch ΔS > 0 ΔS > ∫dQ/T . Entropy đặc trưng cho tính một chiều, tính bất thuận nghịch của quá trình.
- 51. Định nghĩa 2: Entropy – mức độ hỗn loạn của hệ Entropy còn đặc trưng cho mức độ hỗn loạn của hệ, “thước đo” độ bất trật tự của hệ. Xác suất nhiệt động ω: số các trạng thái vi mô tương ứng với trạng thái vĩ mô của hệ. S = k lnω
- 53. Entropi là gì? Entropi – mũi tên thời gian Entropi – mức độ của sự hỗn độn nguyên tử
- 54. Năng lượng tự do ►Phần nội năng dùng để sinh công có ích
- 55. Các hàm nhiệt động Entanpi và nội năng H(S,p) = U + pV; dH = dU + d(pV) U = U(S,V); dQ = dU + dA >> dU = TdS – d(pV) Năng lượng tự do F(T,V) = U – TS; dF = dU - TdS Thế nhiệt động Gibbs – Entanpi tự do G(T,p) = U – TS + pV; G = F + pV; G = H - TS ΔG = ΔH - TΔS
- 56. Điều kiện tự diễn biến của hệ ( phản ứng ) Hệ tự phát thì dS> dQ/T Với V = const dU = dQ – PdV = dQv dS> dU/T >>> dU – TdS < 0 Với P = const thì dQ = dH dS > dH/T Với P,T = const dG = dH – TdS – SdT = dH – TdS >>> (dG)T,P <0
- 57. Ứng dụng nguyên lý II Cho thấy khả năng, chiều hướng và giới hạn của 1 quá trình: gradient. Quá trình diễn ra làm tăng entropy của hệ cho tới khi cân bằng: 1 quá trình tự diễn là quá trình tự tiến tới sự hỗn loạn. Hệ thống sống là hệ có cấu trúc trật tự cao, vậy có áp dụng NL II được không?
- 58. Thay đổi Entropy ở hệ thống sống Hệ thống sống: có trật tự cao và khả năng sinh công, Entropi không cực đại và năng lượng tự do không cực tiểu. dSe gây bởi sự tương tác với môi trường xung quanh dSi gây bởi những thay đổi bên trong hệ dS = dSe + dSi Hệ cô lập dSe = 0 >> dS >0 Công thức Prigogine dS/dt = dSe /dt + dSi /dt ( = 0 ở cân bằng dừng )
- 59. Trạng thái Cân bằng nhiệt động Trạng thái Cân bằng dừng Hệ kín / cô lập Hệ mở, có dòng vật chất, năng lượng ra vào Không tồn tại gradient Tồn tại các loại gradient Tốc độ pu thuận = tốc độ pu nghịch Tốc độ pư thuận và pư nghich khác nhau F = 0, hệ không có khả năng sinh công F khác không và là 1 hăng số (ΔF = 0), hệ có khẳ năng sinh công Entropy max Entropy khác không và là hăng số
- 60. Vấn đề còn bỏ ngỏ Quá trình tự diễn tiến nhưng diễn ra như thế nào? Có các quá trình khác nhau trong hệ diễn ra song song, nối tiếp hay có quan hệ phức tạp khác?
- 61. Tham khảo: Lý Sinh học. Nguyễn Thị Kim Ngân 1999. Chương 1. Lý sinh học. Phan Sỹ An, NXB Yhọc, 2005. Chương 1. Cơ sở vật lý: tập 3 Nhiệt học. D. Halliday. NXB Giáo dục 1998. Giáo trình Nhiệt học. Nguyễn Huy Sinh. NXB Giáo dục, 2009. Chương 2, Chương 5.
Editor's Notes
- VD: 1 thể tích nước trong bình 1 khối khí trong cylinder 1 cơ thể sinh vật, hoặc nhỏ hơn là 1 tb sống
- Hệ nhiệt động cô lập: Nước trong phích kín, cách nhiệt tốt
- Hệ nhiệt động kín: Chỉ trao đổi năng lượng, Ko trao đổi vật chất với bên ngoài VD: nước trong phích kín nhưng cách nhiệt kém
- VD: nước trong phích hở, cơ thể sống của sinh vật
- Khi hệ thay đổi trạng thái: Các thông số của hệ cx thay đổi theo những quy luật 1st định Thông số cường độ P, C, ε, µ Thông số khuyếch độ ( system size ): m, U, H, S, V, E
- Gradien nồng độ hình thành: Do chất hữu cơ & vô cơ của tb phân bố ko đồng đều
- Entropi: Hàm trạng thái, phụ thuộc vào trạng thái của hệ Tổng đại số nhiệt rút gọn trong chu trình carnot “thuận nghịch” = 0
- Entropi thay đổi do các ptử trong hệ thay đổi chuyển động nhiệt, các ptử thay đổi sự tương tác
- Tính trật tự trong hệ sv là kết quả của sự tiến hóa