Kqht 2
- 1. KQHT 2: Nhiệt động học các hệ sinh vật 1. Nhiệt động học các hệ sinh vật 2. Một số khái niệm và đại lượng cơ bản 3. Định luật 1 nhiệt động học và những hệ quả của nó 4. Định luật 1 nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật 5. Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp và nguyên tắc hoạt động của cơ thể sống
- 2. 6. Phân biệt NTHĐ của cơ thể sống với máy nhiệt 7. Định luật II nhiệt động học 8. Tính chất thống kê của định luật II nhiệt động học 9. Định luật II nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật 10. Năng lượng tự do
- 3. 1. Nhiệt động học hệ sinh vật và hướng NC - Hướng nghiên cứu chủ yếu sau: + Sự chuyển biến năng lượng ở mức độ phân tử, tế bào, mô, ….⇒ Xác định hiệu suất sử dụng năng lượng của các cao phân tử sinh học.
- 4. + 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... + 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.
- 5. * Trạng thái cân bằng, quá trình cân bằng: - Trạng thái của một hệ nhiệt động được xác định bởi các thông số trạng thái: p, V, T, n. - Nếu p, T không thay đổi tại mọi điểm trong hệ thì ta có trạng thái cân bằng. - Một quá trình biến đổi, hệ liên tục trải qua nhiều trạng thái. Nếu quá trình biến đổi là đủ chậm để các trạng thái mà hệ trải qua luôn là trạng thái cân bằng thì gọi là quá trình cân bằng. 2. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN * Các khái niệm: Hệ, hệ cô lập, hệ kín, hệ mở, …
- 6. * Quá trình thuận nghịch và bất thuận nghịch: Một quá trình biến đổi được gọi là thuận nghịch nếu nó có thể tiến hành theo chiều ngược lại, và ở lượt về (quá trình ngược), hệ đi qua tất cả các trạng thái trung gian như ở lượt đi. Quá trình thuận nghịch là quá trình lí tưởng, thực tế không xảy ra.
- 7. * Nhiệt lượng và công: Nhiệt lượng Q (nhiệt): là số đo phần năng lượng chuyển động nhiệt trao đổi trực tiếp giữa các phân tử của hệ đang xét với môi trường ngoài. Công A có biểu thức tính: (2) 12 (1) A p.dV= − ∫ Qui ước về dấu: A, Q > 0: khi hệ nhận từ bên ngoài. A, Q < 0: khi hệ cung cấp ra bên ngoài.
- 8. 3. Định luật I nhiệt động học và hệ quả 3.1 Nội dung: Sự biến thiên nội năng của hệ bằng nhiệt lượng do hệ nhận được trừ đi công do hệ thực hiện. dU = δQ - δA hay ∆U = Q - A dU: độ biến đổi nội năng δA , δQ: độ biến đổi công và nhiệt
- 9. 3.2 Hệ quả: Công và Nhiệt sau một chu trình: Hệ cô lập: Nội năng của hệ cô lập được bảo toàn. A 0, Q 0 U 0 U const= = ⇒∆ = ⇒ = Sau một chu trình, hệ nhận bao nhiêu nhiệt thì sinh bấy nhiêu công và ngược lại. "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". ∆U = 0 ⇒ Q - A = 0 Hay A = Q
- 10. * CÁC HẠN CHẾ CỦA NGUYÊN LÍ I 1 - Không nói đến điều kiện chuyển hóa giữa công và nhiệt. 2 - Không nói rõ chiều diễn biến trong các quá trình. Ví dụ, sau một chu trình thì: Nghĩa là hệ nhận bao nhiêu nhiệt thì sinh bấy nhiêu công. Nhưng trên thực tế vẫn không có điều này. Nhiệt không thể tự động truyền từ vật lạnh sang vật nóng. ∆U = 0 ⇒ A - Q = 0 Hay A = Q
- 11. 4. Định luật I NĐH áp dụng vào hệ sinh vật • Dùng một lượng thức ăn đã xác định trước để nuôi chuột khoang trong nhiệt lượng kế ở nhiệt độ 0o C. • Diễn ra các phản ứng phân huỷ thức ăn tới sản phẩm cuối cùng là khí CO2 và H2O
- 12. 4. Định luật I NĐH áp dụng vào hệ sinh vật • Nhiệt lượng giải phóng ra từ các phản ứng hoá sinh diễn ra trong cơ thể sống Q1 hoàn toàn tương đương với nhiệt lượng giải phóng ra từ các phản ứng ôxy hoá Q2 diễn ra ở ngoài cơ thể sống. • Giải phóng ra nhiệt lượng: Q1 ⇔ Q2.
- 13. 4. Định luật I NĐH áp dụng vào hệ sinh vật • Kết quả thí nghiệm trong 24 giờ với cơ thể người • 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
- 14. • Hiệu ứng nhiệt của các phản ứng diễn: + Nhiệt lượng toả ra xung quanh : 1374 KCal + Nhiệt lượng toả ra do thở ra : 181 KCal + NL 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
- 15. • Nhu cầu dinh dưỡng & nhiệt lượng thiết yêu của cơ thể: + Sơ đồ quá trình sinh nhiệt từ thức ăn: Gluxit, protein, lipit +O2 =Nhiệt năng+ H2O+CO2 + Cơ sở chuyển hóa năng lượng tiêu hao: gan 27%; não 19%; tim, thận 10%; cơ 18%; các bộ phận còn lại 18%. Tuổi càng nhỏ chuyển hóa cơ sở càng cao
- 16. 1. Bảng 1: Công thức tính chuyển hóa cơ sở theo cân nặng ( w ) Lao động thể lực. • Lao động nhẹ:Nhân viên hành chính, các nghề lao động trí óc, nghề tự do, nội trợ, giáo viên. • Lao động trung bình:Công nhân xây dựng , nông dân, nghề cá, quân nhân, sinh viên. • Lao động nặng:Một số nghề nông nghiệp, công nhân công nghiệp nặng, nghề mỏ, vận động viên thể thao, quân nhân thời kỳ luyện tập. • Lao động đặc biệt:Nghề rừng, nghề rèn
- 17. 2.Tính nhu cầu năng lượng cả ngày • Bảng2: Hệ số tính nhu cầu năng lượng cả ngày của người trưởng thành theo • Vd: nhu cầu năng lượng của nhóm lao động nam lứa tuổi 18-30, cân nặng trung bình 50 kg , loại lao động vừa như sau: ( 15,3 x 50 ) + 679 = 1444 kcalo ⇒ Nhu cầu cả ngày như sau: 1444 kcalo x 1,78 = 2570 kcalo
- 18. DUY TRÌ CÂN NẶNG NÊN CÓ BMI = cân nặng (kg)/ Bình phương của Chiều cao (m) Ở người bình thường nên năm trong khoảng 18,5-25 ở CẢ NAM VÀ NỮ. THEO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA VIỆN DINH DƯỠNG, CHỈ SỐ BMI Ở người Việt nam 26-40 tuổi : + Nam là 19,72 + 2,81 + Nữ 19,75 + 3,41
- 19. 7. Định luật II nhiệt động học 1 Phát biểu của Thomson và Carnot: Không thể chế tạo được động cơ nhiệt hoạt động tuần hoàn, liên tục biến nhiệt thành công mà môi trường xung quanh không chiụ sự biến đổi nào.
- 20. 2. Phát biểu của Clausius: Nhiệt không thể tự động truyền từ vật lạnh sang vật nóng. Nói cách khác, sự truyền nhiệt từ vật lạnh sang vật nóng không thể xảy ra nếu không có sự bù trừ nào. 3. Phát biểu của Planck : Đối với hệ cô lập, mọi quá trình trong tự nhiên đều diễn biến theo chiều tăng của entropi
- 21. (a) ENTROPY 1 – Khái niệm về Entropy: Chu trình A-a-B-c-A: B A a c A B Q QQ 0 0 (1) T T T δ δδ = ⇒ + = ∫ ∫ ∫Ñ B A (b) (c) Chu trình A-b-B-c-A: B A b c A B Q QQ 0 0 (2) T T T δ δδ = ⇒ + = ∫ ∫ ∫Ñ Do (a), (b) là bất kì, nên từ (1) và (2) suy ra: B B a b A A Q Q const (3) T T δ δ = = ∫ ∫
- 22. ENTROPY 1 – Khái niệm về Entropy: (3) chứng tỏ: tổng nhiệt lượng rút gọn của hệ trong quá trình biến đổi thuận nghịch từ trạng thái này sang trạng thái kia không phụ thuộc vào quá trình biến đổi, mà chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ. Đó là tính chất THẾ của các quá trình nhiệt động. Từ đó ta có thể tìm được một hàm thế S, gọi là hàm trạng thái hay entropy, sao cho: B A Q Q S S(B) S(A) dS T a T h y δ δ ∆ = − = = ∫
- 23. ENTROPY 2 – Các tính chất của Entropy: - Là hàm đặc trưng cho trạng thái, không phụ thuộc vào quá trình biến đổi. 0 Q S S T δ = + ∫ - Có tính cộng được. - Không xác định đơn giá mà sai kém một hằng số cộng. Với S0 là entropy tại trạng thái gốc. Qui ước S0 = 0 tại 00 K.
- 24. ENTROPY 3 – Biểu thức định lượng của NL II với entropy: - Xét một chu trình bất thuận nghịch gồm hai quá trình: (a) B A (b) A-a-B: bất thuận nghịch B-b-A: thuận nghịch (AaB) (BbA) Q Q Q 0 T T T δ δ δ = + < ∫ ∫ ∫Ñ Vì (B-b-A): là thuận nghịch nên khi tiến hành theo chiều ngược lại, ta có: (BbA) (AbB) Q Q T T δ δ = − ∫ ∫ Do đó : (AaB) (AbB) Q Q S(B) S(A) S T T δ δ < = − = ∆ ∫ ∫ Tổng quát: (2) (1) Q Q S dS T T hay δ δ ∆ ≥ ≥ ∫ Ta có:
- 25. ENTROPY 4 – Nguyên lý tăng entropy: Trong một hệ cô lập, ta có: Với các quá trình thuận nghịch: Nguyên lý tăng entropy: Trên thực tế, mọi quá trình nhiệt động xảy ra trong một hệ cô lập luôn theo chiều hướng sao cho entropy của hệ tăng lên. Hệ quả: Q 0 dS 0δ = ⇒ ≥ dS 0 S const= ⇒ = Với các quá trình bất thuận nghịch: dS 0 S> ⇒ ↑ Hệ cô lập không thể 2 lần cùng đi qua một trạng thái. Hệ cô lập ở trạng thái cân bằng sẽ kết thúc mọi quá trình biến đổi. Khi đó entropy của hệ đạt cực đại.
- 26. ENTROPY * Ý nghĩa thống kê của entropy và nguyên lý II: 1. Entropy là thước đo mức độ hỗn loạn của các phân tử trong hệ. Khi entropy giảm (ví dụ được làm lạnh) thì tính hỗn loạn của các phân tử cũng giảm, tính trật tự tăng lên và ngược lại.
- 27. 2. Nhiệt không thể tự động truyền từ vật lạnh sang vật nóng và entropy của hệ cô lập không thể giảm. Nói cách khác, hệ luôn có xu hướng biến đổi từ trạng thái không cân bằng về trạng thái cân bằng và khi về đến trạng thái cân bằng rồi, nó không thể tự động trở lại trạng thái không cân bằng. 3. Nguyên lý II chỉ áp dụng cho hệ vĩ mô gồm một số rất lớn các phân tử (vì khi đó ta có thể bỏ qua ảnh hưởng của những thăng giáng).
- 28. * ĐỊNH LÍ CARNOT 1 Nguyên lí làm việc, hiệu suất của đcn: Nguồn nóng T1 Nguồn lạnh T2 Tác nhân A’ Q1 Q2’ Hiệu suất của đcn: 1 2 2 1 1 1 Q Q ' QA' H 1 Q Q Q − = = = + Chú ý: H < 1 A’ > 0 và Q2’ > 0 Q2 = - Q2’ < 0 1 2 2 CN 1 1 T T T H 1 T T − = = −
- 29. * ĐỊNH LÍ CARNOT • Ví dụ 1: Một động cơ nhiệt làm việc theo chu trình Carnot, có công suất 100 mã lực. Nhiệt độ của nguồn nóng là 1000 C, nguồn lạnh là 00 C. Tính: a)Hiệu suất của động cơ. b)Nhiệt lượng mà tác nhân nhận trong 1 phút. c)Nhiệt lượng mà tác nhân nhả cho nguồn lạnh trong 1 phút. ĐS: a) 27%; b) 16470kJ; c) 12054kJ
- 30. • Ví dụ 2: Một máy hơi nước có công suất 14,7kW, tiêu thụ 8,1kg than trong một giờ. Nhiệt độ của nguồn nóng là 2000 C, nguồn lạnh là 580 C. Năng suất tỏa nhiệt của than là 7800 kcal/kg. a) Tính hiệu suất của máy. b) So sánh hiệu suất đó với hiệu suất lí tưởng của máy làm việc theo chu trình Carnot với hai nguồn nhiệt kể trên. ĐS: a) 20%; b) 2/3HCN
- 31. * ĐỊNH LÍ CARNOT 2. Nguyên lí làm việc của máy làm lạnh: 2 CN 1 2 T T T ε = − V p (3) (2) (1) (4) Chu trình Carnot nghịch Hsuất làm lạnh: Nguồn nóng T1 Nguồn lạnh T2 Tác nhân A Q1 Q2 2 Q A ε =
- 32. • Ví dụ 3: Một máy làm lạnh hoạt động theo chu trình Carnot với tác nhân bất kỳ ở các nhiệt độ là 0 o C và -100 o C. Trong trường hợp nào hiệu suất của máy làm lạnh là không đổi: a. Giảm đồng thời nhiệt độ hai nguồn 200 K. b. Tăng đồng thời nhiệt độ hai nguồn lên hai lần. c. Tăng đồng thời nhiệt độ tuyệt đối của hai nguồn lên hai lần. d. Tăng nhiệt độ nguồn lạnh thêm 1000 K.
- 33. • Ví dụ 4: Một chu trình làm lạnh xả 250 J nhiệt vào phòng trong khi môtơ cung cấp 80J công. Lượng nhiệt lấy từ bên trong máy làm lạnh bằng bao nhiêu? a. 170 J b. 299 cal. c. 598 J d. 5210 cal.