Bài giảng lý sinh
Khái niệm: Là tập hợp các vật thể , các phân tử,
nguyên tử,… giới hạn trong một không gian nhất
định. Ví dụ: một thể tích nước trong bình, một khối khí trong xy lanh, một cơ thể sinh vật, một tế bào sống,...
BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
§1. Một số khái niệm:
1.1. Hệ nhiệt động:
- Khái niệm: Là tập hợp các vật thể , các phân tử,
nguyên tử,… giới hạn trong một không gian nhất
định.
- Ví dụ: Một thể tích nước trong bình, một khối khí trong
xy lanh, một cơ thể sinh vật, một tế bào sống,...
BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
• 1.1. Hệ nhiệt động:
• - Phân loại: 3 loại:
• + Hệ nhiệt động cô lập: Không trao đổi vật chất và
năng lượng với bên ngoài (nước trong một phích
kín, cách nhiệt tốt)
• + Hệ nhiệt động kín (hệ đóng): Chỉ trao đổi năng
lượng mà không trao đổi vật chất với bên ngoài
(nước trong phích kín nhưng cách nhiệt kém).
• + Hệ nhiệt động mở: Trao đổi cả vật chất và năng
lượng với bên ngoài (nước trong phích hở, cơ thể
sống của sinh vật,...
BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
• 1.2. Thông số trạng thái:
• - Khái niệm: Là các đại lượng đặc trưng cho
trạng thái của một hệ nhiệt động
• + Với hệ nhiệt động vật lý (như hệ khí,…) thì
các thông số trạng thái của hệ có thể là N (số
phân tử), V (thể tích), P (áp suất), T (nhiệt độ),
U (nội năng), S (entropy),…
• + Với hệ nhiệt động là tế bào sống thì thông số
trạng thái có thể là nồng độ chất, nồng độ ion,
độ pH , áp suất thẩm thấu,…
BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
• 1.2. Thông số trạng thái:
• Khi hệ thay đổi trạng thái thì các thông số
của hệ cũng thay đổi theo những quy luật
nhất định (quy luật nhiệt động).
BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
• 1.2. Thông số trạng thái:
- Trạng thái của hệ mà các thông số trạng thái
không thay đổi theo thời gian là trạng thái cân
bằng; Khi đó đạo hàm các thông số trạng thái
của hệ theo thời gian sẽ bằng không.
- Một quá trình biến đổi của hệ gồm một chuỗi liên
tiếp các trạng thái cân bằng gọi là quá trình cân
bằng. Một quá trình cân bằng là quá trình thuận
nghịch
• Ví dụ: Các quá trình lý tưởng như dãn nở khí
đẳng áp, đẳng nhiệt, …
BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
• 1.2. Thông số trạng thái:
• Một quá trình biến đổi mà quá trình ngược lại
không thể tự sảy ra hoặc nếu sảy ra thì làm môi
trường xung quanh có thay đổi, được gọi là quá
trình bất thuận nghịch hay không cân bằng.
• Ví dụ: Quá trình truyền nhiệt, biến đổi công
thành nhiệt,….
• Các quá trình xảy ra trong tự nhiên thường là bất
thuân nghịch.
BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
• 1.3. Gradien (grad):
• - Khái niệm: Gradien của một đại lượng
vật lý là đại lượng có trị số bằng độ biến
thiên của đại lượng đó trên một đơn vị
dài:
dU
• gradU = dx
dU
Dạng véc tơ: grad U = dx n
với n là véc tơ đơn vị theo chiều U tăng.
BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
• 1.3. Gradien (grad):
• Ví dụ:
dC
• + Gradien của nồng độ: gradC =
dx
dV
• + Gradien của điện thế: gradV =
dx
• - Trong tế bào sống luôn tồn tại nhiều loại gradien, nó là
một đặc trưng cho tế bào sống:
• + Gradien nồng độ hình thành do sự phân bố không
đồng đều của các chất hữu cơ và vô cơ giữa các phần
của tế bào hoặc trong và ngoài tế bào
BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
• 1.3. Gradien (grad):
• + Gradien thẩm thấu hình thành do chênh lệch
áp suất thẩm thấu, đặc biệt là áp suất thẩm thấu
keo giữa bên trong và ngoài tế bào.
• + Gradien màng tạo ra do phân bố không đồng
đều các chất có phân tử lượng khác nhau ở hai
phía màng tế bào mà nguyên nhân là do màng tế
bào có tính bán thấm, chúng cho các phân tử
nhỏ đi qua dễ dàng, nhưng các phân tử có phân
tử lượng lớn thì rất khó thấm vào hoặc giải
phóng ra khỏi tế bào.
BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
• 1.3. Gradien (grad):
• + Gradien độ hòa tan xuất hiện ở hai pha không tr ộn
lẫn, do sự hòa tan các chất của hai pha khác nhau (nh ư
pha lipit và protein trong tế bào,…)
• + Gradien điện thế xuất hiện do sự chênh lệch về điện
thế ở hai phía màng tế bào, khi có phân bố không đều
các ion như Na+, K+,…
• + Gradien điện hóa gồm tổng gradien nồng độ và
gradien điện thế, xuất hiện khi có sự phân bố không
đều các hạt mang điện ở trong và ngoài tế bào.
• Nói chung, khi tế bào chết thì gradien mất đi.
BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
• §2. Nguyên lý I nhiệt động học với hệ sinh vật:
• 2.1. Nội năng, công, nhiệt lượng:
• 2.1.1. Nội năng:
• Nội năng (U) của một hệ nhiệt động là toàn bộ năng
lượng chứa trong hệ.
• Năng lượng chứa trong hệ gồm năng lượng chuyển
động nhiệt, năng lượng dao động của các phân tử,
nguyên tử, năng lượng chuyển động của các electrron,
năng lượng hạt nhân,… Như vậy, năng lượng tương tác
của hệ với bên ngoài và động năng chuyển động của
cả hệ không được tính vào nội năng.
BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
• 2.1.1. Nội năng:
• Mỗi trạng thái của hệ tương ứng có một
nội năng xác định, khi hệ thay đổi trạng
thái thì nội năng thay đổi; Nói cách khác
nội năng là hàm trạng thái của hệ.
• Nếu hệ thực hiện một quá trình kín và trở
về trạng thái ban đầu thì độ biến thiên nội
năng ΔU = 0.
BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
• 2.1.2. Công:
• Công (A) là số đo phần năng lượng trao đổi giữa
hai hệ sau quá trình tương tác mà kết quả là làm
thay đổi mức độ chuyển động định hướng của
một hệ nào đó.
• Ví dụ:
• Hệ khí trong xy lanh dãn nở đẩy pit tông chuyển
động thì hệ khí đã truyền cho pít tông năng lượng
dưới dạng công,
• Khi đá một quả bóng làm nó chuyển động thì quả
bóng đã nhận được năng lượng dưới dạng công.
BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
• 2.1.2. Công:
• Công phụ thuộc vào quá trình biến đổi,
nếu hệ ở một trạng thái xác định không
có trao đổi năng lượng thì công bằng
không.
• Trong hệ sinh học cũng luôn tồn tại các
quá trình thực hiện công. Công sinh học là
công mà cơ thể sinh vật sinh ra trong quá
trình sống của chúng. Công sinh học có
nhiều dạng
BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
• Công sinh học
• - Do cơ thể sinh ra khi có sự dịch chuyển các bộ phận,
các cơ quan trong nội bộ cơ thể sinh vật hoặc toàn bộ
cơ thể sinh vật.
• Ví dụ:
• + Công sinh ra khi hô hấp là công được thực hiện bởi
các cơ hô hấp để thắng tất cả các lực cản khi thông khí.
Công của tim thực hiện khi đẩy máu vào mạch và đẩy
máu chuyển động theo một chiều xác định,…
• + Công sinh ra khi động vật chạy, khi côn trùng bay,…
BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
• Công sinh học:
• Ví dụ:
1. Công tổng hợp các chất cao phân tử sinh vật từ
các phân tử có phân tử lượng thấp hơn như
tổng hợp protein, axit amin, axit nucleic từ
mononucleotit hay tổng hợp gluxit từ
monosacarit,…
2. - Công điện sinh ra khi xuất hiện điện thế sinh
vật, khi dẫn truyền xung thần kinh,…
3. - Công vận chuyển các chất ngược chiều
gradien nồng độ, công vận chuyển các ion
ngược chiều grdien điện thế,…
BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
• 2.1.3. Nhiệt lượng
• Nhiệt lượng (Q) là số đo phần năng lượng trao
đổi giữa hai hệ sau quá trình tương tác thông qua
sự trao đổi trực tiếp năng lượng giữa các phân tử
chuyển động hỗn loạn trong các hệ đó. Ví dụ:
• Phần năng lượng truyền từ vật nóng cho vật lạnh
khi tiếp xúc nhau là nhiệt lượng.
• Nhiệt lượng cũng phụ thuộc quá trình biến đổi.
BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
• 2.2. Nguyên lý I nhiệt động học:
• Nguyên lý I nhiệt động học là định luật bảo toàn
năng lượng áp dụng cho quá trình nhiệt
• Phát biểu: Nhiệt lượng mà hệ nhận được trong
một quá trình bằng tổng công mà hệ sinh ra
cộng với độ biến thiên nội năng của hệ
• Biểu thức: Q=A+ΔU
• Quá trình biến đổi vô cùng nhỏ: ƏQ = ƏA + dU
BÀI GIẢNG LÝ SINH
CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC
• 2.2. Nguyên lý I nhiệt động học:
• Nếu một hệ không nhận nhiệt lượng (Q = 0) mà
liên tuc sinh công (A > 0) hoặc liên tục sinh công
lớn hơn nhiệt lượng nhận vào (A > Q) thì ΔU = Q
- A < 0 tức là U giảm dần đến hết nội năng (U =
0) thì dừng.
• Vậy theo nguyên lý I: Không thể chế tạo động cơ
vĩnh cửu loại I liên tục sinh công mà không nhận nhiệt
lượng hoặc liên tục sinh công lớn hơn nhiệt lượng nhận
vào.
