Chương 1
NHIỆT ĐỘNG HỌC HỆ SINH VẬT
I. Nhiệt động học hệ sinh vật và hướng nghiên cứu
Nhiệt động học hệ sinh vật là lĩnh vực nghiên cứu hiệu ứng năng lượng, sự chuyển hoá
giữa các dạng năng lượng, khả năng tiến triển, chiều hướng và giới hạn tự diễn biến của
các quá trình xảy ra trong hệ thống sống.
Cơ thể sống trong quá trình sinh trưởng và phát triển đều có sử dụng năng lượng vì vậy
nhiệt động học hệ sinh vật là lĩnh vực cần được nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu của
nhiệt động học hệ sinh vật là cơ thể sống, đó là một hệ mở do luôn xảy ra sự trao đổi vật
chất và năng lượng với môi trường xung quanh, có khả năng tự điều chỉnh, tự sinh sản...
nên khác với hệ vật lí như chất rắn, chất lỏng hay chất khí... Hiện nay nhiệt động học hệ
sinh vật có các hướng nghiên cứu chủ yếu sau:
- Nghiên cứu sự chuyển biến năng lượng ở mức độ phân tử, tế bào, mô, cơ quan hay toàn
bộ cơ thể khi ở trạng thái sinh lý bình thường và trạng thái đang hoạt động. Xác định hiệu
suất sử dụng năng lượng của các quá trình sinh vật và năng lượng liên kết trong các liên
kết của các cao phân tử sinh học.
- Nghiên cứu 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...
- Nghiên cứu 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.
II. Một số khái niệm và đại lượng cơ bản
- Hệ: Hệ là một vật thể hay một nhóm vật thể được dùng làm đối tượng để nghiên cứu.
Ví dụ khi chọn cá thể để nghiên cứu thì cá thể là một hệ còn khi chọn quần thể để nghiên
cứu thì quần thể là một hệ.
- Hệ cô lập: Là hệ không có sự trao đổi vật chất và năng lượng giữa hệ với môi trường
xung quanh. Trên thực tế khó xác định được một hệ cô lập hoàn toàn nhưng ở qui mô thí
nghiệm các nhà khoa học có thể thiết kế được hệ cô lập như bom nhiệt lượng dùng để
nghiên cứu hiệu ứng nhiệt của các phản ứng oxy hóa.
- Hệ kín: Là hệ không trao đổi vật chất với môi trường xung quanh nhưng có trao đổi
năng lượng với môi trường xung quanh.
- Hệ mở: Là hệ có trao đổi cả vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh. Ví dụ:
cơ thể sống là một hệ mở.
- Tham số trạng thái: Là các đại lượng đặc trưng cho trạng thái của một hệ, ví dụ như
nhiệt độ, áp suất, thể tích, nội năng, entropi...
- Trạng thái cân bằng: Là trạng thái trong đó các tham số trạng thái đạt một giá trị nhất
định và không đổi theo thời gian.
- Quá trình cân bằng: Là quá trình trong đó các tham số trạng thái thay đổi với tốc độ
chậm tới mức sao cho tại mỗi thời điểm có thể xem như trạng thái của hệ là trạng thái cân
bằng.
- Quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp, đẳng tích là quá trình diễn ra trong đó nhiệt độ, áp suất
và thể tích luôn không đổi trong suốt quá trình diễn ra.
- Quá trình thuận nghịch: Là quá trình biến đổi mà khi trở về trạng thái ban đầu không
kèm theo bất cứ một sự biến đổi nào của môi trường xung quanh.
- Quá trình bất thuận nghịch: Là quá trình biến đổi mà khi trở về trạng thái ban đầu làm
thay đổi môi trường xung quanh.
- Hàm trạng thái: Một đại lượng được xem là một hàm trạng thái, đặc trưng cho trạng
thái của hệ, khi sự biến thiên giá trị của nó trong bất cứ quá trình nào cũng chỉ phụ thuộc
vào giá trị đầu và giá trị cuối mà không phụ thuộc vào con đường chuyển biến. Nội năng
(U), năng lượng tự do (F), thế nhiệt động (Z hay G), entanpi (H), entropi (S) là những
hàm trạng thái.
- Năng lượng: Năng lượng là đại lượng có thể đo được, có thể biến đổi một cách định
lượng luôn theo cùng một tỉ lệ thành nhiệt lượng. Năng lượng phản ánh khả năng sinh
công của một hệ. Đơn vị dùng để đo năng lượng là Calo (Cal) hay Joule (J).
- Công và nhiệt: Đó là hai hình thức truyền năng lượng từ hệ này sang hệ khác. Nếu như
sự truyền năng lượng từ hệ này sang hệ khác gắn liền với sự di chuyển vị trí của hệ thì sự
truyền đó được thực hiện dưới dạng công. Ví dụ khi chạy 100 mét thì năng lượng tiêu tốn
đã được dùng vào thực hiện công để di chuyển vị trí. Nếu sự truyền năng lượng từ hệ này
sang hệ khác làm tăng tốc độ chuyển động của phân tử ở hệ nhận năng lượng thì sự
truyền đó được thực hiện dưới dạng nhiệt.
Công và nhiệt là hàm số của quá trình vì chúng đều phụ thuộc vào cách chuyển biến.
- Nội năng: Nội năng của một vật thể bao gồm động năng của các phân tử chuyển động
và thế năng tương tác do sự hút và đẩy lẫn nhau giữa các phân tử cùng với năng lượng
của hạt nhân nguyên tử và năng lượng của các điện tử.
III. Định luật I nhiệt động học và những hệ quả của nó
Định luật I nhiệt động học được hình thành qua các công trình nghiên cứu của các tác
giả như M. V. Lomonoxob (1744), G. I. Heccer (1836), R. Majo (1842), Helmholtz
(1849), Joule (1877)... Định luật I nhiệt động học được phát biểu như sau:
"Trong một quá trình nếu năng lượng ở dạng này biến đi thì năng lượng ở dạng khác sẽ
xuất hiện với lượng hoàn toàn tương đương với giá trị của năng lượng dạng ban đầu".
Định luật I nhiệt động học bao gồm hai phần:
- Phần định tính khẳng định năng lượng không mất đi mà nó chỉ chuyển từ dạng này sang
dạng khác.
- Phần định lượng khẳng định giá trị năng lượng vẫn được bảo toàn (tức giữ nguyên giá
trị khi qui đổi thành nhiệt lượng) khi chuyển từ dạng năng lượng này sang dạng năng
lượng khác. Giá trị năng lượng chỉ được bảo toàn khi quá trình xảy ra là quá trình thuận
nghịch và hiệu suất của quá trình đạt 100%. Đối với quá trình bất thuận nghịch, hiệu suất
của quá trình nhỏ hơn 100% thì ngoài phần năng lượng truyền cho hệ phải cộng thêm
phần năng lượng đã toả ra môi trường xung quanh.
Biểu thức toán học của định luật I nhiệt động học: Một hệ cô lập ở trạng thái ban đầu có
nội năng U1, nếu cung cấp cho hệ một nhiệt lượng Q thì một phần nhiệt lượng hệ sử dụng
để thực hiện công A, phần còn lại làm thay đổi trạng thái của hệ từ trạng thái ban đầu có
nội năng U1 sang trạng thái mới có nội năng U2 (U2>U1). Từ nhận xét trên ta có biểu
thức:
Q = ΔU + A (1.1)
Trong đó ΔU = U2 - U1
Công thức (1.1) có thể viết dưới dạng:
ΔU = U1 - U1 = Q - A (1.2)
Đối với quá trình biến đổi vô cùng nhỏ, phương trình (1.2) có thể viết dưới dạng:
dU = δQ - δA (1.3)
dU: Chỉ sự biến đổi nội năng, là hàm số trạng thái
δQ và δA: Chỉ sự biến đổi nhiệt và công, là hàm số của quá trình.
Từ biểu thức (1.2), định luật I nhiệt động học có thể phát biểu như sau:
"Sự biến thiên nội năng của hệ bằng nhiệt lượng do hệ nhận được trừ đi công do hệ đã
thực hiện".
Từ định luật I nhiệt động học dẫn đến các hệ quả sau đây:
- Nếu hệ biến đổi theo một chu trình kín (có trạng thái đầu và trạng thái cuối trùng nhau)
thì nội năng của hệ sẽ không thay đổi (U2 = U1→ΔU = 0).
- Khi cung cấp cho hệ một nhiệt lượng, nếu hệ không thực hiện công thì toàn bộ nhiệt
lượng mà hệ nhận được sẽ làm tăng nội năng của hệ.
Theo (1.2) ΔU = U2 - U1 = Q - A, nếu A = 0 → U2 - U1 = Q. Hệ nhận nhiệt nên Q > 0 →
U2 - U1 = Q > 0 → U2 > U1.
- Khi không cung cấp nhiệt lượng cho hệ mà hệ muốn thực hiện công thì chỉ có cách là
làm giảm nội năng của hệ.
Theo (1.2) ΔU = U2 - U1 = Q - A, nếu Q = 0 → U2 - U1 = -A
→ A = U1 - U2. Hệ muốn thực hiện công, tức A > 0
→ U1 - U2 > 0 → U1 > U2. Sau khi thực hiện công (tức A > 0), nội năng của hệ đã giảm
từ U1 xuống U2 nhỏ hơn.
- Hệ thực hiện theo chu trình kín, nếu không cung cấp nhiệt lượng cho hệ thì hệ sẽ không
có khả năng sinh công.
Theo (1.2) ΔU = Q - A, nếu hệ thực hiện theo chu trình kín, theo hệ quả 1 thì ΔU = 0 →
Q - A = 0 → Q = A
Do vậy, nếu Q = 0, tức không cung cấp nhiệt lượng cho hệ thì hệ cũng không có khả
năng sinh công, tức A = 0. Hệ quả này, có thể phát biểu dưới dạng: "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".
IV. Định luật Heccer
Được Heccer tìm ra năm 1836, sau này được các nhà khoa học xếp thuộc vào hệ quả của
định luật I nhiệt động học. Định luật Heccer phát biểu như sau: "Hiệu ứng nhiệt của các
phản ứng hoá học chỉ phụ thuộc vào dạng và trạng thái của chất đầu và chất cuối mà
không phụ thuộc vào cách chuyển biến".
Ví dụ: Phản ứng tạo khí CO2 từ than nguyên chất là cacbon (C) có thể tiến hành theo 2
cách sau:
Cách 1: Đốt trực tiếp than nguyên chất thành khí CO2 sẽ giải phóng nhiệt lượng là Q1.
Phản ứng xảy ra:
C + O2 → CO2 + Q1
Cách 2: Chuyển than nguyên chất thành CO theo phản ứng:
C +
2
1O2 → CO + Q2
Từ CO chuyển tiếp thành CO2 theo phản ứng:
CO +
2
1O2 → CO2 + Q3
Sơ đồ minh hoạ:
C
Q2 Q3
CO
Q1
CO2
Theo định luật Heccer, chất đầu tham gia phản ứng (C) và sản phẩm của phản ứng (CO2)
giống nhau nên có hiệu ứng nhiệt giống nhau:
Q
1 = Q2 + Q3
Trong thực nghiệm, hiệu ứng nhiệt của quá trình đốt than thành CO không thể đo trực
tiếp được vì khi than cháy không bao giờ chỉ cho CO mà còn cho một ít CO2. Nhưng thực
nghiệm lại đo trực tiếp được
Q1 = 97 KCal/M và Q3 = 68 KCal/M.
Từ đó dễ dàng suy ra giá trị
Q2 = Q1 - Q3 = 97 KCal - 68 KCal
Q
2 = 29 KCal/M.
Định luật Heccer có ý nghĩa rất quan trọng đối với hệ sinh vật. Trong hệ sinh vật diễn ra
nhiều phản ứng phức tạp, cho đến nay vẫn còn nhiều phản ứng trung gian chưa có thể đo
trực tiếp được hiệu ứng nhiệt. Dựa vào định luật Heccer có thể giải quyết được khó khăn
này.
V. Định luật I nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật
Người đầu tiên tiến hành thí nghiệm để chứng minh tính đúng đắn của định luật I nhiệt
động học khi áp dụng vào hệ thống sống là hai nhà khoa học Pháp Lavoisier và Laplace
vào năm 1780. Đối tượng thí nghiệm là chuột khoang. Thí nghiệm cách ly cơ thể khỏi
môi trường bên ngoài bằng cách nuôi chuột trong nhiệt lượng kế ở nhiệt độ 0oC. Dùng
một lượng thức ăn đã xác định trước để nuôi chuột thí nghiệm.
Trong cơ thể chuột sẽ diễn ra các phản ứng phân huỷ thức ăn tới sản phẩm cuối cùng là
khí CO2 và H2O, đồng thời giải phóng ra nhiệt lượng Q1. Nếu coi ở điều kiện 0oC, chuột
đứng yên, không thực hiện công mà chỉ sử dụng nhiệt lượng giải phóng ra do oxy hoá
thức ăn để cung cấp nhiệt lượng cho cơ thể và tỏa nhiệt ra môi trường, qua nhiệt kế đo
được sự tăng nhiệt độ, theo công thức sẽ tính được nhiệt lượng Q1. Đồng thời lấy một
lượng thức ăn tương đương với lượng thức ăn đã cho chuột ăn trước khi thí nghiệm đem
đốt cháy trong bom nhiệt lượng kế cũng tới khí CO2 và H2O, giải phóng ra nhiệt lượng
Q2. So sánh hai kết quả thí nghiệm thấy giá trị Q1 tương đương với Q2. Điều này chứng tỏ
nhiệt lượng giải phóng ra từ các phản ứng hoá sinh diễn ra trong cơ thể sống hoàn toàn
tương đương với nhiệt lượng giải phóng ra từ các phản ứng ôxy hoá diễn ra ở ngoài cơ
thể sống. Nói cách khác, hiệu ứng nhiệt của quá trình ôxy hoá chất diễn ra ở trong cơ thể
sống và hiệu ứng nhiệt của quá trình ôxy hoá chất diễn ra ở ngoài cơ thể sống là hoàn
toàn tương đương.
Để tăng độ chính xác của thí nghiệm, sau này có nhiều mô hình thí nghiệm của nhiều
nhà nghiên cứu được tiến hành nhưng đáng chú ý nhất là của Atwater và Rosa vào năm
1904.
Đối tượng thí nghiệm là người và thời gian thí nghiệm là một ngày đêm (24 giờ). Trong
thời gian thí nghiệm, cho người tiêu thụ một lượng thức ăn nhất định, thông qua đo lượng
khí ôxy hít vào (hay khí CO2 thở ra), nhiệt thải ra từ phân và nước tiểu... sẽ tính được
hiệu ứng nhiệt của các phản ứng phân huỷ thức ăn diễn ra ở cơ thể người trong 24 giờ.
Đồng thời đốt lượng thức ăn tương đương với lượng thức ăn mà người đã tiêu thụ ở trong
bom nhiệt lượng kế sẽ đo được nhiệt lượng toả ra. Kết quả thí nghiệm:
Hiệu ứng nhiệt của các phản ứng diễn ra ở cơ thể người trong 24 giờ:
Nhiệt lượng toả ra xung quanh : 1374 KCal
Nhiệt lượng toả ra do thở ra : 181 KCal
Nhiệt lượng 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
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
Lưu ý: Khi ôxy hoá 1 gam Protein ở trong bom nhiệt lượng kế tới khí CO2 và H2O, giải
phóng ra 5,4 KCal còn trong cơ thể sống phân giải 1 gam Protein tới urê chỉ giải phóng
khoảng 4,2 KCal. Khi oxy hoá hoàn toàn 1 gam Gluxit, giải phóng khoảng 4,2 KCal còn
ôxy hoá hoàn toàn 1 gam Lipit giải phóng từ 9,3 đến 9,5 KCal.
Kết quả thí nghiệm của Atwater và Rosa khẳng định năng lượng chứa trong thức ăn sau
khi cơ thể tiêu thụ đã chuyển thành năng lượng giải phóng thông qua quá trình phân giải
bởi các phản ứng hoá sinh diễn ra trong cơ thể sống. Năng lượng chứa trong thức ăn và
năng lượng giải phóng ra sau khi cơ thể phân giải thức ăn là hoàn toàn tương đương.
Nhiệt lượng trong cơ thể người được chia làm hai loại là nhiệt lượng cơ bản (hay nhiệt
lượng sơ cấp) và nhiệt lượng tích cực (hay nhiệt lượng thứ cấp). Nhiệt lượng cơ bản xuất
hiện ngay sau khi cơ thể hấp thụ thức ăn và tiêu thụ ôxy để thực hiện phản ứng ôxy hoá