BỘ LAO ĐỘNG - THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI
TRƯNG CAO ĐNG ĐẠI VIỆT SÀI GÒN
GIO TRNH
MÔN HC: VẬT LÝ - LÝ SINH
NGÀNH: NGÀNH DƯỢC
TRNH Đ!: CAO ĐNG
(Lưu hành nội bộ)
Bài 1
CC NGUYÊN LÝ NHIỆT Đ!NG LỰC HC
1.1. M!T SỐ KHI NIỆM CƠ BẢN
1.1.1. Nhiệt động học
Nhiệt động học là một bộ phận của vật lý học nghiên cứu các quá trình biến đổi năng
lượng trong tự nhiên, đă ăc biê ăt là các quy luâ ăt c9 liên quan t:i các biến đổi nhiê ăt
thành các d<ng năng lượng khác.
Nhiệt động học khảo sát các quá trình, chiều tiến triển của các quá trình v:i một tập
hợp rất l:n các phần tử t<o thành một hệ thống vật.
Thí dụ: Khái niệm áp suất, nhiệt độ của 1 khối khí là khái niệm của một tập hợp rất
l:n các phần tử chứ không phải của một phần tử riêng lẻ.
Nhiệt động học không trả lời cho ta biết cơ chế của hiện tượng này hay hiện tượng
khác mà chỉ c9 thể chỉ rõ quá trình đ9 c9 xảy ra hay không, và chiều tiến triển của quá
trình đ9 trên quan điểm năng lượng.
1.1.2. Hệ nhiệt động
Hệ nhiệt động (gọi tắt là hệ): Là một tập hợp gồm rất nhiều các phần tử, kích thư:c
của hệ l:n hơn rất nhiều so v:i kích thư:c của phần tử trong hệ.
- Phân lo<i hệ nhiệt động: Tuỳ theo đặc tính tương tác của hệ v:i môi trường xung
quanh mà chia hệ làm 3 lo<i:
+ Hệ cô lập: Hệ được gọi là cô lập khi n9 không trao đổi vật chất và năng lượng v:i
môi trường bên ngoài.
+ Hệ kín: Hệ c9 trao đổi năng lượng nhưng không trao đổi vật chất v:i môi trường
xung quanh.
+ Hệ mở: Hệ được gọi là hệ mở khi n9 trao đổi vật chất và năng lượng v:i môi
trường xung quanh.
- Lưu ý: Cơ thể sinh vật là một hệ mở nhưng n9 khác v:i các hệ mở khác ở ba điểm:
Cơ thể là một d<ng tồn t<i đặc biệt của protid và các chất khác t<o thành cơ thể, cơ thể c9
khả năng tự tái t<o, tự phát triển.
Các hệ thống sống trong quá trình tồn t<i phải thực hiện trao đổi vật chất và năng
lượng v:i môi trường xung quanh. Hai quá trình trao đổi này không thể tách rời nhau mà
bổ sung cho nhau, t<o điều kiện cho nhau. Việc khảo sát các quá trình trao đổi chất và
năng lượng của cơ thể sống làm sáng tỏ ý nghĩa vật lý của sự sống, làm rõ điều kiện tồn
t<i, duy trì và phát triển của sự sống, làm ta thấy rõ tầm quan trọng của môi trường sống.
- Thông số tr<ng thái của hệ:
Ở mỗi thời điểm hệ mang những tính chất vật lý và hoá học nhất định. Tập hợp các
tính chất này quyết định tr<ng thái của hệ.
Thông thường tr<ng thái của hệ được mô tả nhờ các thông số tr<ng thái: Nhiệt độ T,
áp suất p, thể tích V, nội năng U, entropi S, nồng độ C…
Khi hệ chịu một quá trình biến đổi thì ít nhất cũng c9 một thông số tr<ng thái của hệ
sẽ thay đổi, hay hệ đã thực hiện một quá trình nhiệt động.
1
- Chu trình: là quá trình nhiệt động học khép kín, hệ sau hàng lo<t các biến đổi l<i
trở về tr<ng thái ban đầu.
Những quá trình năng lượng xảy ra trên cơ thể sống cũng như trong các hệ thống
sống đều tuân theo các nguyên lý của nhiệt động học. Bởi vì những nguyên lý này thiết
lập dựa trên sự tổng quát hoá các dữ liệu thực nghiệm, n9 c9 vai trò to l:n trong lí thuyết
cũng như trong thực hành kỹ thuật.
- Năng lượng: là độ đo d<ng chuyển động xác định của vật chất, n9 phản ánh khả
năng sinh công của một hệ.
Năng lượng c9 thể biến đổi từ d<ng này sang d<ng khác. Trên cơ sở của các nghiên
cứu tự nhiên, vật lý đã thiết lập được định luật tổng quát nhất của tự nhiên đ9 là định luật
bảo toàn và chuyển hoá năng lượng: "Năng luợng không tự sinh ra, không tự mất đi, n9
chỉ biến đổi từ d<ng này sang d<ng khác, từ vật này sang vật khác". Các quá trình xảy ra
trong cơ thể sống cũng tuân theo các định luật này.
1.2. NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT Đ!NG LỰC HC
Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học là định luật bảo toàn và biến đổi năng lượng
ứng dụng vào các hệ và các quá trình nhiệt động. Trong đ9 khảo sát sự c9 mặt của nội
năng, nhiệt lượng và công mà hệ thực hiện.
1.2.1. Nội năng
- Khái niệm: Là năng lượng dự trữ toàn phần của tất cả các d<ng chuyển động và
tương tác của tất cả các phần tử nằm trong hệ.
- Nội năng kí hiệu là U và bao gồm các thành phần sau:
+ Động năng chuyển động hỗn lo<n của các phân tử (tịnh tiến và
quay). + Thế năng gây bởi các lực tương tác phân tử
+ Động năng và thế năng chuyển động dao động của các nguyên tử trong phân tử. +
Năng lượng ở vỏ điện tử của các nguyên tử và ion, năng lượng trong h<t nhân nguyên tử.
Đối v:i khí lí tưởng nội năng là tổng động năng chuyển động nhiệt của các phân tử
cấu t<o nên hệ.
Lưu ý: Động năng chuyển động c9 hư:ng và thế năng tương tác của hệ v:i môi
trường xung quanh không phải là thành phần của nội năng.
- Đặc điểm của nội năng
+ Mỗi hệ đều c9 nội năng xác định, trong các quá trình biến đổi ta không xác định
chính xác giá trị của nội năng mà chỉ xác định độ biến thiên nội năng ∆U. + Giá trị của
nội năng phụ thuộc vào tr<ng thái của hệ, U là hàm đơn giá của tr<ng thái. + Khi hệ thực
hiện 1 chu trình thì ∆U = 0.
+ Khi hệ biến đổi từ tr<ng thái 1 đến tr<ng thái 2:
u 2
  
U dU U U 2 1
u 1
- Khi chuyển hệ từ tr<ng thái này sang tr<ng thái khác thì năng lượng (nội năng) của
hệ thay đổi. C9 hai cách khác nhau để làm năng lượng của hệ thay đổi là: Thực hiện công
và truyền nhiệt.
2
1.2.2. Nhiệt lượng
Sự truyền nhiệt là hình thức trao đổi năng lượng làm tăng mức độ chuyển động hỗn
lo<n của các phân tử của hệ.
Thí dụ: sự truyền nhiệt từ vật c9 nhiệt độ t1 sang vật c9 nhiệt độ t2.
Quá trình truyền nhiệt dừng l<i khi nhiệt độ của hai vật bằng nhau và bằng t
thì: t2 < t < t1
Năng lượng trao đổi giữa 2 vật gọi là nhiệt lượng và được xác định
Q m.c.t
Trong đ9: m là khối lượng của vật, c là 1 hằng số phụ thuộc vào bản chất của vật.
1 2 t t t t t.
- Nhiệt lượng: Là lượng năng lượng được trao đổi trực tiếp giữa các phân tử chuyển
động hỗn lo<n của những vật tương tác v:i nhau.
Đơn vị của nhiệt lượng là Calo (cal), là nhiệt lượng làm n9ng 1 gam nư:c từ 14,50C
lên 15,50C.
- Nhiệt dung riêng c: Nhiệt lượng cần truyền cho một đơn vị khối lượng vật chất để
nhiệt độ của n9 tăng lên 10C:
Q
c
m. t
c đặc trưng cho bản chất của vật trao đổi năng lượng.
c(H2O) = 1 cal/g.độ.
Trong cơ thể, các bộ phận khác nhau thì c khác nhau. Giá trị của nhiệt dung càng
gần nhiệt dung riêng của nư:c thì tỉ lệ nư:c trong mô càng l:n.
Thí dụ: c(máu) = 0,93cal/g.độ
c(Cơ thể sống) 0,8 cal/g.độ.
c(xương) 0,3 - 0,4 cal/g.độ
1.2.3. Công
- Sự truyền năng lượng c9 liên quan đến sự dịch chuyển vĩ mô của hệ dư:i tác dụng
của những lực nào đ9 thì đ9 là sự thực hiện công.
Thí dụ công thực hiện để nâng 1 vật lên cao. Công được kí hiệu bằng chữ
A. Công đặc trưng cho tương tác về phương diện năng lượng
- Công cơ học là mô ăt đ<i lượng đă ăc biê ăt đă ăc trưng cho tác dụng của mô ăt vâ ăt
này lên vâ ăt khác và gây ra sự dịch chuyển.
Công của 1 lực F thực hiện làm dịch chuyển vật một quãng đường S thì công
được xác định: A F.S F.S.cos
Nếu lực F là vật di chuyển trên quỹ đ<o BC bất kỳ thì công c9 thể được xác
định: .
A dA F dS
BC BC
3
Đối v:i 1 khối khí trong quá trình đẳng nhiệt công khối khí được xác định bằng
công thức :
V
 2
A p.dV
V
1
Đơn vị của công là Jun (J)
* Liên hệ giữa công và nhiệt lượng:
- Công và nhiệt lượng đều c9 thứ nguyên của năng lượng nhưng không phải là d<ng
năng lượng của hệ mà chỉ là những đ<i lượng đặc trưng cho mức độ trao đổi năng lượng.
- Sự truyền năng lượng n9i chung được thực hiê ăn dư:i hai hình thức khác nhau đ9
là sự truyền nhiê ăt lượng và sự thực hiê ăn công cơ học.
- Công và nhiệt lượng chỉ xuất hiện trong các quá trình, do đ9 n9 là hàm quá
trình. Đương lượng công của nhiệt là: J = A/Q = 4,18 J/Calo
Đương lượng nhiệt của công là: J = Q/A = 0,24 Calo/J
1.2.4. Nguyên lý
Năng lượng của hệ bao gồm động năng, thế năng và nội năng của hệ.
W = Wd + Wt + U (1.1) Trong đ9:
Động năng (Wd) là phần năng lượng ứng v:i chuyển động c9 hư:ng của cả hệ.
Thế năng (Wt) ứng v:i phần năng lượng tương tác của hệ trong trường lực.
Nội năng (U) là năng lượng bên trong của hệ.
- Giả sử c9 một hệ nào đ9 nhận nhiệt lượng δQ, nếu hệ không thực hiện công thì
toàn bộ năng lượng này dùng làm tăng nội năng U của hệ 1 lượng dU: δQ = dU
Nếu hệ thực hiện công δA thì :
δA = δQ - dU δQ = δA + dU (1.2)
(1.2) là biểu thức toán học của nguyên lý I - NĐH.
Phát biểu: Nhiệt lượng truyền cho hệ dùng làm tăng nội năng và biến thành công
thực hiện bởi lực của hệ đặt lên môi trường ngoài.
Hệ quả:
- Nếu δQ = 0 thì δA = -dU: Nếu không cung cấp nhiệt lượng muốn hệ sinh công δA
nội năng phải giảm một lượng dU.
- Theo một chu trình: dU = 0, nếu δQ = 0 thì δA = 0: Hệ không thể sinh công hay
không thể chế t<o động cơ vĩnh cửu lo<i I là những động cơ không cần cung cấp năng
lượng vẫn sinh công mà nội năng không đổi.
- Hệ cô lập: nếu δQ = 0, δA = 0 thì dU = 0 hay nội năng của hệ được bảo toàn.
1.2.5. p dụng nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học cho hệ thống
sống 1.2.5.1. Các dạng công trong cơ thể
4
Ho<t động sinh công của cơ thể khác v:i các máy nhiệt thông thường, n9 được sinh ra do sự
thay đổi của hệ thống sống nhờ các quá trình sinh h9a trong cơ thể.