1
Bài 1
CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
1.1. MỘT SỐ KHÁI 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, đc biệt là các quy luật c liên quan ti các biến đổi nhiệt
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 c thể chỉ rõ quá trình đ c xảy ra hay không, và chiều tiến triển
của quá trình đ 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 đc 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 n không trao đổi vật chất và năng lượng
vi môi trường bên ngoài.
+ Hệ kín: Hệ c 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 n trao đổi vật chất và năng lượng vi môi
trường xung quanh.
- Lưu ý: Cơ thể sinh vật là một hệ mở nhưng n khác vi các hệ mở khác ở ba
điểm: Cơ thể là một dng tồn ti đc biệt của protid và các chất khác to thành cơ thể,
cơ thể c 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 c một thông số trng thái của
hệ sẽ thay đổi, hay hệ đã thực hiện một quá trình nhiệt động.
2
- 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, n c 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, n phản ánh khả
năng sinh công của một hệ.
Năng lượng c 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 đ là
định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng: "Năng luợng không tự sinh ra, không tự
mất đi, n 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 ĐỘNG LỰC HỌC
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 đ khảo sát sự c mt
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 c 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 c 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:
12
u
u
UUdUU2
1
3
- Khi chuyển hệ từ trng thái này sang trng thái khác thì năng lượng (nội năng)
của hệ thay đổi. C hai cách khác nhau để làm năng lượng của hệ thay đổi là: Thực
hiện công và truyền nhiệt.
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 c nhiệt độ t1 sang vật c 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
t.c.mQ
Trong đ: m là khối lượng của vật, c là 1 hằng số phụ thuộc vào bản chất của vật.
21 ttttt
.
- 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 nng 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 n tăng lên 10C:
t.m
Q
c
c đc 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 c liên quan đến sự dịch chuyển vĩ mô của hệ dưi tác
dụng của những lực nào đ thì đ là sự thực hiện công.
Thí dụ công thực hiện để nâng 1 vật lên cao. Công được kí hiệu bằng chữ A.
Công đc trưng cho tương tác về phương diện năng lượng
- Công cơ học là một đi lượng đc biệt đc trưng cho tác dụng của một vật này
lên vật khác và gây ra sự dịch chuyển.
Công của 1 lực
F
thực hiện làm dịch chuyển vật một quãng đường
thì công
được xác định:
cos... SFSFA
4
Nếu lực
F
là vật di chuyển trên quỹ đo BC bất kỳ thì công c thể được xác định:
dSFdAA
BCBC .
Đối vi 1 khối khí trong quá trình đẳng nhiệt công khối khí được xác định bằng
công thức :
2
1
V
V
dVpA .
Đơn vị của công là Jun (J)
* Liên hệ giữa công và nhiệt lượng:
- Công và nhiệt lượng đều c thứ nguyên của năng lượng nhưng không phải là dng
năng lượng của hệ mà chỉ là những đi lượng đc trưng cho mức độ trao đổi năng lượng.
- Sự truyền năng lượng ni chung được thực hiện dưi hai hình thức khác nhau
đ là sự truyền nhiệt lượng và sự thực hiện công cơ học.
- Công và nhiệt lượng chỉ xuất hiện trong các quá trình, do đ n 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 đ:
Động năng (Wd) là phần năng lượng ứng vi chuyển động c 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 c một hệ nào đ 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 đt 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.
5
Định luật Hess:
Nội dung: Năng lượng sinh ra bởi quá trình hoá học phức tp không phụ thuộc
vào các giai đon trung gian mà chỉ phụ thuộc vào các trng thái ban đầu và cuối cùng
của hệ hoá học.
Hnh 1.1. Minh họa định luật Hess
- Trng thái ban đầu: A (A1, A2, A3…); Trng thái cuối: B (B1, B2, B3…)
- Trng thái trung gian: C (C1, C2, C3…), (M1, M2, M3…), (N1, N2, N3…)
Theo định luật Hess: E = E1 + E2 = E3 + E4 + E5
Ý nghĩa: Định luật Hess được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực y học để xác định
khả năng sinh nhiệt của thức ăn trong cơ thể.
Muốn xác định khả năng sinh nhiệt này người ta đốt thức ăn trong bình đo nhiệt
và xác định nhiệt toả ra. Nhiệt lượng này bằng nhiệt lượng sinh ra trong quá trình oxy
hoá thức ăn trong cơ thể.
VD: Đốt cháy C theo hai cách:
C1: C + 1/2O2 = CO + 26,42 kcal
CO + 1/2O2 = CO2 + 67,63 kcal
C2: C + O2 = CO2 + 94,05 kcal
1.2.5. Áp dụng nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học cho hệ thống sống
1.2.5.1. Các dạng công trong cơ thể
Hot động sinh công của cơ thể khác vi các máy nhiệt thông thường, n được
sinh ra do sự thay đổi của hệ thống sống nhờ các quá trình sinh ha trong cơ thể.
Trong cơ thể c 4 dng công cơ bản.
- Công hoá học: Công sinh ra khi tổng hợp các chất c trọng lượng cao phân tử
từ các chất c trọng lượng phân tử thấp. Thí dụ công sinh ra khi tổng hợp protein,
axidnucleic…
- Công cơ học: là công sinh ra khi dịch chuyển các bộ phận của cơ thể, các cơ
quan trong cơ thể hoc toàn bộ cơ thể nhờ các lực cơ học. Công cơ học được thực hiện
bởi cơ khi chúng co li.
C1,C2,C3…
A1,A2,A3
…
B1,B2,B3…
M1,M2,M3.
..
N1,N2,N3…
E
E4
E3
E2
E1
E5