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, đă ăc biê ăt là các quy luâ ăt c) 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 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 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 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 đặc 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.
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, 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) 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 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
UUdUU
2
1
- 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.
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 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 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 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 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:
cos... SFSFA
Nếu lực
F
là vật di chuyển trên quỹ đ,o BC bất kỳ thì công c) thể được xác định:
3
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 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 n)i chung được thực hiê ăn dư*i hai hình thức khác nhau đ)
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 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 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. Áp 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, 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 hoặc toàn bộ cơ thể nhờ các lực cơ học. Công cơ học được thực hiện bởi cơ
khi chúng co l,i.
- Công thẩm thấu: là công vận chuyển các chất khác nhau qua màng hay qua hệ đa
màng từ vùng c) nồng độ thấp sang vùng c) nồng độ cao.
- Công điện: Là công vận chuyển các h,t mang (các ion) trong điện truờng, t,o nên
hiệu điện thế và các dòng điện. Trong cơ thể, công điện được thực hiện khi sinh ra điện
thế sinh vật và dẫn truyền kích thích trong tế bào.
Đối v*i cơ thể, nguồn năng lượng để thực hiện tất cả các d,ng công là năng lượng
hoá học của thức ăn (protid, lipid, glucid) toả ra khi bị oxy hoá.
Đầu tiên năng lượng của thức ăn được chuyển hoá thành những liên kết giàu năng
lượng mà chủ yếu là ATP. Sau đ) ATP phân huỷ trong các tổ chức tương ứng của tế bào
và giải ph)ng năng lượng cần thiết để sinh công.
Tất cả các quá trình sinh công trong tế bào chỉ xảy ra khi sử dụng năng lượng ATP,
do đ) ATP được gọi là nhiên liệu v,n năng.
1.2.5.2. Các dạng nhiệt lượng trong cơ thể
Tính chất sinh nhiệt là tính chất tổng quát của hệ thống sống, n) đặc trưng cho các tế
bào đang c) chuyển h)a cơ bản. Những chức năng sinh lý bất kỳ cũng kéo theo sự sinh
nhiệt. Nguồn gốc nhiệt lượng cung cấp cho người là thức ăn. Thức ăn do cơ thể sử dụng
thông qua quá trình đồng h)a để cải t,o các tổ chức t,o thành chất dự trữ vật chất, năng
lượng trong cơ thể, phát sinh nhiệt để duy trì nhiệt độ của cơ thể chống l,i sự mất nhiệt và
môi trường xung quanh và dùng để sinh công trong các ho,t động sống.
Nhiều thí nghiệm trên động vật và người chứng tỏ rằng khi không sinh công ở môi
trường ngoài, nhiệt lượng tổng cộng do cơ thể sinh ra gần bằng nhiệt lượng sinh ra do đốt
các vật chất hữu cơ nằm trong thành phần thức ăn cho t*i khi thành CO2 và H2O.
Khi đ), nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học áp dụng cho hệ thống sống được viết
dư*i d,ng:
∆Q = ∆E + ∆A + ∆M
Trong đ): ∆Q: Năng lượng sinh ra do quá trình đồng hoá thức ăn
∆E: Năng lượng mất mát ra môi trường xung quanh
∆A: Công cơ thể thực hiện để chống l,i lực bên ngoài
∆M: Năng lượng dự trữ dư*i d,ng hoá năng
Đây cũng là phương trình cơ bản của cân bằng nhiệt đối v*i cơ thể người.
5