Giáo trình Vật lý
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, đꢀc biệt là các quy luật cꢁ liên quan tꢂi các biến đổi nhiệt
thành các dꢃng năng lượng khác.
Nhiệt động học khảo sát các quá trình, chiều tiến triển của các quá trình vꢂi một
tập hợp rất lꢂn các phần tử tꢃo 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 lꢂn 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 cꢁ thể chỉ rõ quá trình đꢁ cꢁ xảy ra hay không, và chiều tiến triển
của quá trình đꢁ 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
thưꢂc của hệ lꢂn hơn rất nhiều so vꢂi kích thưꢂc của phần tử trong hệ.
- Phân loꢃi hệ nhiệt động: Tuỳ theo đꢀc tính tương tác của hệ vꢂi môi trường
xung quanh mà chia hệ làm 3 loꢃi:
+ Hệ cô lập: Hệ được gọi là cô lập khi nꢁ không trao đổi vật chất và năng lượng
vꢂi môi trường bên ngoài.
+ Hệ kín: Hệ cꢁ trao đổi năng lượng nhưng không trao đổi vật chất vꢂi môi
trường xung quanh.
+ Hệ mở: Hệ được gọi là hệ mở khi nꢁ trao đổi vật chất và năng lượng vꢂi môi
trường xung quanh.
- Lưu ý: Cơ thể sinh vật là một hệ mở nhưng nꢁ khác vꢂi các hệ mở khác ở ba
điểm: Cơ thể là một dꢃng tồn tꢃi đꢀc biệt của protid và các chất khác tꢃo thành cơ thể,
cơ thể cꢁ khả năng tự tái tꢃo, tự phát triển.
Các hệ thống sống trong quá trình tồn tꢃi phải thực hiện trao đổi vật chất và năng
lượng vꢂi môi trường xung quanh. Hai quá trình trao đổi này không thể tách rời nhau mà
bổ sung cho nhau, tꢃo 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
tꢃi, duy trì và phát triển của sự sống, làm ta thấy rõ tầm quan trọng của môi trường sống.
- Thông số trꢃng 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 trꢃng thái của hệ.
Thông thường trꢃng thái của hệ được mô tả nhờ các thông số trꢃng 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 cꢁ một thông số trꢃng 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 loꢃt các biến đổi lꢃi
trở về trꢃng 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, nꢁ cꢁ vai trò to lꢂn trong lí
thuyết cũng như trong thực hành kỹ thuật.
- Năng lượng: là độ đo dꢃng chuyển động xác định của vật chất, nꢁ phản ánh khả
năng sinh công của một hệ.
Năng lượng cꢁ thể biến đổi từ dꢃng này sang dꢃng khác. Trên cơ sở của các
nghiên cứu tự nhiên, vật lý đã thiết lập được định luật tổng quát nhất của tự nhiên đꢁ là
định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng: "Năng luợng không tự sinh ra, không tự
mất đi, nꢁ chỉ biến đổi từ dꢃng này sang dꢃng 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 đꢁ khảo sát sự cꢁ mꢀt
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 dꢃng 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 loꢃn 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 hꢃt nhân
nguyên tử.
Đối vꢂi khí lí tưởng nội năng là tổng động năng chuyển động nhiệt của các phân
tử cấu tꢃo nên hệ.
Lưu ý: Động năng chuyển động cꢁ hưꢂng và thế năng tương tác của hệ vꢂi môi
trường xung quanh không phải là thành phần của nội năng.
- Đặc điểm của nội năng
+ Mỗi hệ đều cꢁ 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 trꢃng thái của hệ, U là hàm đơn giá của
trꢃng thái.
+ Khi hệ thực hiện 1 chu trình thì ∆U = 0.
+ Khi hệ biến đổi từ trꢃng thái 1 đến trꢃng thái 2:
u2
U dU U U
2
1
u1
2
- Khi chuyển hệ từ trꢃng thái này sang trꢃng thái khác thì năng lượng (nội năng)
của hệ thay đổi. Cꢁ 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 loꢃn của các phân tử của hệ.
Thí dụ: sự truyền nhiệt từ vật cꢁ nhiệt độ t1 sang vật cꢁ nhiệt độ t2.
Quá trình truyền nhiệt dừng lꢃi 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 đꢁ: m là khối lượng của vật, c là 1 hằng số phụ thuộc vào bản chất của vật.
t t1 t t t2
.
- Nhiệt lượng: Là lượng năng lượng được trao đổi trực tiếp giữa các phân tử
chuyển động hỗn loꢃn của những vật tương tác vꢂi nhau.
Đơn vị của nhiệt lượng là Calo (cal), là nhiệt lượng làm nꢁng 1 gam nưꢂc 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 nꢁ tăng lên 10C:
Q
c
m.t
c đꢀc 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 nưꢂc thì tỉ lệ nưꢂc trong mô càng lꢂn.
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 cꢁ liên quan đến sự dịch chuyển vĩ mô của hệ dưꢂi tác
dụng của những lực nào đꢁ thì đꢁ là sự thực hiện công.
Thí dụ công thực hiện để nâng 1 vật lên cao. Công được kí hiệu bằng chữ A.
Công đꢀc trưng cho tương tác về phương diện năng lượng
- Công cơ học là một đꢃi lượng đꢀc biệt đꢀc trưng cho tác dụng của một vật này
lên vật khác và gây ra sự dịch chuyển.
S
F
Công của 1 lực
được xác định:
thực hiện làm dịch chuyển vật một quãng đường
thì công
A F.S F.S.cos
3
F
Nếu lực là vật di chuyển trên quỹ đꢃo BC bất kỳ thì công cꢁ thể được xác định:
A dA F.dS
BC
BC
Đối vꢂi 1 khối khí trong quá trình đẳng nhiệt công khối khí được xác định bằng
công thức
:
V2
A p.dV
V1
Đơn vị của công là Jun (J)
* Liên hệ giữa công và nhiệt lượng:
- Công và nhiệt lượng đều cꢁ thứ nguyên của năng lượng nhưng không phải là dꢃng
năng lượng của hệ mà chỉ là những đꢃi lượng đꢀc trưng cho mức độ trao đổi năng lượng.
- Sự truyền năng lượng nꢁi chung được thực hiện dưꢂi hai hình thức khác nhau
đꢁ là sự truyền nhiệt lượng và sự thực hiện công cơ học.
- Công và nhiệt lượng chỉ xuất hiện trong các quá trình, do đꢁ nꢁ 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 đꢁ:
Động năng (Wd) là phần năng lượng ứng vꢂi chuyển động cꢁ hưꢂng của cả hệ.
Thế năng (Wt) ứng vꢂi phần năng lượng tương tác của hệ trong trường lực.
Nội năng (U) là năng lượng bên trong của hệ.
- Giả sử cꢁ một hệ nào đꢁ 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 đꢀt 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 tꢃo động cơ vĩnh cửu loꢃi 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.
4
Định luật Hess:
Nội dung: Năng lượng sinh ra bởi quá trình hoá học phức tꢃp không phụ thuộc
vào các giai đoꢃn trung gian mà chỉ phụ thuộc vào các trꢃng thái ban đầu và cuối cùng
của hệ hoá học.
C1,C2,C3…
E
E1
E2
A1,A2,A3
B1,B2,B3…
E3
E5
E4
M1,M2,M3.
N1,N2,N3…
Hꢀnh 1.1. Minh họa định luật Hess
- Trꢃng thái ban đầu: A (A1, A2, A3…); Trꢃng thái cuối: B (B1, B2, B3…)
- Trꢃng 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
Hoꢃt động sinh công của cơ thể khác vꢂi các máy nhiệt thông thường, nꢁ được
sinh ra do sự thay đổi của hệ thống sống nhờ các quá trình sinh hꢁa trong cơ thể.
Trong cơ thể cꢁ 4 dꢃng công cơ bản.
- Công hoá học: Công sinh ra khi tổng hợp các chất cꢁ trọng lượng cao phân tử
từ các chất cꢁ 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 hoꢀc toàn bộ cơ thể nhờ các lực cơ học. Công cơ học được thực hiện
bởi cơ khi chúng co lꢃi.
5
- Công thẩm thấu: là công vận chuyển các chất khác nhau qua màng hay qua hệ
đa màng từ vùng cꢁ nồng độ thấp sang vùng cꢁ nồng độ cao.
- Công điện: Là công vận chuyển các hꢃt mang (các ion) trong điện truờng, tꢃo
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 vꢂi cơ thể, nguồn năng lượng để thực hiện tất cả các dꢃng 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 đꢁ ATP phân huỷ trong các tổ chức tương ứng
của tế bào và giải phꢁng 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 đꢁ ATP được gọi là nhiên liệu vꢃn 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, nꢁ đꢀc trưng cho các
tế bào đang cꢁ chuyển hꢁa 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 hꢁa để cải tꢃo các tổ chức tꢃo thành chất dự trữ vật chất,
năng lượng trong cơ thể, phát sinh nhiệt để duy trì nhiệt độ của cơ thể chống lꢃi sự mất
nhiệt và môi trường xung quanh và dùng để sinh công trong các hoꢃt 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 tꢂi khi thành CO2 và H2O.
Khi đꢁ, nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học áp dụng cho hệ thống sống được
viết dưꢂi dꢃng:
∆Q = ∆E + ∆A + ∆M
Trong đꢁ: ∆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 lꢃi lực bên ngoài
∆M: Năng lượng dự trữ dưꢂi dꢃng hoá năng
Đây cũng là phương trình cơ bản của cân bằng nhiệt đối vꢂi cơ thể người.
Ví dụ kết quả cân bằng nhiệt ở một người sau một ngày đêm khi không sinh công:
Năng lượng toả ra (kcal)
Thức ăn đưa vào cơ thể
Protêin: 56,8 g tꢃo 237 Kcal
Lipid: 140,0 g tꢃo 1307 kcal
Năng lượng toả ra xung quanh:
Năng lượng toả ra qua khí thải:
1374
43
Glucid : 79,98 g tꢃo 335 Kcal Phân và nưꢂc tiểu:
Năng lượng bốc hơi qua hệ hô hấp:
23
181
227
31
Năng lượng bốc hơi qua da:
Các số liệu chính khác:
Tổng:
Tổng:
1879 kcal
1879
6
Nhiệt lượng được sinh ra ở cơ thể được chia làm hai loꢃi:
- Nhiệt lượng sơ cấp (còn gọi là nhiệt lượng cơ bản) xuất hiện do kết quả phân
tán năng lượng nhiệt trong quá trình trao đổi vật chất bởi những phản ứng hꢁa sinh
(xảy ra không thuận nghịch). Nhiệt lượng này tỏa ra lập tức ngay sau khi cơ thể hấp
thu thức ăn và oxy.
- Nhiệt lượng thứ cấp (còn gọi là nhiệt lượng tích cực) xuất hiện trong quá trình
oxy hꢁa thức ăn được dự trữ trong các liên kết giàu năng lượng (ATP). Khi các liên kết
này đứt, chúng giải phꢁng năng lượng để thực hiện một công nào đꢁ và cuối cùng biến
thành nhiệt. Nhiệt lượng tỏa ra khi đứt các liên kết giàu năng lượng dự trữ trong cơ thể
để điều hòa các hoꢃt động chủ động của cơ thể được quy ưꢂc là nhiệt thứ cấp.
Ở điều kiện bình thường, trong cơ thể cꢁ sự cân bằng giữa các loꢃi nhiệt lượng
tức là sự giảm nhiệt lượng sơ cấp sẽ dẫn tꢂi tăng nhiệt lượng thứ cấp và ngược lꢃi. Vꢂi
các hoꢃt động bình thường của cơ thể, năng lượng dự trữ vào các liên kết giàu năng
lượng chiếm khoảng 50%, vꢂi các quá trình bệnh lí thì năng lượng toả ra dưꢂi dꢃng
nhiệt lượng sơ cấp sẽ chiếm phần lꢂn, khi ấy cường độ tꢃo các liên kết giàu năng
lượng sẽ giảm xuống.
Tỷ lệ giữa hai loꢃi nhiệt lượng trên còn phụ thuộc vào cường độ toả nhiệt và
cường độ sinh nhiệt của cơ thể. Nếu cơ thể tăng toả nhiệt thì cũng tăng sinh nhiệt để
nhiệt độ của cơ thể không đổi. Nhiệt lượng này là nhiệt lượng loꢃi hai sản ra do co cơ
hoꢀc do tiêu dần năng lượng dự trữ của cơ thể (tiêu mỡ như động vật ngủ đông).
1.2.5.3. Một số quá trình biến đổi năng lượng trên cơ thể sống
- Năng lượng trong quá trình co cơ
+ Nhận xét: Hầu hết công do cơ thể sinh ra đều là kết quả của quá trình co cơ.
Khi cơ co, chiều dài cơ bị rút ngắn và tꢃo nên 1 lực F, lực này cꢁ giá trị phụ thuộc
chiều dài cơ.
x2
F(x)dx
A =
cơ
x1
F(x): Lực phát sinh do cơ co; x: chiều dài cơ; dx: biến đổi nhỏ của chiều dài cơ
F
Fmax
Xmin
38
34
30
20
Hꢀnh 1.2
+ Việc tính A về lý thuyết cꢁ thể dựa vào đồ thị (1.2) theo công thức:
Amax= 0,45 Fmax. xmax
7
Trong đꢁ: Fmax là lực lꢂn nhất do co cơ sinh ra, xmax là chiều dài bị rút ngắn
lꢂn nhất.
+ Đꢀc điểm:
Ac
Để đánh giá quá trình co cơ ta dùng hiệu suất:
Amax
Ac công trong thực tế
Amax : Công tổng cộng theo lí thuyết
Cơ sử dụng năng lượng để duy trì sự căng thẳng của cơ và 1 phần chuyển thành
nhiệt năng (khoảng 1,6.10-2 J/kg.s)
Hiệu suất cơ phụ thuộc vào giꢂi tính, tuổi tác, quá trình tập luyện, nghề nghiệp…
ở độ tuổi 25 - 28 thì hiệu suất cơ lꢂn nhất.
η
100%
Nam
75
50
ữ
Nư
̃
25
0
Tuổi
20
40
60
Hꢀnh 1.3
Năng lượng co cơ: Được lấy từ ATP.
• ATP cꢁ sẵn trong cơ (không nhiều)
• ATP tổng hợp thông qua phản ứng:
Phosphocreatin + ADP → ATP + Creatin
• Phân huỷ glycogen:
Glucose + 3H3PO4 + 2ADP → 2lactat + 2ATP + 2H2O
Khi cơ co mꢃnh máu nhất thời không được cung cấp đủ phản ứng này tꢃo năng
lượng cho cơ đủ để hoꢃt động đꢁ là quá trình cung cấp năng lượng yếm khí.
- Công trong hô hấp
+ Định nghĩa: Đꢁ là công thực hiện bởi các cơ hô hấp để thắng tất cả các lực cản
khi thông khí.
+ Đꢀc điểm: Công hô hấp không được xác định trực tiếp mà xác định gián tiếp
bằng công thức: tích số của áp suất và thể tích thay đổi tương ứng:
Ahh = p.dV
• Thể tích tăng thì Ahh tăng
• Trong thực tế cꢁ thể xác định Ahh bằng phế dung kế
8
• Thở sâu và thở vꢂi tần số thích hợp thì chi phí cho Ahh là nhỏ nhất (phụ thuộc
vào hệ thống điều khiển hô hấp và quá trình luyện tập)
- Năng lượng ở tim mạch
+ Tim giống như 1 cái bơm hoꢃt động thường xuyên để tꢃo ra áp suất đẩy máu
vào mꢃch. Do các van ở tim và ở mꢃch máu trong hệ tuần hoàn mà máu chuyển động
theo 1 chiều xác định.
+ Đꢀc điểm
• Công suất cơ học của tim khoảng 1,3 - 1,4 W (nhỏ hơn rất nhiều so vꢂi giá trị
chuyển hoá cơ bản toàn cơ thể ~ 100 W)
• Tim ngoài việc thực hiện công cơ học còn liên tục hoꢃt động để giữ 1 độ căng
nhất định gọi là trương lực.
• Công tổng cộng của tim ~ 13 W gồm:
* Tꢃo áp suất đẩy máu (p)
* Tꢃo độ căng nhất định của cơ tim gọi là trương lực (T)
• Áp lực và trương lực quan hệ vꢂi nhau bởi công thức:
1
1
p T( )
r2
r
1
(Biểu thức định luật Laplace)
p: áp lực; T: Trương lực
r1, r2 là bán kính của hai trục chính vuông gꢁc vꢂi nhau của mꢀt lồi và mꢀt lõm.
+ Nếu cơ tim bị giãn rộng ra thì r1, r2 tăng suy ra T tăng bởi vì:
1
T p
1
1
r
r2
1
+ Nếu năng lượng để sinh T tăng thì giá trị công tꢃo p giảm, trꢃng thái đꢁ nếu
dần đến một giá trị giꢂi hꢃn sẽ dẫn đến suy tim.
+ Năng lượng của cơ tim được lấy từ liên kết hoá học giàu năng lượng ATP.
ATP lấy từ sự phân ly đường đơn glucose: Oxy hoá phospho lipid (chủ yếu)
+ Hiệu suất sử dụng năng lượng của cơ tim rất lꢂn, lúc lao động nꢀng cꢁ thể lên
tꢂi 20 - 30%.
1.3. NGUYÊN LÝ THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
Nhược điểm của nguyên lý 1 là không cho biết chiều diễn biến của quá trình biến
đổi từ nhiệt và công, chỉ cho biết sự liên quan về lượng giữa chúng khi chúng tham gia
vào quá trình cho trưꢂc.
Nguyên lý 2 độc lập và khắc phục hꢃn chế của nguyên lý 1, nꢁ xác định chiều
diễn biến của quá trình vĩ mô và cho phép đánh giá khả năng sinh công của các hệ
nhiệt động khác nhau.
9
1.3.1. Một vài thông số nhiệt động quan trọng
1.3.1.1. Entropi
- Xét ví dụ: hệ là một bình kín chia làm 2 phần A, B bằng nhau. Trong bình cꢁ 6
phần tử giống nhau đánh số từ 1 đến 6. Cꢁ các khả năng xảy ra như sau:
Số phần tử Số cách phân phối (Xác suất nhiệt động học W) Xác suất toán học
A
B
6
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
1
6
1/64
6/64
15
20
15
6
15/64
20/64
15/64
6/64
1
1/64
Tổng cộng
64
1
Xác suất nhiệt động học W cho ta thấy số cách cꢁ thể phân phối các phần tử để
tꢃo ra 1 trꢃng thái của hệ. W luôn lꢂn hơn hoꢀc bằng 1. Còn xác suất toán học cho khả
năng xảy ra một biến cố nào đꢁ.
Nhận xét:
+ W lꢂn ở khả năng 4 - 2 và 3 - 3
+ Nếu để tự diễn biến thì các quá trình trong tự nhiên cꢁ xu hưꢂng dần tꢂi trꢃng
thái số phần tử bên A bằng số phần tử bên B.
+ Cꢁ thể sử dụng lnW để xác định chiều hưꢂng diễn biến của quá trình trong tự nhiên.
- Định nghĩa hàm entropi:
Đꢃi lượng S = k.lnW gọi là entropi của hệ.
Trong đꢁ: S: Entropi
k: Hằng số Bozlman, k = 1,381.10-23 J/K
W: Xác suất nhiệt động học
Khi W lꢂn thì S lꢂn. Như vậy trꢃng thái cꢁ entropi lꢂn là trꢃng thái dễ xảy ra.
- Biến thiên entropi:
Gọi T là nhiệt độ tuyệt đối, ∆Q là nhiệt lượng mà hệ trao đổi, S là entropi của hệ
Q
dS
thì độ biến thiên entropi, ta cꢁ:
T
Qi
Ti
n
Nếu T thay đổi thì
S
i1
B Q
S
T
A
10
Hay
∆S = SB - SA
Nhận xét:
- Entropi là hàm trꢃng thái nghĩa là chỉ phụ thuộc vào trꢃng thái đầu và trꢃng thái
cuối mà không phụ thuộc vào quá trình thay đổi trꢃng thái.
- S là đꢃi lượng cꢁ tính cộng được. Entropi của 1 hệ phức tꢃp bằng tổng entropi
của từng phần riêng rẽ. S = S1 + S2 + …
+ S được xác định sai khác 1 hằng số cộng
+ So là giá trị của S tꢃi gốc tính toán, Quy ưꢂc So = 0 khi T = 0K
+ Đơn vị của S là J/K
- Hệ nhận nhiệt thì, ∆Q > 0, dS > 0, entropi của hệ tăng.
- Hệ toả nhiệt thì, ∆Q < 0, dS < 0, entropi của hệ giảm.
Như vậy, Entropi cho ta khái niệm về mức độ hỗn loꢃn của các phân tử trong hệ.
Vꢂi 1 hệ cô lập S càng tăng thì mức độ hỗn loꢃn của hệ càng tăng, nghĩa là tính trật tự
của hệ giảm.
1.3.1.2. Gradien
Gradien của một tham số nào đꢁ bằng hiệu giá trị của tham số đꢁ ở hai điểm đꢁ
chia cho khoảng cách giữa hai điểm đꢁ. Gradien là một đꢃi lượng vectơ, cꢁ giá trị về
độ lꢂn và hưꢂng.
Ví dụ: Gradien nồng độ: (C1 - C2)/dx = dC/dx.
Trong đꢁ: C1: Giá trị nồng độ ở vị trí thứ nhất.
C2: Giá trị nồng độ ở vị trí thứ hai.
dx: khoảng cách giữa vị trí 1 và vị trí 2
Ở tế bào sống cꢁ rất nhiều gradien bởi trong tế bào các chất khác nhau cꢁ nồng
độ khác nhau
K
Thí dụ: Nồng độ ion
= 30 ở bên trong tế bào còn ở ngoài màng tế bào
K
grad
K
= 1. thì
cꢁ hưꢂng đi từ trong màng tế bào ra ngoài.
Trong tế bào còn rất nhiều các gradien như: gradien thẩm thấu, gradien nồng độ,
gradien điện... Sự phát sinh xung động thần kinh liên quan mật thiết đến sự phân bố
không đồng đều các ion và xuất hiện gradien điện. Sự trương bào liên quan đến
gradien thẩm thấu… Ở các tế bào chết không còn các gradien.
1.3.1.3. Năng lượng tự do
Năng lượng tự do không phải là một dꢃng đꢀc biệt của năng lượng, đây chỉ là
quy ưꢂc gọi tên phần nội năng của hệ dùng để thực hiện công hay năng lượng tự do
đꢀc trưng cho khả năng sinh công của hệ.
Vꢂi quá trình thuận nghịch :
Q
dS =
T
→ δQ = T.dS
11
Nguyên lý I:
δQ = dU + δA
→ δA = δQ - dU
δA = TdS - dU
δA = - [U - T.S]
Đꢀt U - T.S = F, F gọi là năng lượng tự do của hệ:
δA = - δF
U = T.S + F
T.S là phần năng lượng không cꢁ khả năng biến thành công gọi là năng lượng
liên kết.
F = U - T.S là một phần của nội năng được dùng để thực hiện công, F đꢀc trưng
cho khả năng sinh công của hệ.
Trꢃng thái cân bằng nhiệt động: là trꢃng thái mà các thông số đꢀc trưng cho hệ cꢁ
giá trị xác định và không đổi khi không cꢁ những nguyên nhân bên ngoài làm thay đổi
chúng. Dĩ nhiên là không xảy ra hiện tượng truyền nhiệt, phản ứng hꢁa học…
Trꢃng thái cân bằng của một hệ cô lập:
Hệ cô lập:
giá trị U = F + TS = const.
Vì S chỉ giữ nguyên hoꢀc tăng nên phần năng lượng TS cũng giữ nguyên hoꢀc
tăng lên. Khi hệ tiến tꢂi trꢃng thái cân bằng, S đꢃt cực đꢃi nghĩa là TS đꢃt cực đꢃi
(năng lượng liên kết đꢃt cực đꢃi), nên năng lượng tự do đꢃt cực tiểu.
Trạng thái cân bằng nhiệt động của hệ cô lập được đặc trưng bằng entropi đạt
cực đại hay năng lượng tự do đạt cực tiểu.
1.3.2. Các cách phát biểu nguyên lý thứ hai - NĐH
- Tính trật tự của 1 hệ cô lập chỉ cꢁ thể giữ nguyên hoꢀc giảm dần.
- Không thể tồn tꢃi trong tự nhiên một chu trình mà kết quả duy nhất là biến nhiệt
thành công mà không để lꢃi dấu vết gì ở môi trường xung quanh.
- Trong các hệ cô lập, chỉ những quá trình nào kéo theo việc tăng entropi mꢂi cꢁ thể
tự diễn biến, giꢂi hꢃn tự diễn biến của chúng là trꢃng thái cꢁ trị số cực đꢃi của entropi.
- Những quá trình tự nhiên trong hệ cô lập diễn tiến theo phương hưꢂng làm suy
giảm gradien, tức là làm giảm năng lượng tự do của hệ. Giꢂi hꢃn của sự diễn tiến này
là trꢃng thái cꢁ gradien bằng không hoꢀc năng lượng tự do là cực tiểu.
1.3.3. Áp dụng nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học cho hệ thống sống
1.3.3.1. Trạng thái dừng
Theo nguyên lý II: Tính trật tự của hệ cô lập chỉ cꢁ thể giảm dần tương ứng vꢂi S
của hệ luôn tăng. Nhưng cơ thể sinh vật trong quá trình phát triển lꢃi luôn tꢃo ra những
tổ chức cꢁ trật tự ngày càng cao nghĩa là S giảm, điều này thoꢃt tiên ta thấy cꢁ vẻ cꢁ
những mâu thuẫn. Tuy nhiên cơ thể sống không phải là một hệ cô lập mà là một hệ mở
luôn cꢁ sự trao đổi chất và năng lượng vꢂi môi trường bên ngoài.
Bởi vì luôn cꢁ sự trao đổi vật chất và năng lượng vꢂi môi trường bên ngoài nên
hệ thống sống không thể nằm ở trꢃng thái cân bằng nhiệt động. Nꢁi cách khác, sự tồn
12
tꢃi trꢃng thái không cân bằng là điều kiện sống của cơ thể. Tuy nhiên cơ thể sống
không phải được đꢀc trưng bằng những thông số trꢃng thái bất kỳ mà nꢁ biểu hiện ở
trꢃng thái cꢁ các thông số lý hoá như các gradien, nhiệt độ, các đꢀc trưng động học,...
không đổi theo thời gian, trꢃng thái này được gọi là trꢃng thái dừng.
- Trꢃng thái dừng là trꢃng thái xảy ra ở hệ mở, trong đꢁ các thông số trꢃng thái
không thay đổi theo thời gian mà vẫn cꢁ dòng vật chất và năng lượng vào ra hệ.
- So sánh trꢃng thái dừng vꢂi trꢃng thái cân bằng nhiệt động học:
Trạng thái cân bằng nhiệt động học
Trạng thái dừng
Hệ kín, không cꢁ dòng vật chất ra và vào Hệ mở, vẫn cꢁ dòng vật chất vào và ra
hệ khỏi hệ
Trꢃng thái cân bằng được thiết lập ngay Được thiết lập khi cꢁ dòng dừng đi ra khỏi
sau khi quá trình biến đổi kết thúc.
hệ bằng dòng dừng đi vào hệ
Năng lượng tự do trong hệ bằng không
Năng lượng tự do trong hệ khác không và
bằng 1 hằng số F = const
Các gradien của hệ bằng 0
Các gradien của hệ cꢁ giá trị xác định
Trꢃng thái của hệ không thay đổi theo Trꢃng thái dừng nhanh chꢁng bị phá vỡ
thời gian
nếu tốc độ dòng dừng vào hệ không bằng
tốc độ dòng dừng ra khỏi hệ
Sự khác nhau cơ bản của trꢃng thái dừng và trꢃng thái cân bằng nhiệt động:
+ Trꢃng thái dừng hệ vẫn trao đổi vật chất và năng lượng vꢂi môi trường ngoài
+ Năng lượng tự do của hệ ở trꢃng thái dừng không đổi nhưng không bằng giá trị
cực tiểu nghĩa là khi ra khỏi trꢃng thái dừng hệ vẫn cꢁ khả năng sinh công.
I
- Hệ kín: Chất lỏng không đi vào bình từ
bên ngoài. Khi khoá K mở, dòng chất lỏng từ
bình I sang bình II. Sau 1 khoảng thời gian sự
cân băng được thiết lập và không còn dòng
chảy nữa (hình 1.4).
II
- Hệ mở: Khoá K1 và K3 điều chỉnh tốc
độ đi vào và đi ra của bình. Nếu K1, K2, K3 tốc
độ không đổi thì mức chất lỏng ở I và II không
đổi cho ta hình ảnh về trꢃng thái dừng. Nếu
thay đổi 1 trong các trꢃng thái khoá thì trꢃng
thái dừng sẽ bị phá vỡ.
K
K
Hꢀnh 1.4. Mô hꢀnh hệ cô lập
K1
II
I
Khoá K2 cho ta hình ảnh về chất xúc tác
làm ảnh hưởng tꢂi tốc độ phản ứng trong hệ
mở, khi thay đổi nồng độ chất xúc tác (thay đổi
tốc độ khoá K2) những mức mꢂi của chất lỏng
được thiết lập tꢃo nên những trꢃng thái cân
bằng mꢂi (hình 1.5).
K3
K
K2
Hꢀnh 1.5. Mô hꢀnh trạng thái dừng
13
- Mức của trꢃng thái dừng dễ dàng bị thay đổi phụ thuộc vào các điều kiện bên
trong và bên ngoài. Đối vꢂi con người, nếu thay đổi điều kiện lao động, nơi ở thì cꢁ sự
điều chỉnh lꢃi trꢃng thái dừng từ mức này sang mức khác. Cꢁ 3 dꢃng chuyển cơ bản
(hình 4.6).
Dꢃng I: Bưꢂc chuyển vꢂi lệch thừa. Thường quan sát thấy ở những người trẻ
tuổi. Quá trình hưng phấn cꢁ dꢃng đỉnh sꢁng.
Dꢃng II: Bưꢂc chuyển gần hàm mũ. Là bưꢂc chuyển tiết kiệm nhất. Hệ cꢁ xu
hưꢂng hoꢃt động vꢂi năng lượng tiêu thụ ít nhất. Xảy ra ở những nguời đứng tuổi.
Dꢃng III: Bưꢂc chuyển vꢂi mức xuất phát giả tꢃo. Quan sát thấy ở người già,
người bị tổn thương hoꢀc ốm.
v
+ Bưꢂc chuyển giữa các trꢃng thái
khác nhau phụ thuộc vào cường độ tác
dụng tác nhân kích thích.
I
+ Sự tiến hoá của trꢃng thái dừng
xảy ra theo chiều hưꢂng tiến tꢂi những
quá trình xảy ra vꢂi tốc độ cao hơn
nhưng vẫn bảo toàn trꢃng thái ổn định
của hệ.
II
III
t
+ Tốc độ phản ứng hoá học trong
hệ càng lꢂn thì hệ càng kém ổn định.
Hꢀnh 1.6
Minh họa ba dạng chuyển trạng thái cơ bản
1.3.3.2. Biến đổi entropi ở hệ thống sống
Tꢃi trꢃng thái dừng S của hệ cꢁ giá trị không đổi, khi chuyển từ trꢃng thái dừng
này đến trꢃng thái dừng khác, S thay đổi một lượng: ΔS = S2 - S1.
Đối vꢂi hệ mở trao đổi vật chất, năng lượng vꢂi môi trường ngoài. Sự thay đổi
entropi của hệ chia làm 2 phần: dS = dSi + dSe
Trong đꢁ: dSe độ biến thiên entropi gây bởi sự tương tác vꢂi môi trường xung quanh.
dSi là độ biến thiên entropi gây bởi những thay đổi bên trong hệ
Nếu ta cô lập hệ, dSe = 0 suy ra dS = dSi. Nhưng dSi chỉ cꢁ thể nhận giá trị dương
(khi trong hệ xảy ra các quá trình không thuận nghịch) hoꢀc bằng không nếu hệ chịu
những thay đổi thuận nghịch. Đối vꢂi cơ thể sống, những quá trình biến đổi bên trong
cơ thể (quá trình oxy hoá, phân huỷ thức ăn và sự tổng hợp các sản phẩm năng lượng
cao) đều là những quá trình không thuận nghịch nên dSi > 0 (gắn vꢂi việc tăng S).
Đꢃi lượng dSe cꢁ thể nhận giá trị bất kỳ âm, dương, hoꢀc bằng không. Do quá
trình tương tác vꢂi môi trường xung quanh (sử dụng thức ăn cao phân tử, tách khỏi cơ
thể những sản phẩm thoái hoá trong quá trình tiêu hoá, truyền nhiệt trực tiếp vào môi
trường xung quanh) tꢃo thành một dòng vật chất cꢁ năng lượng tự do thấp (S lꢂn) đi ra
khỏi cơ thể. Kết quả chung là hình như cꢁ 1 dòng entropi âm đi vào cơ thể.
+ Khi dSe = 0 thì dS = dSi, thay đổi entropi của hệ được xác định bằng thay đổi
bên trong hệ.
+ Khi dSe > 0 thì dS >0
+ Khi dSe < 0 cꢁ 3 trường hợp:
14
- Nếu
- Nếu
, dS > 0
dSe dSi
dSe dSi
, dS < 0 do tương tác vꢂi môi trường xung quanh mà entropi
của hệ giảm xuống, tính trật tự của hệ ngày càng tăng. Do đꢁ ta hiểu được vì sao có
những giai đoꢃn phát triển, hệ thống sống cꢁ tính trật tự ngày càng cao.
- Nếu
, dS = 0 Sự thay đổi entropi của hệ = 0, tương ứng vꢂi trꢃng thái dừng
dSe dSi
Hệ ở trꢃng thái cân bằng nhiệt động các thông số không đổi theo thời gian còn
khi hệ ở trꢃng thái dừng năng lượng tự do khác không, hệ vẫn cꢁ thể sinh công khi nꢁ
đi ra khỏi trꢃng thái dừng. Ta cꢁ:
dSi dSe
dS
dt
dt
dt
Khi hệ ở trꢃng thái dừng thì dS = 0 hay:
dSi
dt
dSe
dt
C 0
Biểu thức này cho thấy ở trꢃng thái dừng tốc độ tăng entropi trong cơ thể bằng
tốc độ trao đổi entropi vꢂi môi trường xung quanh và khác 0.
Tꢁm lꢃi: Để duy trì sự sống cần phải trao đổi vật chất và năng lượng vꢂi môi
trường ngoài. Nꢁi khác đi môi trường ngoài là điều kiện tồn tꢃi của hệ thống sống.
15
Bài 2
VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT TRONG CƠ THỂ SỐNG
2.1. HIỆN TƯꢁNG KHUẾCH TÁN
Ta đã biết, các phân tử luôn luôn chuyển động hỗn loꢃn nên khi để hai tập hợp
phân tử đủ gần nhau thì dù chúng ở thể rắn, lỏng hay khí chúng cũng chuyển động
ngẫu nhiên, xuyên lẫn vào nhau thì đꢁ là hiện tượng khuếch tán phân tử.
Trong một dung dịch cꢁ nồng độ chất hoà tan chưa bằng nhau, ở mọi điểm thì sự
khuếch tán sẽ dẫn đến hiện tượng san bằng nồng độ trên toàn thể tích.
Hiện tượng khuếch tán là hiện tượng di chuyển vật chất cꢁ bản chất là sự chuyển
động nhiệt hỗn loꢃn của các phân tử không tꢃo phương ưu tiên, tiến tꢂi trꢃng thái cân
bằng nồng độ, là trꢃng thái cꢁ xác suất nhiệt điện động cực đꢃi hoꢀc cꢁ entropi cực đꢃi
khi không cꢁ tương tác vꢂi môi trường ngoài.
Trong hiện tượng khuyếch tán rõ ràng không cần cꢁ tác dụng của ngoꢃi lực, cơ
thể cũng không cần tiêu tốn năng lượng mà chính sự không đồng nhất về nồng độ hay
nói cách khác chính sự tồn tꢃi của gradien nồng độ là nguồn động lực cho sự vận
chuyển cꢁ hưꢂng của các chất hoà tan.
Hiện tượng khuyếch tán diễn ra theo chiều sao cho gradien nồng độ giảm dần và sẽ
kết thúc khi gradien nồng độ bằng không, khi đꢁ sự chênh lệch về nồng độ bị triệt tiêu.
2.1.1. Khuyếch tán không qua màng
Để quan sát hiện tượng khuyếch tán không qua màng ta cꢁ thể quan sát thí
nghiệm đơn giản sau: đổ một giọt mực vào một cốc nưꢂc, sau một thời gian mꢀc dù ta
không hề tác động, song các phân tử mực vẫn sẽ loang rộng dần ra và đến một lúc nào
đꢁ toàn bộ cốc nưꢂc đều cꢁ một màu xanh của mực.
Như vậy, các phân tử mực và các phân tử nưꢂc đã chuyển động xen lẫn vào
nhau, đꢁ là sự khuyếch tán trong dung dịch.
2.1.2. Khuyếch tán qua màng xốp thấm tự do
Màng xốp thấm tự do là loꢃi màng cꢁ những lỗ cꢁ đường kính rất lꢂn so vꢂi
đường kính phân tử khuyếch tán.
Khi đꢀt hai dung dịch cꢁ nồng độ khác nhau ở hai phía của màng thì sẽ cꢁ hiện
tượng khuyếch tán xảy ra. Hiện tượng khuyếch tán này xảy ra tương tự như trường
hợp không cꢁ màng chắn nhưng xảy ra chậm hơn vì phần diện tích để các phân tử đi
qua bây giờ chỉ là phần diện tích tổng cộng của tất cả các lỗ.
* Vai trò của hiện tượng khuyếch tán trong các quá trình sống:
Trong cơ thể sinh vật, khuếch tán là một trong những hiện tượng vận chuyển vật
chất quan trọng nhất. Chẳng hꢃn trao đổi khí xảy ra ở phổi, ở các tế bào, các tổ chức sống
xảy ra theo cơ chế khuếch tán; các ion, Na+, Ca++, K+, Cl- khuếch tán qua lꢃi hai phía của
màng chính là nguyên nhân tꢃo nên các hoꢃt động điện của các tổ chức, các tế bào sống ...
2.2. HIỆN TƯꢁNG THẨM THẤU
Hiện tượng thẩm thấu xảy ra ở các màng bán thấm
Màng bán thấm cꢁ thể cho một hoꢀc một số loꢃi phân tử xuyên qua hoꢀc chỉ cho
dung môi mà không cho chất hoà tan đi qua.
16
Trong cơ thể hầu hết là các màng bán thấm bởi sự tồn tꢃi của tế bào phụ thuộc sự
thấm các chất cần thiết từ môi trường bên ngoài vào và loꢃi trừ những chất chuyển hoá
cꢀn bã từ đꢁ ra ngoài.
Thẩm thấu là quá trình vận chuyển dung môi qua một màng ngăn cách 2 dung
dịch cꢁ thành phần khác nhau khi không cꢁ các lực bên ngoài như trọng lực, lực điện
từ, lực đẩy pittong. Hai dung dịch cꢁ thể khác nhau về bản chất, nồng độ chất hoà tan.
Động lực học quá trình thẩm thấu là áp suất thẩm thấu.
2.2.1. Áp suất thẩm thấu
- Thí nghiệm: (hình 2.1).
+ Lấy một phễu thuỷ tinh đã bịt miệng bằng một
màng bán thấm (màng cꢁ tính chất chỉ cho các phân tử
nưꢂc đi qua, không cho các phân tử đường qua).
Nhúng ngược phễu vào chậu đựng nưꢂc cất sao cho
mꢀt nưꢂc cất trong chậu ngang bằng mꢀt dung dịch
nưꢂc đường trong phễu.
+ Sau một thời gian ta thấy: mꢀt dung dịch nưꢂc
đường trong phễu sẽ cao hơn mꢀt nưꢂc trong chậu một
khoảng bằng h.
Hꢀnh 2.1.
+ Phân tích nưꢂc trong chậu, người ta không thấy cꢁ phân tử đường, nghĩa là:
phân tử nưꢂc đã thấm qua màng.
- Giải thích thí nghiệm:
Ở trong chậu toàn phân tử nưꢂc, nên số phân tử nưꢂc trong chậu do chuyển động
hỗn loꢃn đập vào mꢀt ngoài của màng bán thấm nhiều hơn so vꢂi số các phân tử nưꢂc
trong dung dịch nưꢂc đường đập vào mꢀt trong của màng, cho nên số phân tử nưꢂc
thâm nhập từ chậu vào phễu lꢂn hơn từ phễu vào chậu, ta thấy mức dung dịch trong
phễu tăng lên - nhưng khi đꢁ áp suất thuỷ tĩnh trong phễu cũng tăng do đꢁ số phân tử
nưꢂc trong phễu bị ép quay trở lꢃi chậu tăng, đến một độ cao nào đꢁ của cột nưꢂc thì
số phân tử nưꢂc vào và ra bằng nhau, trꢃng thái cân bằng được thiết lập được gọi là
trꢃng thái cân bằng thẩm thấu.
- Nhận xét 1:
+ Ta thấy: Hình như nưꢂc bị ép từ chậu vào phễu bởi một áp lực, áp lực đꢁ được
gọi là áp suất thẩm thấu của dung dịch đường trong phễu. Nꢁi cách khác: áp suất thẩm
thấu của dung dịch nưꢂc đường chính là động lực của sự vận chuyển của các phân tử
nưꢂc từ chậu vào phễu.
+ Độ lꢂn của áp suất thẩm thấu chính bằng áp suất thủy tĩnh gây bởi cột nưꢂc
đường cꢁ chiều cao h so vꢂi mꢀt nưꢂc trong chậu.
Lꢀp lꢃi thí nghiệm nhưng vꢂi điều kiện thay nưꢂc cất trong chậu bằng dung dịch
nưꢂc đường kết quả cho thấy:
+ Khi nồng độ nưꢂc đường trong chậu nhỏ hơn trong phễu: mực dung dịch trong
phễu vẫn dâng lên nhưng đến độ cao h' nhỏ hơn h thì dừng lꢃi.
17
+ Khi nồng độ nưꢂc đường trong chậu lꢂn hơn trong phễu: mực nưꢂc đường
trong phễu tụt xuống thấp hơn mực dung dịch trong chậu, phân tử nưꢂc trong phễu bị
"hút" bꢂt ra chậu qua màng.
- Nhận xét 2: Qua thí nghiệm ta thấy: Mỗi dung dịch đều cꢁ một áp suất thẩm
thấu nhất định, nưꢂc sẽ bị hút về phía dung dịch cꢁ nồng độ lꢂn hơn.
- Kết luận: Áp suất thẩm thấu sinh ra do sự cꢁ mꢀt của các chất hoà tan trong
dung dịch. Nꢁ cꢁ tác dụng làm dung môi chuyển động về phía dung dịch và cꢁ độ lꢂn
bằng áp suất thuỷ tĩnh cần thiết làm ngừng sự thẩm thấu khi đꢀt dung dịch ngăn cách
vꢂi dung môi bằng một màng bán thấm.
2.2.2. Hiện tượng thẩm thấu
2.2.2.1. Đối với các dung dịch loãng không điện ly
Coi chuyển động của các phân tử chất tan trong dung dịch như chuyển động hỗn
loꢃn của các phân tử. Áp suất thẩm thấu xác định bằng phương trình Mendelep -
Claperon:
m
p
RT
.V
m
Trong đꢁ: P là áp suất thẩm thấu của dung dịch
m là khối lượng chất hoà tan
là trọng lượng phân tử chất hoà tan
Vm Thể tích dung dịch
R là hằng số khí, R = 8,31.103 J/kmol.độ
m
Thay
C là nồng độ của dung dịch ta cꢁ phương trình Vanhoff:
Vm
P = C.R.T
Khi nhiệt độ không đổi, áp suất thẩm thấu tỷ lệ thuận vꢂi nồng độ chất tan của
dung dịch.
Phương trình VanHoff nghiệm khá đúng vꢂi một số dung dịch loãng không điện
ly nhưng đối vꢂi một số dung dịch muối vô cơ thì áp suất thẩm thấu lꢂn hơn nhiều so
vꢂi giá trị tính được vì các chất điện li khi hoà tan vào dung môi sẽ phân ly thành các
ion, nếu các ion này không thấm qua màng bán thấm thì số lượng phân tử trong dung
dịch sẽ tăng lên dẫn tꢂi áp suất thẩm thấu cũng lꢂn lên.
2.2.2.2. Đối với dung dịch loãng điện li
Giả sử 1 dung dịch điện li nếu cꢁ a% số phân tử chất hoà tan bị phân li và mỗi
phân tử bị phân li thành n ion
Gọi N0 là số phân tử của chất hoà tan trong 1 đơn vị thể tích dung dịch.
N là số phân tử và ion trong 1 đơn vị thể tích dung dịch
Ta có:
N = N0.a.n + (1 - a).N0
N = [1 + a(n - 1)].N0
18
Vì áp suất thẩm thấu tỷ lệ vꢂi số phân tử trong 1 đơn vị thể tích nên đối vꢂi dung
dịch chất điện ly, áp suất thẩm thấu sẽ tăng lên i lần vꢂi i = 1 + a(n - 1) và i được gọi là
hệ số đẳng thẩm.
Phương trình VanHoff viết cho dung dịch điện ly loãng:
p = i.C.R.T
2.2.3. Cân bằng Donnan
Thực tế màng tế bào không cho các đꢃi phân tử và các ion lꢂn đi qua nhưng cho
các ion nhỏ của chất điện li đi qua, do vậy cꢁ sự phân phối lꢃi các chất điện li trong và
ngoài màng tế bào ảnh hưởng lên áp suất thẩm thấu.
Giả sử trong một màng bán thấm ngăn cách dung dịch điện li đꢃi phân tử R-Na+ ở
phần I vꢂi dung dịch điện li NaCl ở phần II.
Các ion Cl- cꢁ thể qua lꢃi 2 phía của màng còn R- thì không thể thấm qua màng.
Phần I
Màng
Phần II
t = 0 R-
C1
Na+
C1
Na+
C2
Cl+
C2
T
R-
Na+
Cl-
x
Na+
Cl-
C1
C1 + x
C2 - x
C2 – x
Do xu hưꢂng cân bằng “trung hoà về điện” nên số ion âm và dương qua màng
phải bằng nhau, khi đꢁ chi phí năng lượng là tối thiểu.
Số cꢀp ion từ II sang I: n21 = k.[Na+]2[Cl-]2
Số cꢀp ion từ I sang II: n12 = k.[Na+]1[Cl+]1 khi đꢃt trꢃng thái cân bằng
n12 = n21 suy ra [Na+]1[Cl+]1= [Na+]2[Cl-]2
2
x(C1 +x) = (C2- x)2 suy ra x = C2 /(C1 +2C2)
+ Trường hợp I: C1 << C2 thì x = C2/2 (R- ở trꢃng thái đầu rất nhỏ) cꢁ thể bỏ qua
lượng C1.
Ở trꢃng thái cân bằng động đã cꢁ 1/2 số phân tử NaCl từ ngoài vào trong màng.
+ Trường hợp II: C1 >> C2 (Nồng độ R- rất lꢂn) thì x = 0: NaCl ở ngoài hầu như
không thấm vào trong màng tế bào
+ Trường hợp III: C1 = C2 thì x = C2/3 Cꢁ 1/3 số phân tử chất điện ly ở ngoài
màng sẽ di chuyển vào trong màng.
Như vậy, khi cho tế bào tiếp xúc vꢂi các chất điện li cꢁ cùng loꢃi ion vꢂi muối
protein trong tế bào thì trong mọi trường hợp đều cꢁ một lượng chất điện li đi vào tế
bào dẫn đến sự thay đổi áp suất thẩm thấu và giá trị của áp suất thẩm thấu của màng tế
bào luôn lꢂn hơn áp suất thẩm thấu của môi trường, đꢁ chính là động lực gây nên dòng
chảy về phía các tế bào sống.
2.2.4. Ý nghĩa của áp suất thẩm thấu
- Hiện tượng thẩm thấu cꢁ vai trò quan trọng trong sự sống của các cơ thể động
thực vật. Áp suất thẩm thấu của các cơ quan khác nhau là khác nhau. Thí dụ: Thực vật
19
hút nưꢂc từ lòng đất nhờ Ptt = 5 - 20atm, một số cây ở sa mꢃc Ptt = 170atm, các tế bào
ở lá và ngọn cây áp suất thẩm thấu lꢂn hơn các tế bào ở rễ cây.
- Đối vꢂi con người:
Ptt giảm khi lượng nưꢂc đưa vào cơ thể nhiều hoꢀc do mất muối: gây co giật, nôn mửa...
Ptt tăng cao khi lượng muối vào cơ thể tăng gây ra sự mất nưꢂc của các niêm
mꢃc, dẫn đến cảm giác khát nưꢂc, mất thăng bằng của hoꢃt động thần kinh.
Thận đꢁng vai trò điều chỉnh áp suất thẩm thấu. Dung dịch mà áp suất thẩm thấu
bằng áp suất thẩm thấu của một dung dịch chuẩn gọi là dung dịch đẳng trương vꢂi dung
dịch chuẩn. Nưꢂc muối sinh lý cꢁ nồng độ 0,9% vꢂi áp suất thẩm thấu 7,7 atm là dung
dịch đẳng trương của máu. Dung dịch cꢁ Ptt< Ptt của dung dịch chuẩn gọi là dung dịch
nhược trương, dung dịch cꢁ Ptt > Ptt của dung dịch chuẩn gọi là dung dich ưu trương.
Nếu để trong dung dịch ưu trương, tế bào sẽ bị mất nưꢂc mà teo lꢃi. Nếu để trong
dung dịch nhược trương, tế bào sẽ bị vỡ vì cꢁ lượng nưꢂc quá nhiều đi vào. Vì vậy khi
rửa hồng cầu người ta phải dùng nưꢂc muối sinh lý.
Trong y học, khi mổ để bù lꢃi sự mất máu người ta phải đưa vào máu các dung
dịch đẳng trương bằng cách truyền huyết thanh hay nưꢂc muối sinh lý… Trong phẫu
thuật ổ bụng, người ta thường đꢀt những miếng gꢃc tẩm nưꢂc muối sinh lý để chống
lꢃi sự khô các dịch ở mꢀt trên của vùng phẫu thuật. Dung dịch ưu trương cũng được
dùng để chống lꢃi sự tăng nhãn áp, tꢃm thời người ta dùng dung dịch ưu trương để rút
lượng nưꢂc dư thừa từ buồng trưꢂc của mắt. Để rút mủ, vi khuẩn và các sản phẩm
thoái hoá từ vết thương người ta thường băng vết thương bằng những miếng gꢃc cꢁ
tẩm dung dịch ưu trương.
2.3. HIỆN TƯꢁNG LỌC Vꢂ SIÊU LỌC
Ta thường gꢀp hiện tượng lọc trong thực tế và trong đời sống hàng ngày.
Thí dụ: Lọc bột để loꢃi bỏ các hꢃt to, lọc nưꢂc để loꢃi bỏ các cꢀn đất...
* Định nghĩa:
Lọc là hiện tượng dung dịch chuyển thành dòng qua các lỗ của màng ngăn cách dưꢂi
tác dụng của lực đꢀt lên dung dịch như trọng lực, lực thủy tĩnh, lực ép của thành mꢃch...
Siêu lọc là hiện tượng lọc qua màng ngăn vꢂi các điều kiện sau:
- Màng lọc ngăn lꢃi các đꢃi phân tử (protein, polime cao phân tử...) và cho các
phân tử, các ion nhỏ đi qua tuân theo nguyên lý cân bằng Gift-Donnald.
- Cꢁ thêm tác dụng của áp suất thủy tĩnh. Tác dụng của áp suất thủy tĩnh làm
thay đổi lưu lượng của dòng dung dịch qua màng, cũng cꢁ thể làm đổi chiều của dòng.
Trong hiện tượng lọc - siêu lọc, dòng vật chất là dòng dung dịch tức bao gồm cả
dung môi và các chất hoà tan.
Dòng vật chất cꢁ thể vận chuyển ngược hoꢀc cùng chiều các gradien. Chiều vận
chuyển của dòng vật chất trong trường hợp này là chiều của tổng hợp các lực tác dụng
lên dung dịch.
Trong hiện tượng vận chuyển này cơ thể phải tiêu tốn năng lượng (ví dụ năng
lượng duy trì lực đẩy của tim, sự co giãn của thành mꢃch...). Năng lượng này sẽ do các
phân tử dự trữ năng lượng ATP cung cấp.
20
Tải về để xem bản đầy đủ
129 trang
05/05/2022
3780
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Vật lý", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_vat_ly.pdf
