Nhiệt động học các hệ sinh vật

NHIỆT ĐỘNG HỌC CÁC HỆ SINH VẬT ThS. Đặng Vũ Hoàng Phân viện Vật lý Y Sinh học. NHIỆT ĐỘNG HỌC CÁC HỆ SINH VẬT Tài liệu : Giáo trình Vật lý Lý sinh (Học viện quân y 1986)– Vũ Công Lập Lý sinh Y học (Đại học Y HN 1998) –Phan Sỹ An Медицинская биофизика 1978 – Губанов Н. И. Краткий справочник по физике 1978 – Карякин Н. И. Nguyên lý I : dU = dQ + dA Nguyên lý II : khả năng xảy ra và chiều hướng diễn biến của các quá trình nhiệt động. NHIỆT ĐỘNG HỌC CÁC HỆ SINH VẬT Hiệu ứng năng lượng Sự chuyển hóa Chiều hướng Tùy đặc tính tương tác với môi trường: 1.Hệ cô lập 2.Hệ mở 3.Hệ kín Nguyên lý I “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” dU = dQ + dA Năng lượng? Công? • Công hóa học • Công cơ học • Công thẩm thấu • Công điện Nhiệt? 1.Sơ cấp 2.Thứ cấp ATP Q1 ADP + ~ P E Mặt trời, Đồ ăn Q1 Ai Q2 Bảo toàn năng lượng trong cơ thể sống: Cơ thể không phải là nguồn năng lượng mới Thức ăn Năng lượng = Công sinh ra bởi cơ thể oxy hoá Cô lập – Đo nhiệt lượng thải ra Thế kỷ 18: Lavoadie – Laplace Đo trên chuột; E (oxy hoá thức ăn trong cơ thể) = E (đốt thức ăn trong nhiệt lượng kế) Etuvatơ: E thải ra (đo nhiệt trực tiếp) E vào (oxy hấp thụ, CO2, Nitơ, Urê … thải)  E vào =  E ra Đưa vào (Kcal) Thải ra (Kcal) Thức ăn: 56,8g protit 237 Q qua da 1374 140g lipit 1307 Khí thở ra 43 79,9g glucit 335 Phân và nước tiểu 23 Bay hơi đường hô hấp 181 Bay hơi qua da 227 Bổ chính 11 : 1879  1859 lipit → 9,3 Kcal 1g glucit → 4,2 Kcal protit → 4,2 Kcal Định luật Herz: Q1 = Q2 + Q3 = Q4 + Q5 + Q6 Ví dụ: C + O2 = CO2 + 97 Kcal/mol (-) CO + ½ O2 = CO2 + 68 Kcal/mol C + ½ O2 = CO + 29 Kcal/mol A C D B E Q4 Q5 Q6 Q3Q2 NGUYÊN LÝ II “Nhiệt không thể tự động truyền từ vật lạnh sang vật nóng” “Không thể có một quá trình biến đổi chuyển toàn bộ nhiệt lượng thành công” “Tự nhiên có xu hướng đi từ trạng thái có xác suất nhỏ đến trạng thái có xác suất lớn hơn” Mô tả hoạt động của máy nhiệt : • Cả chu trình kín thực hiện công ΔA = diện tích hình A1B2A • U1 là năng lượng của hệ ở A • U2 là năng lượng của hệ ở B • Khi dãn nở hệ nhận nhiệt lượng Q1 để thực hiện công A1. Ta có Q1=U2-U1+A1 • Khi nén hệ tỏa ra nhiệt lượng –Q2 và thực hiện công A2. Ta có –Q2=U1-U2+A2 • Công ΔA cả chu trình thực hiên = Q1-Q2 • Hiệu suất của máy = ΔA/Q1=(Q1- Q2)/Q1=1-Q2/Q1 • Quá trình bất thuận nghịch : làm biến đổi môi trường xung quanh (thực hiện công) • Quá trình thuận nghịch : quá trình nghịch tiến hành theo chiều ngược lại và trải qua tất cả các trạng thái trung gian như quá trình thuận, nhận năng lượng bao nhiêu trong quá trình thuận thì cũng trả lại môi trường bấy nhiêu trong quá trình nghịch, vì vậy không biến đổi môi trường xung quanh. • Nhiệt năng  Năng lượng khác • Lí do : năng lượng nhiệt liên quan tới chuyển động hỗn loạn của các hạt vi mô trong khi mọi dạng năng lượng khác lại gắn bó với những chuyển động có trật tự của chúng • Các quá trình tự nhiên không thuận nghịch : Năng lượng từ mức cao đến mức thấp Giảm các Gradien Giảm độ trật tự của hệ cô lập Phân tán 1 phần năng lượng dưới dạng nhiệt. Phần năng lượng này càng lớn thì tính không thuận nghịch càng cao. Gradien • Gradien của hàm f : véc tơ cho ta biết mức độ thay đổi của đại lượng f • Trong không gian 3 chiều : grad(f) là vec tơ gồm 3 thành phần [∂f/∂x; ∂f/∂y; ∂f/∂z] cho ta biết mức độ thay đổi của f trong không gian cả về độ lớn và hướng. • Ví dụ: trong hệ sinh vật có rất nhiều gradien như: gradien nồng độ gây ra bởi sự phân phối không đồng đều các vật chất khác nhau trong và ngoài tế bào, gradien điện trên màng tế bào do nồng độ khác nhau của các ion K và Na… Entropi • Định nghĩa 1 : S = k.lnW Xác suất nhiệt động W: số trạng thái vi mô ứng với cùng 1 trạng thái vĩ mô của hệ. k là hằng số Boltzman = R/N) R: hằng số khí = 8.314 472 J·K-1·mol-1 N: số Avôgadrô = 6.022 1415 × 1023 k = 1.380 6505 × 10-23 J·K-1 • Định nghĩa 2 : S = Q/T “Trong hệ cô lập thì các quá trình nhiệt động tự diễn tiến luôn đưa hệ từ trạng thái có W nhỏ tới trạng thái có W lớn và cuối cùng dẫn tới trạng thái cân bằng nhiệt động có W và S cực đại” • Entropi là hàm trạng thái • Entropi có thể cộng được tương tự như nội năng. • Entropi là 1 đại lượng cho ta thấy mức độ hỗn loạn của hệ • Giả sử 1 hệ cô lập có 2 phần nhiệt độ T1 và T2 truyền nhiệt lượng dQ cho nhau. (T1<T2) dS1 = dQ/T1; dS2 = -dQ/T2 Khi đó dS = dS1+dS2 = dQ/T1-dQ/T2 > 0 Như vậy sau quá trình truyền nhiệt thì S tăng lên. Năng lượng tự do • Ta có S = Q/T • dS = dQ/T • dQ = T.dS • Thay vào biểu thức của ng lý I (dU = dQ + dA) được dU = dA + T.dS • dA là công sinh ra và đc gọi là sự thay đổi của năng lượng tự do dF, ta có • dU = dF + T.dS • Dưới dạng giá trị tuyệt đối U = F + T.S • Ng lý II cho rằng: một quá trình bất kỳ xảy ra trong 1 hệ cô lập có thể thuận nghịch hay bất thuận nghịch. Quá trình thuận nghịch : năng lượng tự do không đổi. Quá trình bất thuận nghịch : năng lượng tự do giảm xuống. F tăng lên? hệ nhận thêm E từ bên ngoài • Các quá trình chuyển hóa trong hệ cô lập vì vậy sẽ xảy ra cho đến khi năng lượng tự do giảm về không và Entropi đạt cực đại . Trạng thái này đc gọi là trạng thái cân bằng nhiệt động : hệ hoàn toàn không có khả năng sinh công và mất trật tự. Trong cơ thể, trong các quá trình lý sinh và hóa sinh luôn có 1 phần năng lượng tự do bị mất dưới dạng nhiệt. Hiệu suất của quá trình = A/dF ≤1 (=1 trong quá trình thuận nghịch) Hiệu suất 1 số quá trình : Glucoliz: 0,36 Oxy hoá – Photphorin hoá 0,55 Co cơ: 0,40 Quang hợp: 0,75 Hệ thống sinh vật – Mâu thuẫn với nguyên lý II ? • Hệ sinh vật không phải là hệ cô lập, là hệ mở, luôn trao đổi chất và năng lượng với môi trường. Vì vậy mà nó có trật tự cao, có cấu trúc đặc thù đc bảo toàn và phát triển, các gradien luôn duy trì, khả năng sinh công luôn dồi dào; tức là S không những không tăng mà còn có thể giảm và F không hề tiến tới ko. Điều này không mâu thuẫn với ng lý II, vì hệ thống sinh vật không cô lập mà nhận F từ môi trường. Sự thay đổi dF và dS trong cơ thể có 2 thành phần: diF và diS ứng với các quá trình lý sinh và hóa sinh trong cơ thể (diF0 tuân theo ng lý II); deF và deS quy định bởi tương tác giữa hệ với môi trường (deF>0 và deS<0 do hệ lấy thức ăn từ môi trường đồng thời thải ra chất cặn bã và nhiệt lượng). dF = diF + deF dS = diS + deS Có 3 trường hợp : |deS| = |diS| dS=0 (trạng thái cân bằng dừng) |deS| 0 (S thải ra môi trường nhỏ hơn S sinh ra trong hệ thống) |deS| > |diS| dS<0 (S thải ra môi trường lớn hơn S sinh ra trong hệ thống) Biểu thức toán học của nguyên lý II với cơ thể sống : dS/dt = diS/dt + deS/dt Trạng thái cân bằng dừng Dòng vật chất ra và vào hệ không đổi Cần tiêu phí năng lượng tự do để duy trì trạng thái dừng F và khả năng sinh công không đổi S không đổi Các gradien trong hệ được duy trì diS/dt = - deS/dt diF/dt = - deF/dt dS/dt = 0 dF/dt = 0 S = const F = const Khi điều kiện sống thay đổi quá lớn thì cơ thể sẽ chuyển sang 1 trạng thái dừng mới phù hợp hơn (trạng thái nghỉ ngơi # tập thể thao). Có 3 phương thức chuyển trạng thái dừng: a)Tiệm tiến b)Độ lệch dư c)Xuất phát giả a c b Kết luận Hệ cô lập : tăng S, giảm F, tăng mức độ hỗn loạn, giảm các gradien  Cân bằng NĐ Hệ thống sinh vật : trao đổi cả vật chất lẫn năng lượng với môi trường, độ trật tự cao, khả năng sinh công dồi dào  Cân bằng dừng Áp dụng vào Y học • Hệ nhiệt động thông thường : P,V,T • Hệ thống sinh vật : số đại lượng có thể làm tham số trạng thái rất nhiều, có độ biến thiên rộng và độ đặc trưng cá thể lớn. • Tuy nhiên, trong y học, với từng bệnh cụ thể ta chỉ quan tâm tới những tham số trạng thái nhất định. Ví dụ như trong bệnh xơ vữa mạch máu, các tham số quan trọng là Triglycerid, Cholesterol, HDL-Cholestrol, LDL-Cholestrol. • 1 vài tham số được xét phổ biện trong hầu hết các bệnh là nhiệt độ, nhịp tim, huyết áp. Ứng dụng của nhiệt Nhiệt trị liệu Nhiệt đồ Dao mổ nhiệt (laser) ATP –liên kết giàu năng lượng Phản ứng thủy phân : ATP + H2O = ADP + H3PO4 Không đủ cho cơ hoạt động 1s  tổng hợp ATP tại cơ Phosphocreatin + ADP  ATP + creatin Đủ cho cơ hoạt động vài s. Tổng hợp nhờ phân hủy glycogen (một dạng tích trữ của glucose có nhiều trong cơ). Glucose + 3H3PO4 + 2ADP  2lactat + 2ATP + 2H2O Lượng lactat nhiều sẽ tạo cảm giác mỏi mệt và cũng kìm hãm quá trình tổng hợp ATP.