Xem mẫu
- CHƯƠNG I
NHIỆT ĐỘNG HỌC HỆ THỐNG SỐNG
§1. CÁC KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU
I. Nhiệt động học hệ sinh vật và hướng nghiên cứu
Nhiệt động học hệ sinh vật nghiên cứu hiệu ứng năng lượng, sự chuyển hoá giữa
các dạng năng lượng, khả năng tiến triển, chiều hướng và giới hạn tự diễn biến c ủa các
quá trình xảy ra trong hệ thống sống.
Cơ thể sống trong quá trình sinh trưởng và phát triển đều có sử dụng năng lượng vì
vậy nhiệt động học hệ sinh vật là lĩnh vực cần được nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu
của nhiệt động học hệ sinh vật là cơ thể sống, đó là một hệ mở do luôn xảy ra sự trao đổi
vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh, có khả năng tự điều chỉnh, tự sinh
sản… Hiện nay nhiệt động học hệ sinh vật có các hướng nghiên cứu chủ yếu sau:
- Nghiên cứu sự chuyển biến năng lượng ở mức độ phân tử, tế bào, mô, cơ quan
hay toàn bộ cơ thể khi ở trạng thái sinh lý bình thường và trạng thái đang hoạt đ ộng. Xác
định hiệu suất sử dụng của các quá trình sinh vật và năng lượng liên kết trong các liên kết
của các cao phân tử sinh học.
- Nghiên cứu cơ chế tác động của sự thay đổi các yếu tố môi trường lên quá trình
chuyển hoá năng lượng và sự trao đổi năng lượng giữa cơ thể sống với môi trường.
II. Một số khái niệm và đại lượng cơ bản
- Hệ: Một vật hay một đối tượng cấu tạo bởi số lớn các phần tử gọi là một hệ
nhiệt động. Kích thước của hệ nhiệt động luôn luôn lớn hơn rất nhiều kích thước của các
phần tử cấu tạo nên nó. Hệ là một vật thể hay một nhóm vật thể được dùng làm đối
tượng để nghiên cứu. Ví dụ khi chọn cá thể để nghiên cứu thì cá thể là một hệ còn khi
chọn quần thể để nghiên cứu thì quần thể là một hệ.
- Hệ cô lập: Là hệ không có sự trao đổi vật chất và năng lượng giữa hệ với môi
trường xung quanh. Trên thực tế khó xác định được một hệ cô lập hoàn toàn nhưng ở qui
mô thí nghiệm các nhà khoa học có thể thiết kế được hệ cô lập như bom nhiệt lượng
dùng để nghiên cứu hiệu ứng nhiệt của các phản ứng oxy hoá.
- Hệ kín: Là hệ không trao đổi vật chất với môi trường xung quanh nhưng có trao
đổi năng lượng với môi trường xung quanh.
- Hệ mở: Là hệ có trao đổi cả vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh.
Ví dụ: cơ thể sống là một hệ mở.
- Tham số trạng thái: Là các đại lượng đặc trưng cho trạng thái của một hệ, ví dụ
như nhiệt độ, áp suất, thể tích, nội năng, entropi…
- Nhiệt độ: Là một đại lượng đặc trưng cho mức độ chuyển động hỗn loạn của các
phân tử (nhiệt độ càng cao thì độ hỗn loạn càng tăng). Có các thang nhiệt đ ộ bách phân
1
- (Celcius); thang nhiệt độ tuyết đối (Kelvin); thang nhiệt độ Farenheit (Mỹ); thang nhiệt độ
Réaumur (Pháp)
n 0 C = (0,8n) 0 R = (1,8n + 32) 0 F
t 0 C = T 0 K − 273,16
- Áp suất: áp suất là một đại lượng vật lý có giá trị bằng một lực nén vuông góc lên
một đơn vị diện tích
F
P=
S
Đơn vị: + Hệ SI: N / m 2 = Pa (Pascal)
+ 1at = 9,81.10 4 N / m 2
+ 1at = 760mmHg = 760Tor (Toricelli)
+ CGS: dyn / cm 2
- Trạng thái cân bằng: Là trạng thái trong đó các tham số trạng thái đạt một giá trị
nhất định và không đổi theo thời gian.
- Quá trình cân bằng: Là quá trình trong đó các tham số trạng thái thay đổi với tốc
độ chậm tới mức sao cho tại mỗi thời điểm có thể, xem như trạng thái của hệ là tr ạng
thái cân bằng.
- Quá trình thuận nghịch: Là quá trình biến đổi mà khi trở về trạng thái ban đầu
không kèm theo bất cứ một sự biến đổi nào của môi trường xung quanh.
- Quá trình bất thuận nghịch: Là quá trình biến đổi mà khi trở về trạng thái ban đầu
làm thay đổi môi trường xung quanh.
- Hàm trạng thái: đặc trưng cho trạng thái của hệ, khi sự biến thiên giá trị của nó
trong bất cứ quá trình nào cũng chỉ phụ thuộc vào giá trị đầu và giá trị cuối mà không phụ
thuộc vào con đường chuyển biến. Nội năng (U), năng lượng tự do (F), thế nhiệt động (Z
hay G), entanpi (H), entropi (S) là những hàm trạng thái.
- Năng lượng: là 1 đại lượng đặc trưng cho sự vận động của vật chất. Năng lượng
là đại lượng có thể đo được, có thể biến đổi một cách định lượng luôn theo cùng một tỉ lệ
thành nhiệt lượng. Năng lượng phản ánh khả năng sinh công của một hệ. Đơn vị dùng để
đo năng lượng là Calo (Cal) hay Joule (J), eV, W, erg. Trong cơ thể sống có các dạng năng
lượng sau:
+ Hóa năng: do gãy các liên kết …
+ Động năng: năng lượng để di dời vật chất, thay đổi tư thế…
+ Năng lượng sinh công thẩm thấu: vận chuyển vật chất qua màng
+ Năng lượng sinh công điện
+ Năng lượng sinh nhiệt: để duy trì nhiệt độ cơ thể để các phản ứng chuyển hóa
thuận lợi trong cơ thể.
Mối quan hệ giữa năng lượng và vật chất theo công thức Einstein: E = mc2
2
- - Công và nhiệt: Đó là hai hình thức truyền năng lượng từ hệ này sang hệ khác. Nếu
như sự truyền năng lượng từ hệ này sang hệ khác gắn liền với sự di chuyển vị trí của hệ
thì sự chuyền đó được thực hiện dưới dạng công. Ví dụ khi chạy 100 mét thì năng l ượng
tiêu tốn đã được dùng vào thực hiện công để di chuyển vị trí. Nếu s ự truy ền năng l ượng
từ hệ này sang hệ khác làm tăng tốc độ chuyển động của phân tử ở hệ nhận năng l ượng
thì sự truyền đó được thực hiện dưới dạng nhiệt. Công và nhiệt là hàm số của quá trình vì
chúng đều phụ thuộc vào cách chuyển biến.
Biểu thức của công: A = ∫ F d s . Công là một dạng truyền năng lượng làm tăng mức
độ chuyển động có trật tự của một vật.
Nhiệt lượng là một dạng năng lượng trao đổi trực tiếp giữa các phân tử chuy ển
động hỗn loạn của những vật tương tác với nhau.
∆Q = mC∆T
Biểu thức của nhiệt:
A = JQ , 1calo = 4,18 Joule
Giữa công và nhiệt có thể biến đổi qua nhau:
- Nội năng U: Nội năng của một vật thể bao gồm động năng của các phân tử
chuyển động và thế năng tương tác do sự hút và đẩy lẫn nhau giữa các phân tử cùng với
năng lượng của hạt nhân nguyên tử và năng lượng của các điện từ.
- Do nội năng nhiều thành phần nên khó xác định chính xác U, nhưng xác định được
∆U
NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG HỌC
§2.
I. Nguyên lý I nhiệt động học:
Nguyên lý I nhiệt động học áp dụng định luật bảo toàn W vào các hệ nhiệt động
học.
Định luật bảo toàn và biến hóa năng lượng: “Năng lượng không tự nhiên sinh ra và
không tự nhiên mất đi, nó chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác”
Nguyên lý I nhiệt động học được hình thành qua các công trình nghiên cứu c ủa các
tác giả như M. V. Lomonoxob (1744), G. I. Heccer (1836), R.Majo (1842), Helmholtz
(1849), Joule (1877)… Nguyên lý I nhiệt động học được phát biểu như sau:
“Trong một quá trình nếu năng lượng ở dạng này biến đi thì năng l ượng ở dạng khác s ẽ
xuất hiện với lượng hoàn toàn tương đương với giá trị của năng lượng dạng ban đầu”.
“Nhiệt lượng truyền cho hệ, dùng làm tăng nội năng của hệ và biến thành công thực hiện
bởi lực của hệ đặt lên môi trường ngoài”.
“Không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại I”.
Nguyên lý I nhiệt động học bao gồm hai phần:
- Phần định tính khẳng định năng lượng không mất đi mà nó chỉ chuy ển từ dạng
này sang dạng khác.
- Phần định lượng khẳng định giá trị năng lượng vẫn được bảo toàn.
3
- Biểu thức toán học của nguyên lý I nhiệt động học: Một hệ cô lập ở trạng thái ban
đầu có nội năng U1, nếu cung cấp cho hệ một nhiệt lượng Q thì một phần nhiệt lượng hệ
sử dụng để thực hiện công A, phần còn lại làm thay đổi trạng thái của hệ từ trạng thái
ban đầu có nội năng U1 sang trạng thái mới có nội năng U2 (U2 > U1). Từ nhận xét trên ta có
biểu thức:
Q = ∆U + A'
Trong đó ∆U = U 2 − U 1
Công thức trên có thể viết dưới dạng:
∆U = ∆Q + ∆A
Đối với quá trình biến đổi vô cùng nhỏ, phương trình trên có thể viết:
∂Q = dU + ∂A' ( ∂A' = −∂ A )
dU: Chỉ sự biến đổi nội năng, là hàm số trạng thái
δQ và δA : Chỉ sự biến đổi nhiệt và công,công là hàm số của quá trình.
II. Áp dụng nguyên lý thứ I cho hệ thống sống:
a. Định luật Heccer:
Do hàm nhiệt là hàm trạng thái → hệ quả là định luật Heccer: “Năng lượng sinh ra
bởi quá trình hoá học phức tạp không phụ thuộc vào các giai đoạn trung gian mà chỉ phụ
thuộc vào các trạng thái ban đầu và cuối của hệ hoá học”.
Mô tả định luật: Q2
Q3
A1 , A2 ,…: chất ban đầu B
Q1 C
B1 , B2 ,…: sản phẩm cuối
A1,A2,… B1,B2,…
Q
Q4
Q5
D
Q = Q1 + Q2 + Q3 = Q4 + Q5
1
C + O2 → CO + 26,42kcal
VD:
2
1
CO + O2 → O2 + 67,63kcal
2
C + O2 → CO2 + 94,05kcal
b. Hệ thống sống khác máy nhiệt:
T1 − T2
η=
- Hiệu suất của động cơ nhiệt:
T1
4
- 1
Giả sử: T2 = 300 K (27 C ),η =
0 0
3
→ T1 = 447 0 K → 174 0 C
Tế bào sẽ bị phân huỷ ở 40 0 − 60 0 C
Như vậy cơ thể sống không phải động cơ nhiệt bình thường.
c. Phương trình cân bằng nhiệt của cơ thể
∆Q = ∆E + ∆A + ∆M
∆A : công cơ thể sinh ra chống lại môi trường.
∆E : Năng lượng mất mát vào môi trường xung quanh do truyền nhiệt.
∆M : Năng lượng dự trữ dưới dạng hoá năng của cơ thể.
Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp và nguyên tắc hoạt động của cơ thể sống:
Cơ sở của phương pháp này là dựa vào lượng khí ôxy tiêu thụ hoặc l ượng khí CO 2 do cơ
thể thải ra ở động vật máu nóng, có liên quan chặt chẽ với nhiệt lượng chứa trong thức
ăn. Ví dụ, quá trình ôxy hóa glucose phản ứng diễn ra như sau:
C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + 678 Kcal
(180 gam) (134,4l) (134,4l)
Ở điều kiện tiêu chuẩn, mỗi phân tử gam chất khí đều chứa 22,4 lít. Dựa vào
phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp có thể xác định được sự thải nhiệt của bất kỳ động
vật máu nóng nào thông qua số lít ôxy tiêu thụ (hoặc số lít CO2 thải ra).
Kết quả đo về cân bằng nhiệt đối với cơ thể người sau 1 ngày 1 đêm:
* Năng lượng toả ra:
1. Năng lượng toả ra xung quanh (đối lưu, bức xạ) 1374 kcal
2. Nhiệt lượng toả ra qua khí thải 43 kcal
3. Phân và nước tiểu 23 kcal
4. Nhiệt lượng bốc hơi qua hô hấp 181 kcal
5. Nhiệt lượng bốc hơi qua da 227 kcal
6. Các số hiệu chỉnh khác 31 kcal
Cộng 1879 kcal
* Thức ăn đưa vào cơ thể:
Protein (đạm) 56,8g tạo 237 kcal
140,0g tạo 1307 kcal
Lipid (béo)
Glucid (đường) 79,98g tạo 335 kcal
Cộng: 1879 kcal
∆Q : Nhiệt lượng nhận từ ngoài vào, có 2 loại nhiệt lượng
5
- a. Nhiệt lượng sơ cấp (cơ bản): xuất hiện do kết quả phân tán năng lượng
nhiệt, tất nhiên trong quá trình trao đổi vật chất vì những phản ứng hoá sinh xảy ra không
thuận nghịch. Nhiệt lượng này phát ra lập tức ngay sau khi cơ thể hấp thụ ôxy vào thức
ăn.
b. Nhiệt lượng thứ cấp (tích cực): Gần 50% năng lượng xuất hiện trong quá
trình ỗy hoá thức ăn được dự trữ trong các liên kết giàu năng lượng (ATP). Khi các liên kết
này đứt, chúng giải phóng năng lượng để thực hiện công nào đấy, rồi cũng biến thành
nhiệt → điều hoà các hoạt động của cơ thể.
+ Ở điều kiện bình thường, trong cơ thể sống sử dụng năng lượng sơ
cấp và thứ cấp bù trừ lẫn nhau (năng lượng sơ cấp tăng thì năng l ượng th ứ cấp gi ảm và
ngược lại)
Ý nghĩa thực tiễn:
- Sống phải đủ năng lượng: tính toán thức ăn để hoạt động, điều chỉnh thức
ăn (năng lượng) theo hoàn cảnh môi trường.
- Hiểu rõ nguồn nhiệt lượng để duy trì nhiệt độ cơ thể (trời lạnh: giữ nhiệt;
↑
trời nóng: thoáng, mát).
Các nguyên nhân tiêu hao năng lượng:
- Tiêu hao năng lượng do chuyển hóa cơ sở
- Tiêu hao năng lượng do vận cơ, số cơ co càng nhiều thì năng lượng tiêu hao
càng lớn
- Tiêu hao năng lượng do điều nhiệt
- Tiêu hao năng lượng do tiêu hóa: thức ăn chuyển qua protein, lipid, glucid
- Tiêu hao năng lượng do phát triển cơ thể
- Tiêu hao năng lượng do sinh sản: nuôi con tiết sữa
III. Một số quá trình biến đổi năng lượng trên cơ thể sống:
a. Năng lượng trong quá trình co cơ:
x2
∫
A= F ( x) dx
x1
Bắp cơ sử dụng năng lượng hoá năng ATP (1 phần chuyển sang cơ năng, 1 phần
sang nhiệt năng)
x2
A = ∫ PdV
b. Công trong hô hấp:
x1
- Khi tăng thể tích thở → công ↑
- Khi thở sâu với tần số thích hợp → chi phí công ↓
c. Năng lượng ở tim:
6
- - Tim hoạt động như 1 cái bơm liên tục → tạo áp suất đẩy máu vào mạch (chuyển
động theo 1 chiều xác định) P (công suất): 1,3 – 1,4 W
- 1 phần công của tim còn lại tạo ra độ căng của cơ (trương lực cơ)
- Định luật Laplace: màng phân chia 2 khu vực
11
P = T( +) Mặt trong: lõm; mặt ngoài: lồi
r1 r2
P : áp suất trong màng; T : sức căng
r1 , r2 : bán kính trong và ngoài.
r2 r1
P
→T = = P.
r1 + r2
11
+
r1 r2
Khi cơ tim bị bệnh r1 , r2 ↑ thì giá trị công cơ học tạo ra P ↓ tạo ra suy tim.
NGUYÊN LÝ II NHIỆT ĐỘNG HỌC
§3.
Theo nguyên lý I chỉ nói liên quan hệ giữa các đại lượng, cơ thể ăn đ ể hoạt động,
sống, không cho biết chiều diễn biến của quá trình
Công → nhiệt, sinh ra → chết
I. Một vài thông số nhiệt động quan trọng:
B
A
a. Entropy S
- Thí dụ về cách phân bố phân tử của hệ
- 1 bình kín chia làm 2 phần bằng nhau A và B
bằng 1 vách ngăn. Bỏ vách ngăn các phân tử khuếch tán và số phân tử bên A thay đổi từ 0
–6
Xác suất nhiệt động học là số trạng thái vi mô có thể thực hiện đ ược trong một
trạng thái vĩ mô.
N!
W=
N A!N B !
S = K . ln W
Định nghĩa 1:
K (hằng số Bolzmann) = 1,38.10 −23 J / 0 K
7
- Số phân tử ở phần Xác suất Xác suất
Trạng thái nhiệt động toán học
A B học W
1 6 0 1 1/64
2 5 1 6 6/64
3 4 2 15 15/64
4 3 3 20 20/64
5 2 4 15 15/64
6 1 5 6 6/64
7 0 6 1 1/64
Tổng cộng 64 64/64
- Trạng thái cân bằng có W lớn nhất ( có S = S max ) hay gặp nhất
∂Q
dS ≥
Định nghĩa 2: >: quá trình bất thuận nghịch
.
T
= : quá trình thuận nghịch.
Nhận xét:
- S(J / 0 K )
- S là đại lượng có thể cộng được.
- S sai khác nhau 1 hằng số (tích phân)
- Hệ nhận nhiệt ∂Q > 0 → dS > 0, S của hệ tăng.
Khi toả nhiệt ∂Q < 0 → dS < 0, S của hệ giảm.
- S là 1 đại lượng đặc trưng cho mỗi độ hỗn loạn của các phân tử.
b. Năng lượng tự do F
- Đối với quá trình thuận nghịch: ∂Q = TdS
- Theo nguyên lý I: ∂Q = dU + ∂A' ; ∂A = −∂ A' = − pdV ; dU = ∂Q + ∂A
Xét với quá trình đẳng nhiệt (dT = 0)
8
- dU = ∂Q − pdV
pdV = ∂A' = TdS − dU = −dF
∂A' = d [TS − U ]
F = U − TS
∂A' = −d [U − TS ]
U = F + TS
∂A' = −∂ F
Vậy: + Năng lượng tự do là một phần năng lượng của nội năng dùng đ ể sinh ra
công.
Phần TS không sinh ra công gọi là năng lượng liên kết.
c. Entanpi H: Là hàm chứa nhiệt. Nhờ nó ta dễ dàng tính được năng lượng trong các
quá trình hoá học
dH = dU + pdV + Vdp
H = U + PV ; dH = TdS + VdP ;
- Nếu trong quá trình đẳng áp:
(dH ) p = (TdS ) p = (∂Q) p
II. Các quá trình không thuận nghịch và thuận nghịch
Định nghĩa: “Một quá trình biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác được gọi
là thuận nghịch khi nó có thể tiến hành theo chiều ngược lại và trong quá trình ngược l ại
đó, hệ trải qua các trạng thái trung gian như trong quá trình thuận”.
Quá trình không thuận nghịch là ngược lại.
Thí dụ 1 (TN): - Dao động không ma sát của con lắc toán học
- Quá trình giãn nở khí vô cùng chậm
Thí dụ 2 (không TN):
- Bình cô lập gồm 2 phần A và B, trong đó n A > n B → đẩy vách ngăn (thực
nA
A = RT ln
hiện công)
nB
Khi n A = n B → A = 0
Thí dụ 3 (không TN): Hai vật có T A > TB , khi tiếp xúc T A ↓, TB ↑ , sau đó T A = TB (khi
đã cân bằng thì không quay lại được).
Trong tự nhiên, các quá trình không thuận nghịch xảy ra nhiều hơn thuận nghịch.
III. Phát biểu nguyên lý II nhiệt động học
∂Q
dS ≥
Từ:
T
Đối với hệ cô lập: ∂Q = 0
→ ∆S ≥ 0
Cách I: “Tính trật tự của 1 hệ cô lập chỉ có thể giữ nguyên hoặc giảm dần”.
9
- Cách II: “Không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại II”. (Thomson)
Cách III: “Trong các hệ cô lập, chỉ những quá trình nào kéo theo (tăng) entropi mới
có thể tự diễn biến; giới hạn tự diễn biến của chúng là trạng thái có S max ”. (Boltzmann)
Cách IV: “Để tự nhiên, nhiệt sẽ truyền từ nóng → lạnh”. (Clausius)
NGUYÊN LÝ THỨ II ÁP DỤNG VÀO HỆ THỐNG SỐNG
§ 4.
I. Trạng thái đặc trưng của hệ thống sống
- Khi áp dụng nguyên lý II vào hệ thống sống (đây là 1 quá trình không thuận
nghịch) thì S ↑ (độ trật tự ↓ ). Nhưng thực tế, cơ thể tạo ra các tổ chức có trật tự cao. Từ
những phần tử nhỏ trật tự thấp mà cơ thể nhận được trong quá trình ăn uống và hô h ấp,
những đại phân tử có trật tự cao của các polime sinh học được tạo ra (như vậy S ↓ )
- Vì nguyên lý II phát biểu cho hệ cô lập. Trong hệ cô lập các phản ứng hoá học,
biến đổi trạng thái … bị giới hạn bởi số lượng vật chất. Qua 1 quá trình biến đổi, trạng
thái cân bằng được thiết lập (không sinh ra công, các thông số ổn định, S = S max …).
Trong khi đó, hệ thống sống do lượng vật chất và năng lượng đi vào đi ra nên hệ
thống sống không có trạng thái cân bằng được.
Tuy nhiên, hệ thống sống không phải được đặc trưng bằng trạng thái không cân
bằng bất kỳ mà chỉ ở trạng thái tại đó các tính chất của hệ không thay đ ổi. Các thông s ố
hoá lý như građisn, các đặc trưng động học … được bảo toàn (không thay đ ổi theo th ời
gian). Trạng thái đó là trạng thái dừng (trạng thái đặc trưng của hệ thống sống).
So sánh
Trạng thái cân bằng hoá học Trạng thái dừng
- Hệ kín, không có dòng vật chất ra vào - Hệ mở, có dòng vật chất vào hệ và thải
ra các sản phẩm
- Năng lượng tự do F = 0 (không có khả - F = const ≠ 0 , vẫn có khả năng sinh ra
năng sinh công) công
- Tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ - Tốc độ phản ứng thuận > tốc độ phản
phản ứng nghịch (v1 = v 2 = const ) ứng nghịch (do vật chất đưa vào và thải
ra) (v1 > v 2 )
- Tốc độ phản ứng không phụ thuộc
- Tốc độ phản ứng phụ thuộc nồng độ
nồng độ ban đầu, nhưng đáng kể là các
ban đầu chất tham gia
nồng độ dừng liên tục được giữ nguyên
do dòng vật chất mới.
- Chất xúc tác không làm thay đổi tỉ lệ Chất xúc tác làm thay đổi nồng độ dừng
chất phản ứng.
10
- Mô hình mô tả 2 quá trình:
- Nếu hệ kín (nếu chất lỏng không đi vào bình từ bên ngoài
và chảy ra) thì toàn bộ chất lỏng sẽ chuyển từ bình cao chuyển v1
sang bình thấp hơn với tốc độ được xác định bằng độ mở của
K
khoá. Và sau 1 khoảng thời gian nào đấy sự cân bằng được thiết
lập. v2
- Nếu hệ mở thì bình trên và dưới sẽ có mức chất lỏng xác
định không ứng với cân bằng.
- Khi thay đổi nồng độ xúc tác (khoá 2) → tạo nên những trạng thái dừng mới .
(khoá K2 cho mô hình tốc độ phản ứng hoá học)
II. Biến đổi S trong hệ thống sống
dS = dS e + dS i
+ dS e : biến đổi S do tương tác với môi trường
ngoài.
+ dS i : biến đổi S bên trong cơ thể. Hệ thống
sống thực hiện quá trình không thuận nghịch nên
dS i > 0
+ dS e : có thể nhận những giá trị bất kỳ: > 0 ; < 0
; = 0 với cơ thể sống, do quá trình tương tác với môi
trường xung quanh (sử dụng thức ăn cao phân tử tách ra
khỏi cơ thể các sản phẩm thoái hoá, truyền nhiệt …)
→ tạo thành dòng S âm đi vào cơ thể.
- Khi dS e = 0 (hệ cô lập): thì dS = dS i > 0
- Khi dS e > 0 → dS >> 0
- Khi dS e < 0 thì :
dS e < dS i → dS > 0
. Do tương tác với môi trường xung quanh → S ↓ , tính
dS e > dS i → dS < 0
trật tự ngày càng tăng (giai đoạn phát triển)
- Khi dS e = dS i , điều đó ứng với trạng thái dừng.
Ta có thể viết sự biến đổi S theo thời gian.
dS dS e dS i S
= + (công thức Prigorine) chết
dt dt dt
dS dS e dS i
= + =0
Ở trạng thái dừng:
dt dt dt Đau
trẻ trưởng thành ốm
t
11
- dS i dS
=− e ≠0
Hay:
dt dt
→ Để duy trì sự tồn tại, hệ thống sống phải trao đổi vật chất và năng l ượng với
môi trường xung quanh.
Kết luận: Hệ thống sống cũng phải tuân theo nguyên lý tăng S (chết)
Để chống lại sự tăng của S phải có chế độ ăn uống, luyện tập, thể thao… phù hợp
để cơ thể khoẻ mạnh (giảm S)
* Một số phương pháp nhiệt trị bệnh:
- (Nga): Chẩn đoán bệnh bằng nhiệt độ, sống ở môi trường nhiệt độ thấp → tăng
tuổi thọ
- (Nhật Bản): xoa bóp và ngâm nước nóng bàn chân để trị liệu
- (Pháp): viên thuốc dạng nhộng (cảm biến nhiệt) khi vào cơ thể thông báo sự thay
đổi nhiệt độ trong nội tạng
- (Mỹ): phương pháp đông lạnh trong ni tơ lỏng (-1960C). Dùng robot kích thước
nano để hồi phục lại cơ thể trước khi rã đông để hồi phục các chức năng sinh lý
- Đo thân nhiệt để xác định bệnh Sars
- Ở BVĐHYD Huế dùng đốt nhiệt bằng sóng cao tần, tiêu diệt các khối u xơ trong
gan
- Đốt nhiệt bằng laser, vật lý trị liệu, điểm huyệt, truyền nhiệt, tắm nước nóng…
12
- 13
- CHƯƠNG II
ÁNH SÁNG VÀ CƠ THỂ SỐNG
QUANG HÌNH HỌC
§1.
I. Định luật về sự truyền thẳng của ánh sáng
“Trong một môi trường trong suốt, đồng tính và đẳng hướng ánh sáng truyền theo
đường thẳng”
- Khi ánh sáng qua lỗ hẹp, hoặc gặp những vật có kích thước nhỏ thì định luật trên
không còn đúng nữa.
- Tia sáng, chùm sáng, hội tụ, phân kỳ, song song.
“Tác dụng của các chùm tia sáng khác nhau thì độc lập với nhau”. Có nghĩa là tác
dụng của chùm tia sáng này không phụ thuộc vào sự có mặt của các chùm tia sáng khác.
II. Định luật phản xạ ánh sáng
Nếu tia sáng truyền từ môi trường quang học này sang
môi trường quang học khác thì tại phân giới của 2 môi trường:
+ Tia tới và tia phản xạ cùng nằm trong mặt phẳng tới (ở
ii
bên kia pháp tuyến)
11
+ Góc phản xạ = góc tới i1 = i1 ' ’
i
+ Tia tới và tia phản xạ có tính thuận nghịch
2
III. Định luật khúc xạ ánh sáng
Nếu 1 tia sáng tới mặt phân giới của 2 môi trường đẳng hướng mà truyền sang môi
trường thứ II:
+ Tia tới và tia khúc xạ cùng nằm trong mặt phẳng tới.
+ Tỷ số giữa sin góc tới và sin góc khúc xạ là 1 đại lượng không đổi đối với 2 môi
trường quang học cho trước:
sin i1 n2 v
= = n21 = 1
sin i2 n1 v2
→ n1 sin i1 = n 2 sin i 2
IV. Các dụng cụ quang học
+ Gương phẳng
+ Gương cầu lồi, lõm
+ Lăng kính → dùng để tán sắc
+ Thấu kính hội tụ, phân kỳ…
+ Dùng trong các loại kính hiển vi
+ Tia laser
14
- BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG
§2.
I. Ánh sáng là sóng điện từ
E
E = E0 cos[ωt + ϕ ]
H = H 0 cos[ωt + ϕ ]
Phương trình truyền sóng x
l
E = E0 cos[ω (t − ) + ϕ ]
v
2πl
E = E0 cos[2πvt − + ϕ]
λ
H
Ở đây: E là véc tơ sáng; ω (tần số góc)
1
ω = 2πv ( v : tần số), T (chu kỳ) =
v
λ = vT (bước sóng)
λ : là quãng đường sóng ánh sáng truyền đi sau mỗi chu kỳ
1µm = 10 −3 mm = 10 −6 m = 10 4 A0
1A0 = 10 −10 m = 10 −1 nm
+ Ánh sáng là sóng ngang ( E ⊥ H ) , khi đi qua 1 số môi trường dị hướng (các dung
dịch Glucô,…) ánh sáng sẽ bị phân cực.
1
c=
ε 0 = 8,86.10 −12 c 2 / Nm 2
ε 0 µ0
µ 0 = 4π .10 −7 H / m
II. Những điểm cơ bản của thuyết lượng tử ánh sáng (Einstein)
- Năng lượng ánh sáng không nhận các giá trị liên tục mà nhận các giá trị gián đoạn
xác định.
- Phần gián đoạn nhỏ nhất của năng lượng ánh sáng là fôtôn:
ε = hv (h: hằng số Planck = 6,62.10 −34 J / s )
- Vận tốc ánh sáng là cực đại
c = 3.108 m / s
- fôtôn không có khối lượng tĩnh, khối lượng động phụ thuộc vào vận tốc fôtôn
mc 2 = hv
- Biểu thức diễn tả mối quan hệ giữa tính chất sóng và hạt:
c
ε = mc 2 = hv = h
λ
h
→λ = (hệ thức De Broglie)
mc
III. Các mức năng lượng của e trong nguyên tử:
- Điện tử chỉ quay quanh hạt nhân trên các quỹ đạo xác đ ịnh ứng với những giá tr ị
có thể của năng lượng nguyên tử. Khi quay trên quỹ đạo, e − không bức xạ hay hấp thụ
năng lượng và nguyên tử nằm ở trạng thái dừng.
- Năng lượng phát xạ hay hấp thụ khi e − chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo
khác, bằng hiệu số giữa 2 mức năng lượng ban đầu và cuối: ε = E1 − E2 = hv
15
- - Số lượng chính n, nhận các giá trị nguyên, dương 1, 2, 3,… xác định năng l ượng
của e ứng với quỹ đạo của nó.
−
- Số lượng tử phụ l có thể nhận các giá trị nguyên, dương từ 0 đ ến (n − 1) (n là số
lượng tử chính), đặc trưng cho mô men cơ học quỹ đạo
- Số lượng tử từ m, đặc trưng cho mô men từ quỹ đạo của e − , nhận các giá trị
nguyên từ -l, 0, +l
- Số lượng tử spin đặc trưng cho sự quay của e − quanh trục riêng của nó. Spin chỉ
1 1
có thể nhận 2 giá trị + ,−
2 2
- Trong tất cả các trạng thái có thể, e − luôn chiếm trạng thái sao cho năng lượng của
nó cực tiểu
- Pauli: “không thể có 2 e − trong cùng 1 nguyên tử có 4 số lượng tử giống nhau”.
HẤP THỤ ÁNH SÁNG VÀ PHÁT SÁNG
§3.
1 chùm fôtôn trên đường đi khi gặp môi trường vật chất, tuỳ theo năng lượng của
fôtôn và bản chất của môi trường có thể xảy ra các hiệu ứng khác nhau:
- Chùm fôtôn phản xạ (định luật phản xạ)
- Chùm fôtôn tán xạ (có thể nhận được fôtôn theo hướng bất kỳ)
- Chùm fôtôn khúc xạ (định luật khúc xạ)
- Có fôtôn xuyên qua môi trường vật chất
- Có fôtôn bị môi trường vật chất hấp thụ.
I. Sự hấp thụ ánh sáng
+ Khi hấp thụ ánh sáng, e − sẽ chuyển từ quỹ đạo ứng với mức năng lượng thấp
(trạng thái cơ bản) sang quỹ đạo ngoài ứng với mức năng lượng cao hơn.
+ Màu sắc:
- Nếu lượng tử ánh sáng xuyên vào phân tử mà năng lượng không phù hợp để
chuyển mức (không bị hấp thụ) → trong suốt.
- Sắc tố đỏ của máu (hemoglobin) có cực đại hấp thụ màu xanh da trời còn
tia đỏ đi qua.
- Ánh sáng qua lá cây thì hấp thụ ở vùng đỏ, xanh lá cây đi qua.
I ( x) = I 0 e − µx
I0 I
I 0 : ánh sáng tới I : cường độ tia ló
µ : hệ số hấp thụ x : chiều dày
II. Cơ chế hấp thụ ánh sáng và phát
x
sáng
*
S2
S: singlet: tạo thành cặp đối 5
song. *
S1
Mô men spin tổng cộng = 0 5
*
S0
T: Triplet: tạo thành cặp song
song 5
Mô men spin tổng cộng +1, 0, -1 T
1 2 2
S 0 : trạng thái cơ bản
3 4
∆E : vùng năng lượng cấm
S0
16
- 1,2: hấp thụ
3: huỳnh quang
4: lân quang
5: không phát quang
Có 2 trạng thái phát quang cơ bản: huỳnh quang, lân quang
- Huỳnh quang: là sự bức xạ lượng tử ánh sáng khi chuyển từ trạng thái singlet
xuống cơ bản. Thời gian phân tử tồn tại ở trạng thái kích thích S * khoảng 10 −8 − 10 −9 s vì
thế huỳnh quang chỉ tồn tại trong thời gian chiếu sáng vật.
- Lân quang xảy ra do
chuyển trạng thái kích thích triplet
I
xuống trạng thái cơ bản.
Chu trình: trạng thái cơ bản B
A
→ trạng thái singlet → trạng thái
triplet → trạng thái cơ bản. Vì thế
sau khi 1 thời gian mới xảy ra lân
quang (10 −4 − vài s).
hvkt = hv pq + ∆E
c c
=h + ∆E
h
λ
λ ht max λ pq max
λkt λ pq
λkt < λ pq
III. Sự di chuyển năng lượng
trong hệ sinh vật
- Năng lượng có thể được đưa vào cơ thể không phải chỉ bằng thức ăn mà đ ược
đưa vào qua sự tác dụng của lượng tử ánh sáng và bức xạ ion hoá.
- Hệ thống sống hấp thụ ánh sáng (năng lượng) ở một nơi, nhưng sử dụng năng
lượng đó (lớn hơn năng lượng của quá trình chuyển hoá nhiều lần) lại ở một nơi khác qua
1 khoảng cách lớn hơn nhiều so với kích thước của tế bào
- Phân tử A hấp thụ năng lượng nhưng phân tử B phát quang. Cắt nguồn kích thích
thì A không hấp thụ, B không phát quang.
Như vậy có sự di chuyển năng lượng trong hệ thống sống.
Có 2 cơ chế di chuyển năng lượng:
a. Thuyết cộng hưởng về sự di chuyển năng lượng:
- Phân tử bị kích thích (A) là 1 lưỡng cực dao động, ở đấy e − dao động với tần số
xác định.
- Khi mức năng lượng của e − của phân tử B (không bị kích thích) trùng hay nằm
thấp hơn 1 chút so với mức năng lượng của các e − A thì có sự cộng hưởng của 2 phân tử:
năng lượng của phân tử bị kích thích (A) chuyền hết cho (B).
A + B + hv → A* + B → A + B *
+ Đặc điểm:
- Sự di chuyển năng lượng xảy ra trên một khoảng cách khá xa so với khoảng cách
nguyên tử.
- Không phát quang, không hao phí vì nhiệt, không có sự phân chia điện tích, không
có sự va chạm phân tử giữa chất cho và nhận.
- Hiệu suất ở khoảng 1% − 100%
+ Điều kiện:
17
- - Phân tử cho có khả năng phát quang.
- Phổ phát quang của chất cho và phổ hấp thụ của chất nhận phải chồng lên nhau
(giao nhau càng lớn thì hiệu suất lớn)
- Các phân tử phải đủ gần. Hiệu suất di chuyển tỉ lệ nghịch với khoảng cách.
b. Thuyết exiton về di chuyển năng lượng:
- Một số chất cấu trúc đặc biệt giống tinh thể
- Các e − dưới tác dụng của ánh sáng chuyển lên mức năng lượng cao hơn rồi chúng
có thể chuyển từ phân tử này qua phân tử khác mà vẫn ở mức năgn lượng ấy.
- Sự di chuyển e − sẽ tạo nên nhiều lỗ trống.
- Cặp e − - lỗ trống dịch chuyển như vậy là exiton
- Nếu e − rơi vào “bẫy” có mức năng lượng ổn định thì 1 phần năng lượng biến
thành nhiệt, còn cặp e − - lỗ trống bị phá vỡ
- Như vậy năng lượng do phân tử đầu tiên hấp thụ đã được Exiton mang đ ến phân
tử có bẫy. Dạng di chuyển này có thể thực hiện được khoảng cách lớn.
MẮT VÀ CÁC DỤNG CỤ BỔ TRỢ
§4.
I. Quang hình học của mắt
- Mắt (nhãn cầu) đường kính
22 mm
- Có các bó cơ vận động để
giúp mắt định hướng
- Củng mạc (bao kín ¾ phía
sau) không cho ánh sáng đi vào
- ¼ trước là giác mạc cho ánh
sáng xuyên qua
- màng mạch (trong củng
mạc) chứa nhiều mạch máu để nuôi
dưỡng mắt, chứa sắc tố đen để bên
trong như buồng tối
- Mống mắt: màng chắn (đen)
hoặc nâu
- Lỗ hở hình tròn có đường
kính thay đổi, gọi là đồng tử (con
ngươi)
- võng mạc: chứa nhiều lớp tế bào thần kinh thị giác. Có 2 loại tế bào cảm thụ
được ánh sáng (7 triệu tế bào nón, 130 triệu tế bào que)
- Ở võng mạc có chỗ lỏm chứa nhiều tế bào nón → điểm vàng (nhạy sáng)
- Thuỷ tinh thể: môi trường trong suốt, co giãn được (n=1,43), độ tụ 12 – 14 điốp
- Thuỷ dịch trong suốt: n = 1,336
- Thuỷ tinh dịch (dịch kính) có chiết suất n = 1,333
- Áp suất trong mắt: 12 – 25 Tor (mmHg)
- Điểm mù (ít tế bào thần kinh thị giác).
II. Hoạt động của mắt
a. Mắt như 1 máy ảnh
18
- Máy ảnh (chụp) Mắt (nhìn + thấy)
Đia pham (điều chỉnh ánh sáng) Con ngươi (co giãn)
Thấu kính thuỷ tinh (không thay đổi tiêu Thuỷ tinh thể (thay đổi)
cự)
Phim (ghi ảnh) Võng mạc
Môi trường là không khí (n=1) Thuỷ dịch (n=1,33)
Ảnh ngược chiều Ảnh ngược chiều
Ảnh 2 chiều Ảnh 3 chiều
Có buồng tối Củng mạc
19
- b. Quá trình thụ cảm ánh sáng xảy ra ở mắt
Sơ đồ tổng Rodopxin
hợp:
Lumirodopxin
+ Phản ứng
sáng: khi có ánh sáng
tác dụng vào phân tử Các phản ứng trung Metarodopxin I
gian ngược chiều
Rôdopxin phân ly
thành opxin và retinal.
Metarodopxin II
Sản phẩm đầu tiên là
Xung động
Lumirôdopxin (tế bào thần kinh
phát quang). Chất này Năng
Opxin
không ổn định và biến lượng hoá retinal
đổi qua nhiều giai sinh
đoạn để thành
metarôdopxin I,II.
Phản ứng quang hoá phân huỷ phân tử Rôdopxin phát sinh các xung động thần kinh
truyền lên dây thần kinh thị giác.
- 1 fôtôn ánh sáng đủ phân huỷ 1 rôdopxin
+ Phản ứng tối: phân tử Rôdopxin được phục hồi khá nhanh với phản ứng ngược.
Lúc đó đồng thời xảy ra phản ứng phục hồi các retinal mới từ các vitamin A và các este của
nó từ các tế bào sắc tố biểu mô chuyển vào tế bào que.
c. Các tật của mắt và cách sửa:
+ Mắt già, cận thị (lắp thêm thấu kính)
+ Viễn thị, loạn thị (do độ tụ không đều → ảnh bị nhoè - chất dẻo dán vào giác
mạc…) TK
+ Thay thuỷ tinh thể, thuỷ
dịch, rạch (hớt) giác mạc. B VK
+ Mắt bình thường phân biệt A1
A’
α = 1' (10%)
A
α = 2' (9%)
B1
được
α = 3' (8%)
...
B’
III. Các dụng cụ bổ trợ
a. Nguyên tắc kính hiển vi trường sáng
Ảnh A1 B1 trung gian
Ảnh cuối cùng: A' B ' : ngược chiều, ảnh ảo,
lớn hơn rất nhiều lần. VK
K = K v .K T = 2 ÷ 3000
n. sin θ 1
Năng suất phân ly: P = P=
;
0,61λ l TB
TQ
nguon tai.lieu . vn
