Trường Đại học công nghiệp Hà NộiMỤC LỤCTrangI. Một số khái niệm và đại lượng cơ bản ……………………………...2II. Định luật I…………………………………………………………….42.1. Định luật I nhiệt động học …………………………………..42.3. Định luật I nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật …………..62.3. Nhu cầu năng lượng của cơ thể…………………………………82.4. Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp và nguyên tắc hoạt động10của cơ thể sống…………………………………………………………….III. Định luật II …………………………………………………………..113.1. Định luật II nhiệt động học…………………………………….113.2. Định luật II nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật …………..163.3. Phân biệt nguyên tắc hoạt động của cơ thể sống với máynhiệt………………………………………………………………………..19.NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘNG HỌC CHO CƠ THỂ SỐNGNhiệt động học hệ sinh vật là lĩnh vực nghiên cứu hiệu ứng năng lượng, sựchuyển hoá giữa các dạng năng lượng, khả năng tiến triển, chiều hướng và giới hạntự diễn biến của các quá trình xảy ra trong hệ thống sống.Cơ thể sống trong quá trình sinh trưởng và phát triển đều có sử dụng nănglượng vì vậy nhiệt động học hệ sinh vật là lĩnh vực cần được nghiên cứu. Đốitượng nghiên cứu của nhiệt động học hệ sinh vật là cơ thể sống, đó là một hệ mởdo luôn xảy ra sự trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh, có1Học viên: Nguyễn Thị HàTrường Đại học công nghiệp Hà Nộikhả năng tự điều chỉnh, tự sinh sản... nên khác với hệ vật lí như chất rắn, chất lỏnghay chất khí... Hiện nay nhiệt động học hệ sinh vật có các hướng nghiên cứu chủyếu sau:- Nghiên cứu sự chuyển biến năng lượng ở mức độ phân tử, tế bào, mô, cơ quanhay toàn bộ cơ thể khi ở trạng thái sinh lý bình thường và trạng thái đang hoạtđộng. Xác định hiệu suất sử dụng năng lượng của các quá trình sinh vật và nănglượng liên kết trong các liên kết của các cao phân tử sinh học.- Nghiên cứu tính chất nhiệt động của các quá trình diễn ra trong cơ thể sống nhưquá trình khuyếch tán, thẩm thấu, vận chuyển tích cực...- Nghiên cứu cơ chế tác động của sự thay đổi các yếu tốmôi trường lên quá trìnhchuyển hoá năng lượng và sự trao đổi năng lượng giữa cơ thể sống với môi trường.I. Một số khái niệm và đại lượng cơ bản- Hệ: Hệ là một vật thể hay một nhóm vật thể được dùng làm đối tượng để nghiêncứu.Ví dụ khi chọn cá thể để nghiên cứu thì cá thể là một hệ còn khi chọn quần thể đểnghiên 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 môitrường xung quanh. Trên thực tế khó xác định được một hệ cô lập hoàn toàn nhưngở qui mô thí nghiệm các nhà khoa học có thể thiết kế được hệ cô lập như bom nhiệtlượng dùng để nghiên cứu hiệu ứng nhiệt của các phản ứng oxy hóa.- Hệ kín: Là hệ không trao đổi vật chất với môi trường xung quanh nhưng có traođổi năng lượng với môi trường xung quanh.- Hệ mở: Là hệ có trao đổi cảvật 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 dụnhư nhiệt độ, áp suất, thể tích, nội năng, entropi...- Trạng thái cân bằng: Là trạng thái trong đó các tham số trạng thái đạt một giá trịnhất định và không đổi theo thời gian.- Quá trình cân bằng: Là quá trình trong đó các tham sốtrạng thái thay đổi với tốcđộ chậm tới mức sao cho tại mỗi thời điểm có thểxem nhưtrạng thái của hệlà trạngthái cân bằng.2Học viên: Nguyễn Thị HàTrường Đại học công nghiệp Hà Nội- Quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp, đẳng tích là quá trình diễn ra trong đó nhiệt độ, ápsuất và thểtích luôn không đổi trong suốt quá trình diễn ra.- Quá trình thuận nghịch: Là quá trình biến đổi mà khi trởvềtrạng thái ban đầukhông 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 trởvềtrạng thái ban đầulàm thay đổi môi trường xung quanh.- Hàm trạng thái: Một đại lượng được xem là một hàm trạng thái, đặc trưng chotrạng thái của hệ, khi sựbiến thiên giá trịcủa nó trong bất cứquá trình nào cũngchỉphụthuộc vào giá trị đầu và giá trịcuối mà không phụthuộc vào con đườngchuyển biến. Nội năng (U), năng lượng tựdo (F), thếnhiệt động (Z hay G), entanpi(H), entropi (S) là những hàm trạng thái.- Năng lượng: Năng lượng là đại lượng có thể đo được, có thểbiến đổi một cáchđịnh lượng luôn theo cùng một tỉlệthành nhiệt lượng. Năng lượng phản ánhkhảnăng sinh công của một hệ. Đơn vịdùng để đo năng lượng là Calo (Cal) hayJoule (J).- Công và nhiệt: Đó là hai hình thức truyền năng lượng từhệnày sang hệ khác. Nếunhư sự truyền năng lượng từ hệ này sang hệ khác gắn liền với sự di chuyển vịtrícủa hệ thì sự truyền đó được thực hiện dưới dạng công.Ví dụ khi chạy 100 mét thì năng lượng tiêu tốn đã được dùng vào thực hiện côngđể di chuyển vị trí.Nếu sự truyền năng lượng từ hệ này sang hệ khác làm tăng tốc độ chuyển động củaphân tử ở hệ nhận năng lượng 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 chuyểnbiến.- Nội năng: Nội năng của một vật thể bao gồm động năng của các phân tử chuyểnđộng và thế năng tương tác do sự hút và đẩy lẫn nhau giữa các phân tử cùng vớinăng lượng của hạt nhân nguyên tử và năng lượng của các điện tử.II. Định luật I2.1. Định luật I nhiệt động họcĐịnh luật I nhiệt động học được hình thành qua các công trình nghiên cứucủa các tác giảnhưM. V. Lomonoxob (1744), G. I. Heccer(1836), R. Majo (1842),3Học viên: Nguyễn Thị HàTrường Đại học công nghiệp Hà NộiHelmholtz (1849), Joule (1877)... Định luật I nhiệt động học được phát biểu nhưsau:"Trong một quá trình nếu năng lượng ở dạng này biến đi thì năng lượng ở dạngkhác sẽ xuất hiện với lượng hoàn toàn tương đương với giá trị của năng lượngdạng ban đầu".Định luật I nhiệt động học bao gồm hai phần:- Phần định tính khẳng định năng lượng không mất đi mà nó chỉ chuyển từ dạngnày sang dạng khác.- Phần định lượng khẳng định giá trị năng lượng vẫn được bảo toàn (tức giữnguyên giá trị khi qui đổi thành nhiệt lượng) khi chuyển từ dạng năng lượng nàysang dạng năng lượng khác. Giá trị năng lượng chỉ được bảo toàn khi quá trình xảyra là quá trình thuận nghịch và hiệu suất của quá trình đạt 100%. Đối với quá trìnhbất thuận nghịch, hiệu suất của quá trình nhỏ hơn 100% thì ngoài phần năng lượngtruyền cho hệ phải cộng thêm phần năng lượng đã toảra môi trường xung quanh.Biểu thức toán học của định luật I nhiệt động học: Một hệ cô lập ở trạng thái banđầu có nội năng U1, nếu cung cấp cho hệmột nhiệt lượng Q thì một phần nhiệtlượng hệ sử dụng để thực hiện công A, phần còn lại làm thay đổi trạng thái của hệtừ trạng thái ban đầu có nội năng U1 sang trạng thái mới có nội năng U2(U2>U1).Từnhận xét trên ta có biểu thức:Q = ΔU + A (1.1)Trong đó ΔU = U2- U1Công thức (1.1) có thểviết dưới dạng:ΔU = U1- U1= Q - A (1.2)Đối với quá trình biến đổi vô cùng nhỏ, phương trình (1.2) có thểviết dưới dạng:dU = δQ - δA (1.3)dU: Chỉ sự biến đổi nội năng, là hàm số trạng tháiδQ và δA: Chỉ sự biến đổi nhiệt và công, là hàm số của quá trình.Từ biểu thức (1.2), định luật I nhiệt động học có thể phát biểu như sau:"Sự biến thiên nội năng của hệ bằng nhiệt lượng do hệ nhận được trừ đi công dohệ đã thực hiện".Từ định luật I nhiệt động học dẫn đến các hệ quả sau đây:4Học viên: Nguyễn Thị HàTrường Đại học công nghiệp Hà Nội- Nếu hệ biến đổi theo một chu trình kín (có trạng thái đầu và trạng thái cuối trùngnhau) thì nội năng của hệ sẽ không thay đổi (U2= U1→ΔU = 0).- Khi cung cấp cho hệ một nhiệt lượng, nếu hệ không thực hiện công thì toàn bộnhiệt lượng mà hệ nhận được sẽ làm tăng nội năng của hệ.Theo (1.2) ΔU = U2- U1= Q - A, nếu A = 0 →U2- U1= Q.Hệ nhận nhiệt nên Q > 0 →U2- U1= Q > 0 →U2> U1.- Khi không cung cấp nhiệt lượng cho hệ mà hệ muốn thực hiện công thì chỉ cócách là làm giảm nội năng của hệ.Theo (1.2) ΔU = U2- U1= Q - A,Nếu Q = 0 →U2- U1= -A →A = U1- U2.Hệ muốn thực hiện công, tức A > 0→U1- U2> 0 →U1> U2.Sau khi thực hiện công (tức A > 0), nội năng của hệ đã giảm từ U1 xuống U2 nhỏhơn.- Hệ thực hiện theo chu trình kín, nếu không cung cấp nhiệt lượng cho hệ thì hệ sẽkhông có khả năng sinh công.ΔU = Q - A,Nếu hệ thực hiện theo chu trình kín, theo hệquả 1 thìΔU = 0 →Q - A = 0 →Q = ADo vậy, nếu Q = 0, tức không cung cấp nhiệt lượng cho hệ thì hệ cũng không cókhả năng sinh công, tức A = 0. Hệ quả này, có thể phát biểu dưới dạng: "Không thểchế tạo được động cơ vĩnh cửu loại một, là loại động cơ không cần cung cấp nănglượng nhưng vẫn có khả năng sinh công".2.2. Định luật I nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vậtNgười đầu tiên tiến hành thí nghiệm đểchứng minh tính đúng đắn của địnhluật I nhiệt động học khi áp dụng vào hệthống sống là hai nhà khoa học PhápLavoisier và Laplace vào năm 1780. Đối tượng thí nghiệm là chuột khoang. Thínghiệm cách ly cơ thể khỏi môi trường bên ngoài bằng cách nuôi chuột trong nhiệtlượng kế ở nhiệt độ 0oC. Dùng một lượng thức ăn đã xác định trước đểnuôi chuộtthí nghiệm.5Học viên: Nguyễn Thị HàTrường Đại học công nghiệp Hà NộiTrong cơ thể chuột sẽ diễn ra các phản ứng phân huỷthức ăn tới sản phẩmcuối cùng là khí CO2và H2O, đồng thời giải phóng ra nhiệt lượng Q1. Nếu coi ởđiều kiện 0oC, chuột đứng yên, không thực hiện công mà chỉ sử dụng nhiệt lượnggiải phóng ra do oxy hoá thức ăn để cung cấp nhiệt lượng cho cơ thể và tỏa nhiệt ramôi trường, qua nhiệt kế đo được sự tăng nhiệt độ, theo công thức sẽ tính đượcnhiệt lượng Q1. Đồng thời lấy một lượng thức ăn tương đương với lượng thức ănđã cho chuột ăn trước khi thí nghiệm đem đốt cháy trong bom nhiệt lượng kế cũngtới khí CO2và H2O, giải phóng ra nhiệt lượng Q2. So sánh hai kết quả thí nghiệmthấy giá trị Q1tương đương với Q2. Điều này chứng tỏ nhiệt lượng giải phóng ratừcác phản ứng hoá sinh diễn ra trong cơthể sống hoàn toàn tương đương với nhiệtlượng giải phóng ra từ các phản ứng ôxy hoá diễn ra ởngoài cơ thể sống. Nói cáchkhác, hiệu ứng nhiệt của quá trình ôxy hoá chất diễn ra ởtrong cơthể sống và hiệuứng nhiệt của quá trình ôxy hoá chất diễn ra ởngoài cơ thể sống là hoàn toàn tươngđương.Để tăng độ chính xác của thí nghiệm, sau này có nhiều mô hình thí nghiệmcủa nhiều nhà nghiên cứu được tiến hành nhưng đáng chú ý nhất là của Atwater vàRosa vào năm 1904.Đối tượng thí nghiệm là người và thời gian thí nghiệm là một ngày đêm (24giờ). Trong thời gian thí nghiệm, cho người tiêu thụmột lượng thức ăn nhất định,thông qua đo lượng khí ôxy hít vào (hay khí CO2thởra), nhiệt thải ra từ phân vànước tiểu... sẽ tính được hiệu ứng nhiệt của các phản ứng phân huỷthức ăn diễn raở cơ thể người trong 24 giờ.Đồng thời đốt lượng thức ăn tương đương với lượng thức ăn mà người đãtiêu thụ ở trong bom nhiệt lượng kế sẽ đo được nhiệt lượng toả ra. Kết quả thínghiệm:Hiệu ứng nhiệt của các phản ứng diễn ra ởcơ thể người trong 24 giờNhiệt lượng toảra xung quanh : 1374 KCalNhiệt lượng toảra do thởra : 181 KCalNhiệt lượng toảra do bốc hơi qua da: 227 KCalNhiệt do khí thải ra : 43 KCalNhiệt toảra từphân và nước tiểu : 23 KCal6Học viên: Nguyễn Thị HàNhiệt lượng do thức ăncung cấp56,8 gam Protein : 237 KCal79,9 gam Gluxit : 335 KCal140,0 gam Lipit : 1307 KCalTrường Đại học công nghiệp Hà NộiHiệu đính (do sai số) : 31 KCalTổng cộng nhiệt lượng thải ra : 1879 KCalTổng cộng : 1879 KCalLưu ý: Khi ôxy hoá 1 gam Protein ở trong bom nhiệt lượng kế tới khíCO2và H2O, giải phóng ra 5,4 KCal còn trong cơ thể sống phân giải 1 gam Proteintới urê chỉ giải phóng khoảng 4,2 KCal. Khi oxy hoá hoàn toàn 1 gam Gluxit, giảiphóng khoảng 4,2 KCal còn ôxy hoá hoàn toàn 1 gam Lipit giải phóng từ 9,3 đến9,5 KCal.Kết quả thí nghiệm của Atwater và Rosa khẳng định năng lượng chứa trongthức ăn sau khi cơ thể tiêu thụ đã chuyển thành năng lượng giải phóng thông quaquá trình phân giải bởi các phản ứng hoá sinh diễn ra trong cơ thể sống. Nănglượng chứa trong thức ăn và năng lượng giải phóng ra sau khi cơ thể phân giải thứcăn là hoàn toàn tương đương.Nhiệt lượng trong cơ thể người được chia làm hai loại là nhiệt lượng cơ bản(hay nhiệt lượng sơ cấp) và nhiệt lượng tích cực (hay nhiệt lượng thứ cấp). Nhiệtlượng cơ bản xuất hiện ngay sau khi cơ thể hấp thụ thức ăn và tiêu thụ ôxy để thựchiện phản ứng ôxy hoá đồng thời giải phóng ra nhiệt lượng. Ví dụ khi cơ thể hấpthụ1 phân tử gam (tức 1M) glucose, lập tức xảy ra phản ứng ôxy hoá đường và giảiphóng ra 678 KCal (nhiệt lượng cơbản). Cơ thể sẽ sử dụng nhiệt lượng cơ bản vàocác hoạt động sống, nếu còn dư sẽ được tích luỹvào ATP. Phần nhiệt lượng tíchluỹ vào các hợp chất cao năng gọi là nhiệt lượng tích cực. Trong cơ thể sống, nhiệtlượng cơbản và nhiệt lượng tích cực có liên quan với nhau. Nếu nhiệt lượng cơ bảnnhiều mà cơ thể sử dụng ít thì nhiệt lượng tích cực sẽ tăng lên. Nếu nhiệt lượng cơbản không có thì không những nhiệt lượng tích cực bằng không mà cơ thể phảiphân giải ATP, giải phóng ra năng lượng để cung cấp cho các hoạt động sống. Ởtrạng thái sinh lý bình thường, cơ thể sống sẽ duy trì mối tương quan nhất địnhgiữa nhiệt lượng cơ bản và nhiệt lượng tích cực. Ở mức độ tế bào, có khoảng 50%năng lượng của chất dinh dưỡng được tích luỹ vào ATP.2.3. Nhu cầu năng lượng của cơ thể7Học viên: Nguyễn Thị HàTrường Đại học công nghiệp Hà NộiCơ thể cần năng lượng để tái tạo các mơ cơ thể, duy trì thân nhiệt, tăngtrưởng và cho các hoạt động. Cơ thể người sử dụng hình thức cung cấp nhiệt chocác hoạt động sau:+ Năng lượng hoá học cho các quá trình chuyển hoá.+ Năng lượng cơ học cho hoạt động của cơ.+ Năng lượng nhiệt để giữ cân bằng nhiệt của cơ thể+ Năng lượng điện cho hoạt động của não và các mô thần kinh.Thực phẩm là nguồn cung cấp năng lượng: Glucid và Lipid là các nguồn nănglượng chính, các nguồn khác là Protein và rược Etylic.- Đơn vị năng lượng thể hiện bằng kí lô calo, viết tắt kcal: 1 kcal = 1000 calo.Trong cơ thể, khi đốt 1g Glucid cho 4 kcal, 1g Lipid cho 9 kcal; 1g Protein cho 4kcal. Để đảm bảo mức liên kết tối ưu giữa các chất sinh năng lượng, tỉ lệ nănglượng Protid : Lipid : Glucid là 12 : 18 : 70 và tiến tới 14 : 20: 66. Tỉ lệ Lipidkhông nên vượt quá 30 % năng lượng khẩu phần.- Tiêu hao năng lượng của cơ thể trong một ngày được xác định bằng tổng số nănglượng cơ thể sử dụng cho các phần sau:+ Năng lượng sử dụng cho chuyển hoá cơ bản (CHCB)+ Năng lượng do tác động nhiệt của thức ăn+ Năng lượng cho hoạt động thể lực.- Năng lượng cho CHCB: là năng lượng cần thiết để duy trì sự sống con ngườitrong điều kiện nhịn đói, hoàn toàn nghỉ ngơi và nhiệt độ môi trường sống thíchhợp.8Học viên: Nguyễn Thị HàTrường Đại học công nghiệp Hà NộiĐó là năng lượng tối thiểu để duy trì các chức phận sinh lý cơ bản như tuần hoàn,hô hấp, hoạt động các tuyến nội tiết, duy trì thân nhiệt.Có nhiều yếu tố có ảnh hưởng tới CHCB bao gồm: cấu trúc cơ thể, nữ thấp hơnnam, càng ít tuổi mức CHCB càng cao, cường giáp làm tăng CHCB, suy giáp làmgiảm CHCB, thân nhiệt tăng 1oC CHCB tăng 10%.Để tính CHCB, trong phòng thí nghiệm sinh lý người ta đo trực tiếp thông qualượng oxy tiêu thụ. Trong dinh dưỡng thực hành công thức tổng quát tính nănglượng cho CHCB cho người trưởng thành như sau:+ Đối với nam: CHCB = 1 kcal x CN (kg) X 24 giờ+ Đối với nữ: CHCB = 0,9 kcal x CN (kg) X 24 giờ*/ Chỉ sổ BMRBằng cách tính được BMR, ta có thể tính toán được lượng calo nạp vào cơthể hàng ngày để giảm cân, tăng cân hay giữ cân.Công thức này được nghiên cứu và chứng minh là gần chính xác nhất với thực tế.Công thức mới nhất của Harris-Benedict được sửa đổi năm 1984 từ công thức gốcnăm 1919 do lối sống và thể trạng con người thay đổi sau nhiều năm:a. Công thức BMR:Basal metabolic rate (BMR): Tỷ lệ trao đổi chất cơ bản ( chính là lượng nănglượng tiêu thụ tối thiểu trên 1 trọng lượng trong 1 đợn vị thời gian của động vậtmáu nóng.BMR nó là lượng năng lượng tiêu thụ tối thiểu để duy trì sự sống. Nó bao gồm cácnăng lượng bỏ ra để duy trì các hoạt động sống của cơ thể như: Hoạt động não bộ,tuần hoàn, hô hấp,...Nam: [ (13.397 x Trọng lượng kg) + (4.799 x Chiều cao cm) - (5.677 x Tuổi năm)+ 88.362 ]Nữ : [ (9.247 x Trọng lượng kg) + (3.098 x Chiều cao cm) - (4.330 x Tuổi năm) +447.593 ]9Học viên: Nguyễn Thị HàTrường Đại học công nghiệp Hà NộiTừ kết quả lượng calo tiêu thụ trong 1 ngày ở trạng thái nghỉ ngơi, ta cần tính toánthêm để biết lượng calo tiêu thụ phù hợp với cường độ vận động của mỗi người:b. Lượng calo cần thiết để duy trì cân nặng của bạn:Kiểu người:• Nhóm 1. Ít hoặc không vận động: BMR x 1.2• Nhóm 2. Vận động nhẹ: 1-3 lần/1 tuần: BMR x 1.375• Nhóm 3. Vận động vừa phải: 3-5 lần/ 1 tuần: BMR x 1.55• Nhóm 4. Vận động nhiều: 6-7 lần/1 tuần: BMR x 1.725• Nhóm 5. Vận động nặng: Trên 7 lần 1 tuần: BMR x 1.9- Kết quả tính ra là số lượng calo cần thiết nạp vào hàng ngày để có thể duy trì cânnặng hiện tại của bạn.- Nếu bạn muốn giảm cân, hãy giảm lượng calo tiêu thụ hàng ngày xuống và kếthợp với tập luyện để đốt cháy lượng mỡ thừa trong cơ thể.Lời khuyên của các chuyên gia bạn chỉ nên cắt giảm 200-500 calo mỗi ngày để cóthể giảm được 0.9-1.81 kg 1 tháng. Bạn không nên cắt giảm nhiều hơn bởi việcgiảm cân quá nhanh có thể ảnh hưởng đến sức khỏe.- Nếu bạn muốn tăng cân, hãy cung cấp thêm calo cho cơ thể. Nên nhớ phải cónăng lượng dư ra mỗi ngày bạn mới có thể tăng cân được. Nhưng cũng có khuyếncáo cho việc tăng cân quá nhanh như việc giảm cân. Tăng 10% lượng calo 1 ngàyđể giữ cân là an toàn nhất. Nếu tăng 20% là tạm được. Không khuyến khích việctăng quá 20% lượng calo hàng ngày.2.4. Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp và nguyên tắc hoạt động củacơ thể sốngPhương pháp đo nhiệt lượng của Lavoadie và Laplace dùng trong thínghiệm chứng minh tính đúng đắn của định luật I nhiệt động học khi áp dụng vàohệ sinh vật, gọi là phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp. Cơ sở của phương phápnày là dựa vào lượng khí ôxy tiêu thụhoặc lượng khí CO2 do cơthểthải ra ở độngvật máu nóng (động vật có vú và người), có liên quan chặt chẽvới nhiệt lượng chứatrong thức ăn. Ví dụ: Quá trình ôxy hóa glucose, phản ứng diễn ra như sau:C6H12O6 + 6O2 = 6CO2+ 6H2O + 678 KCal(180gam) (134,4l)(134,4l)10Học viên: Nguyễn Thị HàTrường Đại học công nghiệp Hà NộiTừ phản ứng trên cho thấy cứ ôxy hoá hoàn toàn 1 phân tử gam glucose thì cầnphải tiêu thụ6 phân tử gam ôxy đồng thời thải ra 6 phân tử gam khí CO2và giảiphóng ra 678 KCal. Ở điều kiện tiêu chuẩn, mỗi phân tử gam chất khí đều chứa22,4 lít. Do vậy phân tửgam ôxy hoặc CO2 đều chứa: 6 x 22,4 lít = 134,4 lít.Từ đó suy ra, cơ thể cứ tiêu thụ 1 lít O2 để ôxy hoá hoàn toàn một phân tử gamglucose đồng thời thải ra 1 lít CO2 thì kèm theo giải phóng một nhiệt lượng là:678 KCal: 134,4 lít = 5,047 KCal/lít và gọi là đương lượng nhiệt của ôxy.Dựa vào phương pháp nhiệt lượng kếgián tiếp, có thểxác định được sựthảinhiệt của bất kì động vật máu nóng nào thông qua sốlít ôxy tiêu thụ(hoặc sốlítCO2thải ra). Từphản ứng ôxy hóa glucose ởtrên và sau này áp dụng chung choGluxit khi ôxy hoá hoàn toàn sẽgiải phóng ra nhiệt lượng được tính theo côngthức:Q(KCal) = số lít O2( hoặc số lít CO2) x 5,047 (1.4)Khi ôxy hóa Protein, nhiệt lượng giải phóng ra được tính theo công thức:Q(KCal) = số lít O2 x 4,46 (1.5)Khi ôxy hoá Lipit, nhiệt lượng giải phóng ra được tính theo công thức:Q(KCal) = số lít O2 x 4,74 (1.6)Mối quan hệgiữa thức ăn, sốlít O2 tiêu thụ và số lít CO2 thải ra cùng đương lượngnhiệt của ôxy được thểhiện qua bảng 1.1.Bảng 1.1: Đương lượng nhiệt của ôxy đối với các loại thức ăn.Thức ănSố lít O2 cần đểsố lít CO2 thải raĐương lượngôxy hoá 1 gamsau khi ôxy hoánhiệt của ôxythức ăn1g thức ănGluxit0,830,835,047Protein0,970,774,46Lipit2,031,424,74Đối với thức ăn hỗn hợp gồm cả Gluxit, Protein và Lipit khi bị ôxy hoá, nhiệtlượng giải phóng ra được tính theo công thức:Q(KCal) = sốlít O2x 4,825 (1.7)Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp còn có thểxác định được nhiệt lượng giảiphóng ra khi ôxy hoá thức ăn thông qua: Thương số hô hấp là tỉ lệ khí CO2 trênkhí O2. Thương số hô hấp cũng thay đổi tuỳ thuộc vào loại thức ăn được ôxy hoá.11Học viên: Nguyễn Thị HàTrường Đại học công nghiệp Hà Nội- Đối với phản ứng ôxy hoá glucoseThương số hô hấp của glucose được sử dụng cho cả Gluxit.- Đối với phản ứng ôxy hóa Lipit có thương sốhô hấp bằng 0,7, đối với Proteinbằng 0,8 còn với thức ăn hỗn hợp có giá trịnằm trong khoảng từ0,85 đến 0,9.Thương số hô hấp có liên quan với đương lượng nhiệt của ôxy, thểhiện qua bảng1.2.Bảng 1.2: Thương sốhô hấp (TS hô hấp) và đương lượng nhiệt của ôxy (ĐLN củaôxy)TS hô hấp0,70,750,80,850,90,951ĐLN của ôxy4,686 4,7394,801 4,862 4,924 4,985 5,05Khi ôxy hoá thức ăn, bằng cách đo lượng khí O2tiêu thụvà lượng khíCO2thải ra (đơn vị là lít), tính được thương sốhô hấp. Dựa vào bảng 1.2, lấy giá trịđương lượng nhiệt của ôxy tương ứng với thương sốhô hấp nhân với sốlít O2tiêuthụ sẽ biết được nhiệt lượng giải phóng (còn gọi là lượng nhiệt trao đổi hay trị sốtrao đổi năng lượng).Ví dụ: Nếu thương số hô hấp là 0,85 thì có đương lượng nhiệt của ôxy là 4,862 vàbiết cơ thể tiêu thụ 20 lít O2 thì trị số trao đổi năng lượng sẽ là:4,862 x 20 lít O2= 97,24 KCalIII. Định luật II3.1. Định luật II nhiệt động họcĐịnh luật I nhiệt động học chỉ cho biết về sự biến đổi giữa các dạng nănglượng khác nhau, cho phép xác định biểu thức chỉ rõ sự liên quan về lượng giữacác dạng năng lượng khác nhau khi xuất hiện trong một quá trình cho trước. Songđịnh luật I nhiệt động học không cho biết quá trình khi nào có thể xảy ra hoặckhông xảy ra và chiều hướng diễn biến của quá trình nếu xảy ra thì theo chiềuhướng nào?12Học viên: Nguyễn Thị HàTrường Đại học công nghiệp Hà NộiĐịnh luật II nhiệt động học xác định được chiều hướng tự diễn biến của mộtquá trình cũng như cho biết quá trình tự diễn biến đến khi nào thì dừng lại và chophép đánh giá khả năng sinh công của các hệ nhiệt động khác nhau.Định luật II nhiệt động học có ba cách phát biểu.Cách phát biểu thứ nhất còn gọi là tiên đề Clausius đưa ra 1850: "Nhiệt không thểtự động truyền từ vật lạnh sang vật nóng". Từ đó suy ra rằng nhiệt nói riêng cònnhững quá trình nhiệt động nói chung chỉ có thể tự diễn ra nếu xảy ra sự truyềnnăng lượng từ mức độ cao đến mức độ thấp, tức là theo chiều gradien. Gradien củamột thông số đặc trưng cho một tính chất nào đó về trạng thái của hệ(như nồng độ)được xác định bằng hiệu số giá trịcủa thông số đó ở tại hai điểm chia cho khoảngcách giữa hai điểm đó.Khi so sánh một tế bào sống với một vật vô sinh như một hạt cát ta thấy rõngay rằng trong tế bào sống duy trì nhiều loại gradien khác nhau. Gradien màng đểduy trì điện thế tĩnh và điện thế hoạt động, gradien nồng độ để duy trì nồng độ,gradien áp suất thẩm thấu để duy trì lượng nước trong tế bào... Nếu tế bào chết thìcác loại gradien cũng bị triệt tiêu. Nếu xét ở mức độ gradien thì sự sống của tế bàoluôn kèm theo sự tồn tại của các loại gradien. Cách phát biểu thứ hai do Thomsonphát triển tiên đề của Clausius "Không thể có một quá trình biến đổi chuyển toànbộ nhiệt lượng thành công".Theo cách phát biểu của Thomson thì hiệu suất hữu ích của quá trình bao giờ cũngnhỏ hơn 1 (tức η< 1). Điều này có nghĩa trong tự nhiên không có một quá trình nàocó thể chuyển toàn bộ nhiệt lượng được cung cấp thành công hữu ích. Đối với cácquá trình diễn ra trong hệ thống sống có tuân theo cách phát biểu của Thomsonhay không? Vấn đề này sẽ đề cập đến ở phần sau.Cách phát biểu thứ ba trên cơ sở ý kiến của Planck, cho rằng Entropi là mộttiêu chuẩn đầy đủvà cần thiết đểxác định tính thuận nghịch và không thuận nghịchcủa bất cứquá trình vật lí nào diễn ra trong thiên nhiên. Định luật II nhiệt động họcphát biểu nhưsau:"Đối với hệ cô lập, mọi quá trình trong tựnhiên đều diễn biến theo chiều tăng củaentropi". Vậy entropi là gì? Để hiểu rõ đại lượng này ta xét ví dụ về nguyên lý hoạtđộng của máy nhiệt.13Học viên: Nguyễn Thị HàTrường Đại học công nghiệp Hà NộiTheo hình 1.1, nguyên lý hoạt động của máy nổ như sau:Máy chỉ có khả năng sinh công A (tức bánh đã quay) khi được cung cấp nănglượng là xăng. Khi xăng bị đốt cháy có nhiệt độ là T1và giải phóng nhiệt lượng làQ1.Một phần của nhiệt lượng Q1dùng để sinh công, phần còn lại đã truyền cho nguồnnước làm lạnh máy là Q2, dẫn đến làm tăng nhiệt độ của nước là T2. Ở đây Q1>Q2và T1>T2 Theo (1.8) thì hiệu suất hữu ích của quá trình thuận nghịch được xácđịnh theo công thức:Nguồn cung cấp nhiệt ( T1)Q1.Máy sinh côngQ2Nguồn thu nhiệt ( T2)Hình 1.1: Nguyên lý hoạt động của máy nổTừ vật lý học cho biết sự thay đổi entropi của một hệ được xác định theo côngthức:ΔS = Q/T (1.13)ΔS: sự thay đổi entropi của hệ.Q: Nhiệt lượng cung cấp cho hệ(calo)T: Nhiệt độ Kelvin (oK) của hệĐối với quá trình biến thiên vô cùng nhỏ, ta có:14Học viên: Nguyễn Thị HàTrường Đại học công nghiệp Hà NộiĐơn vị của entropi là Cal/M.độEntropi là một hàm trạng thái nên nó chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng tháicuối cùng của hệ.Công thức (1.12) có thểbiểu diễn qua hàm entropi nhưsau:S1: Entropi ở trạng thái đầuS2: Entropi ở trạng thái cuốiĐối với quá trình thuận nghịch theo công thức (1.12) ta có:S1=S2 →S = Const (hằng số) (1.15)Trong một hệ nếu chỉ xảy ra các quá trình thuận nghịch thì hệ luôn duy trì ở trạngthái cân bằng nên entropi của hệ là không đổi. Đối với quá trình không thuậnnghịch thì ΔS > Q/T vì nhiệt lượng cung cấp cho hệ không chỉ làm thay đổi entropicủa hệ mà còn làm thay đổi entropi của môi trường xung quanh do sự ma sát và tỏanhiệt. Thực nghiệm đã xác định đối với một quá trình không thuận nghịch thìentropi của hệ ở trạng cuối (tức S2) bao giờ cũng lớn hơn so với entropi của hệ ởtrạng thái đầu (tức S1). Do vậy:S2-S1>0 (1.16)Trong một hệ xảy ra các quá trình không thuận nghịch thì entropi của hệ bao giờcũng tăng lên. Do vậy, nếu là hệ cô lập thì các quá trình xảy ra trong hệ sẽ tiếntriển theo chiều tăng của entropi và entropi của hệ sẽ đạt giá trị cực đại ởtrạng tháicân bằng nhiệt động.Tính chung cho cả quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch thì sự thay đổientropi của hệcó thể viết nhưsau:ΔS ≥0 (1.17)3.2. Định luật II nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật15Học viên: Nguyễn Thị HàTrường Đại học công nghiệp Hà NộiHệ thống sống là một hệ thống mở, luôn xảy ra quá trình trao đổi vật chất vànăng lượng với môi trường ngoài. Theo cách phát biểu của Thomson: "Không thểchế tạo được động cơ vĩnh cửu loại hai" là động cơ có hiệu suất hữu ích là 100%,khi áp dụng vào hệ thống sống là hoàn toàn đúng đắn. Thực nghiệm đã xác địnhmọi quá trình diễn ra trong hệ thống sống đều có hiệu suất hữu ích nhỏ hơn 100%(xem bảng 1.4).Bảng 1.4: Hiệu suất của một số quá trình sinh vậtQuá trình quang hợp của thực vật có hiệu suất 75% có nghĩa là cây xanh cứhấp thụ 100 calo từ năng lượng ánh sáng mặt trời thì có 75 calo được sử dụng vàotổng hợp chất (phần năng lượng có ích) còn 25 calo tỏa nhiệt sởi ấm cơ thể hayphát tán nhiệt ra môi trường xung quanh (phần năng lượng vô ích).* Vai trò của entropiĐối với hệ cô lập, định luật II nhiệt động học đã khẳng định mọi quá trìnhdiễn biến đều diễn ra theo chiều tăng của entropi và đạt giá trị cực đại khi đạt đếntrạng thái cân bằng nhiệt động thì dừng hẳn. Cơ thể sống là một hệ mở cho nênkhông thể áp dụng định luật II nhiệt động học trực tiếp lên cơ thể sống. Định luậtII nhiệt động học chỉ có thể áp dụng vào hệ sinh vật nếu xem hệ bao gồm cả cơ thểsống và môi trường sống.Về mối liên quan giữa entropi và độ trật tự cấu trúc của cơ thể sống,Schrodinger cho rằng: "Sự sống là sự hấp thụ entropi âm". Giải thích quan điểmnày, theo tác giả là cơ thể sống luôn luôn duy trì độ trật tự cao của mình bằng cáchhấp thụ chất dinh dưỡng có độ trật tự cao như protit, Gluxit, Lipit qua thức ăn.Thực ra, khi tiêu thụ chất dinh dưỡng, cơ thể sống không sử dụng chúng như một16Học viên: Nguyễn Thị HàTrường Đại học công nghiệp Hà Nộinguồn trật tự (để nguyên và dùng làm nguyên liệu để xây dựng nên cơ thể sống)mà chất dinh dưỡng sau khi hấp thụ được phân giải thành chất để tế bào có thể hấpthu được. Chẳng hạn Protein của thịt gà có độ trật tự cao (tức entropi thấp) khiđược cơ thể hấp thụ nó sẽ bị phân giải thành các axit amin nên có độ trật tự kémhơn (tức entropi cao). Do vậy, quan điểm của Schrodinger là hoàn toàn không phảnánh đúng bản chất của quá trình tiêu hóa và hấp thu của cơ thể sống. Độ trật tự cấutrúc và độ trật tự của các quá trình sinh học diễn ra trong cơ thể sống không phảido entropi quyết định mà do cơ thể sử dụng nguồn năng lượng tự do từ nguồn thứcăn để duy trì sự tồn tại và phát triển của cơ thể sống. Trong quá trình phát sinh vàhình thành sự sống trên trái đất, trải qua thời gian tiến hóa với sự chọn lọc của tựnhiên đã hình thành nên các loài sinh vật có sự thích nghi cao với từng loại môitrường sống. Do các nguyên lí của các quá trình sinh học quyết định đã làm cho cơthể sống thích nghi cả về mặt cấu trúc cũng như thích nghi về mặt chức năng chứkhông phải hoàn toàn do entropi quyết định như trong hệ lý hóa.Tuy nhiên mọi quá trình sinh lý, sinh hóa diễn ra trong cơ thể sống đều kèmtheo sự thay đổi của entropi.Khi xét entropi riêng của một cơthể sống mà không gắn với entropi của môitrường sống thì khi cơ thể ởtrạng thái cân bằng dừng, entropi có một giá trị xácđịnh nhưng không phải là cực đại và không đổi. Khi cơ thể sống nhiễm phóng xạ,nhiễm chất độc hại, nhiễm virut thì entropi sẽ tăng và có giá trị lớn hơn so vớientropi khi ở trạng thái cân bằng dừng. Khi cơ thể sống có quá trình sinh tổng hợpchất (nhưquá trình quang hợp ở thực vật) diễn ra mạnh hơn so với quá trình phânhủy chất thì entropi sẽ giảm và có giá trị nhỏ hơn so với entropi khi ởtrạng thái cânbằng dừng là trạng thái có tốc độ phản ứng tổng hợp cân bằng với tốc độ phản ứngphân hủy. Sự thay đổi entropi diễn ra trong cơ thể sống không vi phạm định luật IInhiệt động học vì cơ thể sống là một hệ mở chứ không phải là một hệ cô lập.3.3. Phân biệt nguyên tắc hoạt động của cơ thể sống với máy nhiệt17Học viên: Nguyễn Thị HàTrường Đại học công nghiệp Hà NộiMáy nhiệt là động cơ dùng nhiên liệu đốt như dầu Diedel, xăng để sinh công nhưmáy nổ ôtô, xe máy, máy bơm nước... Trong cơ học, hiệu suất sử dụng năng lượngcủa một cái máy nhiệt, được tính theo công thức:Công thức chuyển đổi giữa nhiệt độKelvin và nhiệt độbách phân (oC):T(oK) = t(oC) + 273 (1.9)Giả sử hiệu suất sử dụng năng lượng của một máy nhiệt đạt trung bình là33% = 33/100 ≈1/3Nếu ta cũng giả sử cơ thể sống hoạt động giống như một máy nhiệt, tức là cũng cóhiệu suất sử dụng năng lượng là 33% ?Nhiệt độ ban đầu của cơ thể người là 37oC, theo công thức (1.9) tính ra:T1= 37 + 273 = 310oK Thay η= 33% ≈31và T1= 310oK vào công thức (1.8) sẽđược:Kết quả trên cho thấy cơ thể sống hoạt động không giống như một máy nhiệt. Đốivới cơ thể sống, Protein bị biến tính ngay ở nhiệt độ từ40 oC đến 60oC còn ở192oCthì không có một sinh vật nhân chuẩn nào có thể sống được. Điều đó khẳng địnhcơ thể sống hoạt động không giống như một máy nhiệt mà hoạt động theonguyên lý của các quá trình sinh học.18Học viên: Nguyễn Thị HàTrường Đại học công nghiệp Hà NộiTài liệu tham khảo1. Giáo trình nhiệt động học cho hệ sinh vật – trường đại học Thái Nguyên2.Hóa lý (tập 1) – Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế Nhà xuất bản giáo dục3.Vật lý đại cương – Lương Duyên Bình - Nhà xuất bản giáo dục4.Vật lý phân tử và nhiệt học – Lê Văn- Nhà xuất bản giáo dục.5.Nguyên lý động cơ đốt trong – Nguyễn Tất Tiến - Nhà xuất bản giáo dục6.Nhiệt động học trong kỹ thuật hóa học – La Văn Bình – Nhà xuất bảnkhoa học và kỹ thuật19Học viên: Nguyễn Thị Hà |
