Please enable JavaScript.
Coggle requires JavaScript to display documents.
NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC TRONG KHOA HỌC SỰ SỐNG - Coggle Diagram
NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
TRONG KHOA HỌC SỰ SỐNG
Ứng dụng của nhiệt động lực học trong khoa học sự sống
Sự biến đổi năng lượng trong hệ thống sống
Các dạng năng lượng: Cơ thể sống sử dụng cơ năng, điện năng, hóa năng, quang năng, nhiệt năng, và năng lượng hạt nhân.
Biến đổi năng lượng: Cơ thể chuyển hóa năng lượng từ môi trường (chủ yếu từ thức ăn) thành các dạng cần thiết và nhiệt năng, sử dụng để duy trì sự sống, phát triển, và sinh sản
Ứng dụng nguyên lí II nhiệt động lực học cho hệ thống sống
Trạng thái cân bằng dừng của hệ sống: Trong hệ sống (hệ mở), trạng thái dừng được duy trì khi tốc độ trao đổi chất và năng lượng với môi trường đạt mức cân bằng. Trạng thái dừng có thể thay đổi theo điều kiện bên ngoài và bên trong, đảm bảo ổn định nhờ cân bằng nội môi.
Áp dụng nguyên lý II nhiệt động học cho hệ sống: Hệ sống duy trì cấu trúc có trật tự cao bằng cách trao đổi chất với môi trường, khiến entropy giảm trong hệ nhưng tăng ngoài môi trường. Sự biến đổi entropy tổng hợp từ quá trình trong và ngoài hệ, đảm bảo hệ tiến hóa và duy trì hoạt động sống không thuận nghịch.
Ứng dụng nguyên lí I nhiệt động lực học trong sự sống
Các dạng công trong cơ thể: Bao gồm công hóa học (tổng hợp chất), cơ học (chuyển động cơ thể), thẩm thấu (vận chuyển qua màng), và điện (vận chuyển ion).
Khẩu phần ăn: Cần cung cấp đủ năng lượng và cân bằng dinh dưỡng (glucid, protein, lipid) để tránh thừa hoặc thiếu cân
Cân bằng năng lượng: Cơ thể tạo ra và sử dụng năng lượng qua thức ăn để duy trì hoạt động, chống mất nhiệt, và dự trữ năng lượng.
Nhiệt lượng trong cơ thể: Nhiệt lượng sơ cấp (Q1) sinh ra từ quá trình trao đổi chất không thuận nghịch, nhiệt lượng thứ cấp (Q2) từ việc phá vỡ liên kết năng lượng để điều hòa hoạt động cơ thể
Hệ tim mạch: Tim thực hiện công cơ học để đẩy máu, với năng lượng chủ yếu từ ATP, glucose và phospholipid, đạt hiệu suất 20-30% khi hoạt động mạnh, còn lại là nhiệt năng
Cơ sở khoa học của nhiệt động lực học
Nguyên lí I nhiệt động lực học
Hệ thống nhiệt động: Là vật hoặc đối tượng với nhiều phần tử nhỏ, có khả năng trao đổi năng lượng và vật chất với môi trường
Phân loại hệ
Hệ đồng thể: Có một pha duy nhất, đồng nhất về thành phần và tính chất.
Hệ dị thể: Gồm nhiều pha khác nhau, ngăn cách bởi bề mặt phân chia pha
Cơ thể sinh vật: Là hệ mở đặc biệt, khác các hệ khác nhờ khả năng tự tái tạo, tự phát triển, và chứa protein, acid nucleic
Trạng thái hệ: Được đặc trưng bởi các tính chất như nhiệt độ, áp suất, thể tích, nội năng, entropi.
Quá trình kín (chu trình): Hệ trở về trạng thái ban đầu sau một chuỗi biến đổi
. Năng lượng và nhiệt lượng: Là thước đo khả năng sinh công; nhiệt lượng được truyền từ vật nóng sang vật lạnh.
Nội năng (U): Tổng năng lượng của chuyển động và tương tác giữa các phần tử trong hệ, chỉ thay đổi khi hệ chuyển trạng thái
Nguyên lí II nhiệt động lực học
Năng lượng tự do (F): Được tính theo công thức F=U-T .F đây là phần năng lượng có thể sinh công của hệ thống, trong khi T .S là phần năng lượng không thể biến thành công
Quá trình thuận nghịch và bất thuận nghịch: Các quá trình diễn ra theo hai hướng—thuận nghịch (có thể đảo ngược) và bất thuận nghịch (không thể đảo ngược).
Trạng thái cân bằng: Hệ đạt cân bằng khi các thông số ổn định và không đổi nếu không có tác động từ bên ngoài. Ở trạng thái này, entropi S đạt cực đại, năng lượng tự do F đạt cực tiểu, và nội năng U không đổi.
Quá trình thuận nghịch: Là quá trình có thể đảo ngược, không gây thay đổi vĩnh viễn lên môi trường. Ví dụ: dao động của con lắc.
Quá trình không thuận nghịch: Xảy ra khi có suy giảm gradient (như nhiệt độ, nồng độ), dẫn đến tăng tính mất trật tự trong hệ. Quá trình này không thể tự trở về trạng thái ban đầu mà cần tác động từ bên ngoài. Ví dụ: vỡ trứng, tan nước đá.
Nguyên lý II nhiệt động lực học:
Entropy thay đổi theo nguyên lý: ΔS ≥ 0.
Hệ cô lập không thể duy trì hoặc tăng trật tự mà không giảm entropy. Các quá trình chỉ tự diễn biến nếu entropy (S) tăng và đạt cực đại ở trạng thái cân bằng
Gradient: Đo mức độ và hướng thay đổi của các đại lượng trong không gian, gồm gradient nồng độ, thẩm thấu, và điện hóa trong tế bào sống.
Entropi (S): Là đại lượng thể hiện tính mất trật tự của hệ. Entropi tăng khi hệ nhận nhiệt, và có xu hướng đạt giá trị cao hơn ở các trạng thái có xác suất nhiệt động lớn hơn