Lý sinh học

Nhiệt động học hệ sinh vật và hướng nghiên cứuNhiệt động học hệ sinh vật là lĩnh vực 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 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 năng lượng vì vậy nhiệt động học hệ sinh vật là lĩnh vực cần được nghiên cứu....
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Lý sinh học ĐOÀN SUY NGHĨ (chủ biên) LÊ VĂN TRỌNGLÝ SINH HỌC Huế 2005Chương 1 NHIỆT ĐỘNG HỌC HỆ SINH VẬTI. Nhiệt động học hệ sinh vật và hướng nghiên cứu Nhiệt động học hệ sinh vật là lĩnh vực nghiên cứu hiệu ứng năng lượng, sự chuyển hoágiữa các dạng năng lượng, khả năng tiến triển, chiều hướng và giới hạn tự diễn biến củacác 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 vậynhiệt động học hệ sinh vật là lĩnh vực cần được nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu củanhiệt động học hệ sinh vật là cơ thể sống, đó là một hệ mở do luôn xảy ra sự trao đổi vậtchất và năng lượng với môi trường xung quanh, có khả năng tự điều chỉnh, tự sinh sản...nên khác với hệ vật lí như chất rắn, chất lỏng hay chất khí... Hiện nay nhiệt động học hệsinh 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 toànbộ cơ thể khi ở trạng thái sinh lý bình thường và trạng thái đang hoạt động. Xác định hiệusuất sử dụng năng lượng của các quá trình sinh vật và năng lượng liên kết trong các liênkết của các cao phân tử sinh học.- Nghiên cứu tính chất nhiệt động của các quá trình diễn ra trong cơ thể sống như quátrình khuyếch tán, thẩm thấu, vận chuyển tích cực...- Nghiên cứu cơ chế tác động của sự thay đổi các yếu tố môi trường lên quá trình chuyểnhoá 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: 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 nghiêncứu 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 trườngxung quanh. Trên thực tế khó xác định được một hệ cô lập hoàn toàn nhưng ở qui mô thínghiệm các nhà khoa học có thể thiết kế được hệ cô lập như bom nhiệt lượng dùng đểnghiên 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 trao đổinăng 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 nhưnhiệt 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 trị nhấtđịnh và không đổi theo thời gian.- Quá trình cân bằng: Là quá trình trong đó các tham số trạng thái thay đổi với tốc độchậm tới mức sao cho tại mỗi thời điểm có thể xem như trạng thái của hệ là trạng thái cânbằng.- Quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp, đẳng tích là quá trình diễn ra trong đó nhiệt độ, áp suấtvà thể tích luôn không đổi trong suốt quá trình diễn ra.- Quá trình thuận nghịch: Là quá trình biến đổi mà khi trở về trạng thái ban đầu khôngkèm 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 làmthay đổi môi trường xung quanh.- Hàm trạng thái: Một đại lượng được xem là một hàm trạng thái, đặc trưng cho trạngthái của hệ, khi sự biến thiên giá trị của nó trong bất cứ quá trình nào cũng chỉ phụ thuộcvào 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 nhữnghàm trạng thái.- Năng lượng: Năng lượng là đại lượng có thể đo được, có thể biến đổi một cách địnhlượng luôn theo cùng một tỉ lệ thành nhiệt lượng. Năng lượng phản ánh khả năng sinhcông của một hệ. Đơn vị dùng để đo năng lượng là Calo (Cal) hay Joule (J).- Công và nhiệt: Đó là hai hình thức truyền năng lượng từ hệ này sang hệ khác. Nếu nhưsự truyền năng lượng từ hệ này sang hệ khác gắn liền với sự di chuyển vị trí của hệ thì sựtruyền đó được thực hiện dưới dạng công. Ví dụ khi chạy 100 mét thì năng lượng tiêu tốnđã được dùng vào thực hiện công để di chuyển vị trí. Nếu sự truyền năng lượng từ hệ nàysang hệ khác làm tăng tốc độ chuyển động của phân tử ở hệ nhận năng lượng thì sựtruyền 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.- Nội năng: Nội năng của một vật thể bao gồm động năng của các phân tử chuyển độngvà thế năng tương tác do sự hút và đẩy lẫn nhau giữa các phân tử cùng với năng lượngcủa hạt nhân nguyên tử và năng lượng của các điện tử.III. Định luật I nhiệt động học và những hệ quả của nó Định luật I nhiệt động học được hình thành qua các công trình nghiên cứu của các tácgiả như M. V. Lomonoxob (1744), G. I. Heccer (1836), R. Majo (1842), Helmholtz(1849), Joule (1877)... Định luật I nhiệt động học được phát biểu như sau:Trong một quá trình nếu năng lượng ở dạng này biến đi thì năng lượng ở dạng khác sẽxuất hiện với lượng hoàn toàn tương đương ...