Tabla de Contenidos
Các định luật nhiệt động lực học là một bộ bốn phát biểu mô tả cách năng lượng được biến đổi và cách năng lượng được truyền từ hệ thống này sang hệ thống khác hoặc giữa hệ thống và môi trường của nó. Những định luật này có tầm quan trọng to lớn đối với khoa học, vì chúng giúp chúng ta hiểu lý do tại sao nhiều hiện tượng mà chúng ta thấy hàng ngày xảy ra.
Theo nghĩa này, không có hiện tượng nào đặc biệt và ấn tượng hơn chính sự sống, và nó không thoát khỏi các định luật nhiệt động lực học. Tiếp theo, chúng ta sẽ khám phá cách các định luật này áp dụng cho các hệ thống sinh học và cách chúng giúp chúng ta hiểu mọi thứ từ các quy trình đơn giản nhất, chẳng hạn như khuếch tán thụ động qua màng, đến bộ máy phức tạp cho phép chúng ta biến đổi thức ăn thành năng lượng để duy trì sự sống .cuộc sống.
Bốn định luật nhiệt động lực học:
- Không có luật.
- Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học.
- Định luật thứ hai của nhiệt động lực học.
- Định luật thứ ba của nhiệt động lực học.
Tuy nhiên, trong 4 định luật thì định luật 0 tương đối tầm thường và định luật 3 ít có ứng dụng trực tiếp trong sinh học nên trong bài viết này chúng tôi chỉ đề cập sơ qua về định luật 0 và định luật 3.
Hệ thống nhiệt động lực học trong sinh học
Để hiểu đầy đủ về nhiệt động lực học nói chung, người ta phải bắt đầu bằng cách hiểu hệ thống nhiệt động lực học là gì. Điều này đề cập đến phần của vũ trụ mà chúng ta đang nghiên cứu. Phần còn lại của vũ trụ không phải là một phần của hệ thống được gọi là môi trường.
Tùy thuộc vào đặc điểm của tường hoặc ranh giới giữa hệ thống và môi trường, các hệ thống có thể được cách ly, đóng hoặc mở. Các hệ thống sinh học nói chung là các hệ thống mở cho phép truyền cả năng lượng và vật chất từ môi trường sang hệ thống và ngược lại.
luật không
Định luật 0 liên quan đến trạng thái cân bằng nhiệt, nghĩa là điều kiện trong đó hai vật tiếp xúc nhiệt không trao đổi nhiệt với nhau. Định luật này có thể được phát biểu như sau:
Hai hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt với hệ thứ ba cũng ở trạng thái cân bằng nhiệt với nhau.
Điều này được minh họa trong hình sau. Nếu hệ thống A và B ở trạng thái cân bằng nhiệt và hệ thống B và C cũng ở trạng thái cân bằng nhiệt thì hệ thống A và C phải ở trạng thái cân bằng nhiệt.
Ứng dụng của luật zeroth trong các hệ thống sinh học
Như chúng ta vừa quan sát, định luật zero cho phép chúng ta thiết lập thời điểm hai hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt. Chúng tôi áp dụng định luật này mà không nhận ra nó mỗi khi chúng tôi đo nhiệt độ bằng nhiệt kế.
Ví dụ, nếu chúng ta để nhiệt kế tiếp xúc với bên trong miệng (là một hệ thống sinh học), cuối cùng sẽ đạt được trạng thái cân bằng nhiệt giữa mặt kính của nhiệt kế và miệng. Tuy nhiên, khi đọc nhiệt độ nhờ thủy ngân bên trong, chúng tôi cho rằng thủy ngân cũng sẽ ở trạng thái cân bằng nhiệt với miệng, mặc dù không tiếp xúc trực tiếp với nó.
Tuy nhiên, vì thủy ngân tiếp xúc và ở trạng thái cân bằng nhiệt với thủy tinh, và thủy tinh ở trạng thái cân bằng nhiệt với miệng, nên định luật 0 phát biểu rằng thủy ngân cũng phải ở trạng thái cân bằng nhiệt với miệng.
Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học
Định luật thứ nhất là định luật bảo toàn năng lượng. Điều này nói rằng năng lượng trong vũ trụ là không đổi. Nó không được tạo ra cũng không bị hủy diệt, nó chỉ được biến đổi . Điều này có nghĩa là không có quá trình nào có thể xảy ra trong bất kỳ hệ thống nào (dù là sinh học hay không), trong đó hệ thống thu được năng lượng dưới dạng nào đó mà môi trường không làm mất năng lượng đó.
Định luật này có dạng toán học rất đơn giản đó là:
trong đó U đại diện cho năng lượng bên trong của hệ thống, q là lượng nhiệt đi vào hệ thống và w là lượng công việc mà hệ thống truyền ra môi trường xung quanh. Trong một số trường hợp, công việc được viết với một dấu hiệu tích cực, nhưng nó được thay thế bằng công việc mà môi trường thực hiện trên hệ thống; trong mọi trường hợp, ý nghĩa của cả hai phương trình là hoàn toàn giống nhau.
Ứng dụng của luật đầu tiên trong các hệ thống sinh học
Rất dễ hiểu việc áp dụng định luật thứ nhất cho các hệ thống sinh học ở mọi quy mô, từ một con vi khuẩn nhỏ, đến con người, đến một cây sequoia khổng lồ. Nó chỉ đơn giản là sự cân bằng năng lượng.
Ví dụ về việc áp dụng luật đầu tiên trong các hệ thống sinh học
Chúng ta có thể xem thức ăn của mình là nguồn năng lượng, “calo” mà chúng ta ăn. Mỡ cơ thể, là một trong những cách cơ thể dự trữ năng lượng, đại diện cho mức năng lượng bên trong, trong khi w, công việc mà hệ thống thực hiện, là tập thể dục. Nhìn theo cách này, luật đầu tiên cho chúng ta một lời giải thích rất đơn giản để hiểu tại sao chúng ta béo lên. Bất cứ khi nào chúng ta ăn thức ăn, nghĩa là calo, nếu chúng ta không đốt cháy chúng bằng cách tập thể dục để trả lại chúng cho môi trường, thì chúng sẽ được lưu trữ dưới dạng năng lượng bên trong, tức là ở dạng mỡ trong cơ thể.
Bất cứ ai muốn giảm cân đều phải đảm bảo rằng q (những gì họ ăn) ít hơn w (năng lượng họ dành cho việc tập thể dục và phát triển các chức năng quan trọng của họ).
Luật này cho phép chúng tôi thiết lập rõ ràng quá trình nào là có thể và quá trình nào là không thể. Giảm cân bằng cách ăn nhiều calo hơn mức chúng ta đốt cháy đơn giản là không thể, bất kể họ muốn thuyết phục chúng ta về điều đó đến mức nào.
Định luật thứ hai của nhiệt động lực học
Định luật thứ hai phát biểu rằng, trong bất kỳ quá trình tự nhiên hoặc tự phát nào, một phần năng lượng bên trong luôn bị mất đi dưới dạng nhiệt. Điều này giải thích tại sao một quả bóng được thả từ một độ cao nhất định và được phép nảy lên mỗi khi nó đạt đến độ cao thấp hơn, cho đến khi nó dừng lại trên mặt đất.
Nếu chúng ta tuân theo định luật đầu tiên, năng lượng tiềm năng ban đầu được lưu trữ trong quả bóng phải biến đi đâu đó. Định luật thứ hai xác định rằng năng lượng này bị tiêu tán dưới dạng nhiệt đối với môi trường xung quanh.
Ứng dụng của định luật thứ hai trong các hệ thống sinh học
Định luật thứ hai có nhiều ý nghĩa đối với sinh học và các hệ thống sinh học. Tuy nhiên, để hiểu cách nó áp dụng cho ngành khoa học này, trước tiên chúng ta phải hiểu các khái niệm về entropy và năng lượng tự do Gibbs cũng như cách chúng liên quan đến định luật thứ hai.
Sự hỗn loạn
Bất cứ khi nào bạn nói về Định luật thứ hai, bạn nói về entropy, một khái niệm vật lý được biểu thị bằng chữ S. Entropy ban đầu được phát hiện là một hàm trạng thái mà sự thay đổi của nó trong một quá trình nhiệt động lực học là thước đo lượng nhiệt tiêu tan trong quá trình này. Tuy nhiên, một nhà khoa học tên là Ludwig Boltzmann đã phát hiện ra rằng entropy thực sự là thước đo mức độ rối loạn của một hệ thống.
Thông qua nhiều thao tác toán học khác nhau, người ta đã kết luận rằng định luật thứ hai có thể được phát biểu theo sự thay đổi entropy của vũ trụ (ΔS U ) như sau:
Mọi quá trình tự nhiên hoặc tự phát nhất thiết phải bao hàm sự gia tăng entropy của vũ trụ .
Điều đó có nghĩa là, entropy và Định luật thứ hai cung cấp cho chúng ta một công cụ để dự đoán khi nào một quá trình sẽ tự phát và khi nào thì không. Hơn nữa, nó cho chúng ta lời giải thích về xu hướng của tất cả các quá trình trong vũ trụ kể từ vụ nổ Big Bang . Chúng ta có thể nói rằng mọi thứ xảy ra trong vũ trụ ngày nay đều nhằm mục đích tiêu tan dưới dạng nhiệt tất cả năng lượng được giải phóng trong quá trình hình thành vũ trụ.
Năng lượng tự do Gibbs
Ở mức độ thực tế, định luật thứ hai được áp dụng cho các hệ thống sinh học bằng một hàm trạng thái khác gọi là năng lượng tự do Gibbs, được biểu thị bằng chữ G. Như tên gọi của nó, định luật này bao gồm lượng năng lượng tối đa mà một hệ thống tự do. để sử dụng để làm một công việc khác hơn là mở rộng. Điều này đặc biệt có liên quan trong sinh học và hóa sinh, vì nó bao gồm công việc trên các quá trình như khuếch tán qua màng (dù chủ động hay thụ động), tất cả các phản ứng xúc tác bởi enzym, các quá trình điện hóa (bao gồm điện thế hoạt động trong tế bào thần kinh và tế bào cơ), v.v.
Tầm quan trọng của năng lượng Gibbs là, trong các điều kiện bình thường mà sự sống và các quá trình sinh học xảy ra, sự thay đổi năng lượng tự do Gibbs, nghĩa là ΔG, có liên quan trực tiếp đến sự thay đổi entropy của vũ trụ. (ΔS U ), theo cách mà nếu chúng ta biết dấu của ΔG, thì chúng ta có thể suy ra dấu của ΔS U , vì vậy chúng ta có thể sử dụng nó như một tiêu chí về tính tự phát cho các phản ứng hóa học và các quá trình khác xảy ra trong các tế bào của cơ thể chúng ta.
Các tiêu chí tự phát được tóm tắt trong bảng sau:
| dấu của ∆G | dấu của ∆S U | tính tự phát của quá trình |
| ΔG > 0 (dương) | ΔS U < 0 (âm) | quá trình tự phát |
| ΔG < 0 (âm) | ΔS U > 0 (dương) | quá trình không tự phát |
| ΔG = 0 | ∆S U = 0 | Hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động |
Sự kết hợp của các phản ứng sinh hóa
Các quá trình có sự thay đổi năng lượng tự do âm và do đó là năng lượng giải phóng tự phát và do đó được gọi là quá trình tỏa nhiệt hoặc tỏa nhiệt. Mặt khác, những chất có ΔG âm không tự phát, chúng hấp thụ năng lượng và được gọi là nội sinh hay thu nhiệt.
Nói một cách đơn giản, các quá trình tự phát giải phóng năng lượng một cách tự nhiên, trong khi các quá trình không tự phát không thể xảy ra một cách tự phát trừ khi được cung cấp năng lượng tự do cần thiết để chúng xảy ra. Điều này có nghĩa là một phản ứng tự phát có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cần thiết cho một phản ứng không tự phát xảy ra.
Để hiểu điều này rõ hơn, hãy tưởng tượng một chiếc ô tô đang ở dưới chân núi. Sẽ rất hiếm khi thấy anh ấy tự nhiên leo núi khi tắt động cơ mà không cần bất kỳ sự trợ giúp nào. Tuy nhiên, khi bạn khởi động động cơ, quá trình đốt cháy xăng hoặc dòng điện sẽ tự động giải phóng một lượng lớn năng lượng, năng lượng này được sử dụng để quay các bánh xe và đẩy xe lên. Theo cách này, một quá trình tự phát được kết hợp với một quá trình không tự phát.
Ví dụ về việc áp dụng định luật thứ hai trong các hệ thống sinh học
Ví dụ quan trọng nhất về việc áp dụng định luật này vào các hệ thống sinh học là việc sử dụng ATP làm nguồn năng lượng để thúc đẩy hầu hết các phản ứng sinh hóa giúp duy trì sự sống.
Quá trình thủy phân ATP là một quá trình tỏa nhiệt cao (cũng như quá trình đốt cháy xăng trong ví dụ trước). Các enzym bên trong tế bào sử dụng phản ứng này và các phản ứng thủy phân tự phát khác để giải phóng năng lượng mà chúng cần để thúc đẩy các phản ứng sinh hóa khác cần thiết cho sự sống, chẳng hạn như sinh tổng hợp protein và axit nucleic.
Định luật thứ ba của nhiệt động lực học
Định luật thứ ba (hay nguyên lý thứ ba) phát biểu rằng bất kỳ hệ thống nào cũng có xu hướng mất entropy khi nhiệt độ giảm và nó đạt mức tối thiểu đó ở độ không tuyệt đối. Đối với trường hợp chất rắn kết tinh đơn nguyên tử hoàn hảo, entropy ở độ không tuyệt đối bằng không.
Định luật này cho phép chúng ta hiểu entropy là một thang đo tuyệt đối và cũng cho phép chúng ta xác định giá trị của entropy tuyệt đối của bất kỳ chất nào trong bất kỳ điều kiện nhiệt độ và áp suất nào.
Ứng dụng của định luật thứ ba trong các hệ thống sinh học
Công dụng của định luật này là nó cho phép chúng ta đo lường trực tiếp mức độ rối loạn thực sự của các chất hóa học khác nhau trong các điều kiện khác nhau và tạo điều kiện thuận lợi đáng kể cho việc tính toán lý thuyết các biến thiên entropy (và mở rộng ra là năng lượng tự do). de Gibbs) cho bất kỳ phản ứng hóa học nào, kể cả các phản ứng sinh hóa xảy ra trong các hệ thống sinh học.
Người giới thiệu
Atkins, P., & dePaula, J. (2014). Atkins ‘Physical Chemistry (rev. ed.). Oxford, Vương quốc Anh: Nhà xuất bản Đại học Oxford.
Chang, R. (2008). Hóa học vật lý (tái bản lần thứ 3). Thành phố New York, New York: Đồi McGraw.
Clark, MA, Douglas, M., & Choi, J. (2018, ngày 28 tháng 3). 6.3 Định luật nhiệt động lực học – Sinh học 2e | OpenStax. Lấy từ https://openstax.org/books/biology-2e/pages/6-3-the-laws-of-thermodynamics
Học viện Khan. (2017). Các định luật nhiệt động lực học (bài báo). Lấy từ https://es.khanacademy.org/science/ap-biology/cellular-energetics/cellular-energy/a/the-laws-of-thermodynamics
Máxima U., J. Dành cho: Features.co. (2021, ngày 26 tháng 5). Định luật nhiệt động lực học. Lấy từ https://www.caracteristicas.co/leyes-de-la-termodinamica/
Nelson, DL, Cox, MM, & Foix, CCM (2018). Lehninger Nguyên tắc Hóa sinh ( tái bản lần thứ nhất .). Barcelona, Tây Ban Nha: OMEGA EDITIONS, SA
