CƠ HỌC
CÁC KHÁI NIỆM ĐẠI CƯƠNG
1.1 Một số khái niệm cơ bản
Chuyển động cơ học: sự thay đổi vị trí của vật hay một bộ phận của vật trong không gian theo thời gian.
Hệ quy chiếu là một khái niệm quan trọng trong vật lý, bao gồm vật được chọn làm mốc, hệ tọa độ và đồng hồ gắn liền với nó Nó được sử dụng để xác định vị trí của các vật khác trong không gian.
Trong vật lý, mỗi thuộc tính của một đối tượng vật lý được mô tả bằng các đại lượng vật lý Một trong những nhiệm vụ quan trọng là đo lường các đại lượng này, và để thực hiện điều đó, cần phải chọn một đại lượng làm mẫu, được gọi là đơn vị.
Bảng 1 1 Bảy đại lượng Vật lý cơ bản trong hệ SI (hệ đơn vị đo lường quốc tế)
Tên đại lượng Ký hiệu Tên đơn vị Ký hiệu đơn vị
Cường độ dòng điện I ampe A
Cường độ sáng J candela Cd
Lượng vật chất N mol Mol
Muốn biểu diễn những số rất nhỏ hay rất lớn, người ta dùng lũy thừa 10.
Bảng 1 2 Các tiền tố dùng trong vật lý và kỹ thuật
Thừa số Tên tiền tố Ký hiệu Thừa số Tên tiền tố Ký hiệu
Các đại lượng vật lý là những thuộc tính đặc trưng cho các đối tượng vật lý, bao gồm vật thể, hiện tượng và quá trình Mỗi thuộc tính này có thể được mô tả bằng một hoặc nhiều đại lượng vật lý khác nhau.
Ví dụ: khối lượng, thể tích, diện tích, lực, năng lượng
Các đại lượng vật lý có thể là vô hướng hay đại lượng vectơ (hữu hướng).
Đại lượng vô hướng được xác định qua giá trị của nó, bao gồm các đại lượng không âm như thể tích và khối lượng, cũng như những đại lượng có thể có giá trị âm hoặc dương như điện tích và hiệu điện thế.
Xác định đại lượng hữu hướng: Nghĩa là xác định điểm đặt, phương, chiều và độ lớn của vectơ đặc trưng cho đại lượng đó.
Vận tốc là một đại lượng vật lý quan trọng, thể hiện sự thay đổi quãng đường di chuyển theo thời gian, phản ánh tốc độ chuyển động nhanh hay chậm của một vật thể.
Ký hiệu: v Đơn vị: m/s (trong hệ SI)
Biểu thức vận tốc tức thời: dt v= dx
Gia tốc là đại lượng vật lý đặc trưng cho sự biến đổi của vectơ vận tốc theo thời gian.
Ví dụ: gia tốc rơi tự do: g = 9,81 m/s 2
Biểu thức gia tốc tức thời: dt v a d
Một chất điểm sẽ duy trì trạng thái đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều cho đến khi có lực tác động từ bên ngoài khiến nó phải thay đổi trạng thái đó.
Tính chất bảo toàn trạng thái đứng yên hay chuyển động thẳng đều gọi là quán tính của vật.
Khi một người đứng yên trên tàu di chuyển với vận tốc đều, người đó cũng di chuyển với vận tốc không đổi Tuy nhiên, khi tàu dừng lại, do quán tính, người vẫn tiếp tục di chuyển về phía trước và có thể bị ngã Ngược lại, khi tàu đứng yên và bắt đầu chuyển động, người cũng có thể ngã về phía sau do sự thay đổi đột ngột trong chuyển động.
Lực, được biểu thị bằng đại lượng vectơ F, là tác dụng của một vật lên vật khác Khi chịu tác động của lực, vật có thể thay đổi vận tốc, dẫn đến gia tốc, hoặc bị biến dạng, làm thay đổi hình dạng và kích thước của nó.
Khi nhiều lực tác dụng lên một chất điểm: F 1
, F 2 , ,F n thì tác dụng đồng thời của nhiều lực tương đương với tác dụng của lực tổng hợp.
F là tổng vectơ của các lực thành phần.
Phát biểu : Gia tốc mà chất điểm thu được tỉ lệ thuận với lực tác dụng lên chất điểm và tỉ lệ nghịch với khối lượng của chất điểm m a F
= hay F ma Đơn vị lực: Niutơn (ký hiệu N) 1N = 1kg.m/s 2
Khi vật A tác dụng lên vật B một lực F₁, vật B sẽ tác dụng ngược lại lên vật A một lực F₂ cùng phương, ngược chiều với F₁ và có độ lớn bằng độ lớn của F₁.
(hai lực F 1 và F 2 trực đối nhau)
Một trong hai lực gọi là lực tác dụng, lực còn lại gọi là phản lực.
Ví dụ: Người bơi lấy tay và chân đẩy nước về phía sau, phản lực của nước đẩy người đó về phía trước.
CÁC LỰC CÓ LIÊN QUAN ÐẾN SỰ VẬN ÐỘNG CỦA CƠ THỂ
2.1 Định luật vạn vật hấp dẫn
Lực hấp dẫn giữa hai chất điểm tỉ lệ thuận với tích khối lượng của chúng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.
G = 6,67.10 -11 N.m 2 /kg 2 là hằng số hấp dẫn.
Trọng trường của Trái Đất, được hình thành bởi khối lượng của nó, giữ cho mọi vật rơi xuống bề mặt và duy trì lớp khí quyển bao quanh Lớp khí quyển này không chỉ bảo vệ các sinh vật trên Trái Đất mà còn giúp Trái Đất tránh khỏi tác hại của các bức xạ mạnh từ vũ trụ.
Trọng lực là lực hấp dẫn do Trái Đất tác động lên một cơ thể, kết hợp với lực ly tâm phát sinh từ chuyển động quay của Trái Đất Tuy nhiên, lực ly tâm thường nhỏ hơn nhiều so với lực hấp dẫn, do đó, trọng lực có thể được tính toán chủ yếu dựa vào lực hấp dẫn của Trái Đất.
(1.2) m là khối lượng của cơ thể hoặc vật thể; g là gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s 2
Lực hấp dẫn của Trái Đất luôn hướng về tâm của nó và không bị ảnh hưởng bởi lực ly tâm do sự quay của Trái Đất Điểm mà lực hấp dẫn tác động lên một cơ thể được gọi là trọng tâm.
Tại gần bề mặt của Trái Ðất gia tốc trọng trường được tính bằng công thức:
R, M lần lượt là bán kính và khối lượng của Trái Ðất (R= 6400km; M = 5,98.10 24 kg); Hằng số hấp dẫn bằng G = 6,67.10 -11 m 3 /kg.s 2
Tổng quát, khi xét độ lớn gia tốc trọng trường tại điểm có độ cao là h so với mặt đất, (1.3) có thể viết lại là:
Gia tốc trọng trường tỷ lệ nghịch với độ cao so với tâm Trái Đất, nghĩa là khi độ cao tăng lên, gia tốc trọng trường sẽ giảm Do đó, giá trị cực đại của gia tốc trọng trường goccurs tại mặt đất, được ký hiệu là gmax = g0.
Tính gần đúng g theo ở một độ cao h (nhỏ hơn nhiều so với R) theo công thức:
= - R (1.5) Nếu h > R thì (1.4) cho thấy g≈0, lực hấp dẫn tại đó có thể bỏ qua, ta gọi đó là trường hợp không trọng lực.
Hãy tính gia tốc trọng trường ở đỉnh núi Everest cao 8850m so với mực nước biển. Lấy bán kính và khối lượng TĐ là 6380 km và 5,98.10 24 kg.
Gia tốc trọng trường ở đỉnh núi Everest gh sẽ nhỏ hơn g ở mực nước biển chừng 0,3%.
Cơ thể con người là một hệ thống phức tạp với nhiều bộ phận có cấu tạo và chức năng khác nhau Tư thế của cơ thể như đứng, ngồi hay nằm ảnh hưởng đến cách trọng lực tác động lên các bộ phận, tạo ra áp lực lên những phần khác Điều này có thể kích thích hoặc hạn chế hoạt động của các bộ phận chịu áp lực, từ đó ảnh hưởng đến sức khỏe và chức năng tổng thể của cơ thể.
Trọng tâm của cơ thể thay đổi theo từng tư thế, ảnh hưởng đến sức khỏe và cảm giác của chúng ta Khi đứng lâu, áp lực từ toàn bộ cơ thể lên hai chân kết hợp với phản lực từ mặt đất có thể gây tê chân Tương tự, khi nằm, việc thay đổi vị trí tiếp xúc của lưng với giường là cần thiết để tránh áp lực lên tay chân, như việc gối đầu lên tay có thể hạn chế lưu thông máu Trong hoạt động ăn uống, trọng lực giúp dễ dàng đưa thức ăn từ miệng xuống bao tử khi ngồi hoặc đứng Ngược lại, trong môi trường không có trọng lực, như khi phi công bay, việc uống nước cần sử dụng ống hút để đưa chất lỏng vào miệng.
Lực căng là một loại lực đàn hồi xuất hiện khi chiều dài của vật thay đổi, và bản chất của nó là lực điện từ, bao gồm lực đẩy và lực hút giữa các hạt tích điện Đặc biệt, trong các chất điện môi, phần lớn các bộ phận cơ thể được cấu tạo từ chất này, có cấu trúc phân tử lưỡng cực.
Sự liên kết tĩnh điện giữa các cực lưỡng được ví như liên kết giữa các lò xo, trong đó khi lò xo bị nén hoặc dãn, lực đàn hồi sẽ chống lại ngoại lực và giúp vật trở về kích thước ban đầu.
Công thức của lực đàn hồi (Ðịnh luật Hoock) có thể viết dưới dạng tổng quát là:
Hệ số đàn hồi k, có đơn vị là N/m, được xác định qua công thức F dh = -kx, trong đó x là độ lệch của vật so với vị trí cân bằng, tức là vị trí mà lò xo không bị nén hoặc dãn.
Hình 1.3 Khi một nhóm cơ co thì nhóm cơ đối diện dãn
Các bộ phận trong cơ thể người và động vật được kết nối bởi các tế bào cơ, trong đó lực căng và giãn của các tế bào này có thể được điều khiển thông qua hệ thống thần kinh và các dây thần kinh.
Tùy thuộc vào loại hình vận động như chạy, nhảy, leo trèo, khiêng, đẩy hoặc kéo, các cơ bắp đặc biệt trên các chi sẽ trải qua mức độ căng hoặc dãn phù hợp để hỗ trợ cho hoạt động đó.
Cơ chỉ có khả năng kéo, không thể đẩy; khi cơ co lại, nó trở nên ngắn hơn và dày hơn, hiện tượng này được gọi là co cơ Để đưa xương về vị trí ban đầu, cần có một cơ đối diện hoạt động, vì khi một cơ co lại thì cơ kia sẽ bị dãn Do đó, các cơ hoạt động theo cặp để thực hiện các chuyển động.
Lao động và vận động thường xuyên giúp cơ bắp đạt được độ căng dãn mong muốn, nhưng cũng cần thời gian thư giãn để phục hồi Ngủ đủ giấc trong ngày là yếu tố quan trọng giúp cơ bắp phục hồi chức năng nhanh chóng Bên cạnh đó, phương pháp xoa bóp nhẹ các vùng cơ sẽ kích thích lưu thông máu, tăng cường trao đổi oxy, từ đó cung cấp năng lượng nhiều hơn cho cơ bắp.
Lực ma sát xuất hiện khi có sự tiếp xúc và chuyển động tương đối giữa các vật Khi hai vật rắn tiếp xúc và chuyển động, lực ma sát khô được sinh ra Ngược lại, nếu một hoặc cả hai vật là chất lưu, lực ma sát nhớt sẽ xuất hiện, như trong trường hợp máu chảy trong các ống động mạch và tĩnh mạch, hay luồng khí trong quá trình hô hấp Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào lực ma sát khô.
Lực ma sát f giữa quyển sách và bề mặt gồ ghề ngược với hướng của lực tác dụng
SỰ CÂN BẰNG VÀ ỔN ĐỊNH CỦA VẬT
Trái đất tạo ra lực hút đối với mọi vật có khối lượng, khiến cho từng khối lượng nguyên tố của vật cũng bị ảnh hưởng Tổng hợp tất cả các lực nguyên tố này lại tạo nên một lực hấp dẫn mạnh mẽ từ Trái Đất.
Trọng lực: P = mg , với m là khối lượng vật, g ≈9.81 m/s 2 là gia tốc trọng trường. Điểm đặt của trọng lực gọi là khối tâm.
Mômen quay là đại lượng thể hiện tác dụng làm quay của lực lên một vật rắn có trục quay cố định Giá trị của mômen lực F được tính bằng công thức, trong đó F là độ lớn của lực (N) và d là cánh tay đòn, tức là khoảng cách từ trục quay đến giá trị của lực.
Một vật được coi là ở trạng thái cân bằng tĩnh khi tổng hợp lực và tổng mômen tác động lên nó bằng không Trong trường hợp vật không có điểm tựa, trọng lực sẽ tác động và làm cho vật không thể duy trì trạng thái cân bằng.
Vị trí khối tâm so với mặt chân đế quyết định trạng thái cân bằng của vật Khi trọng lực rơi vào mặt chân đế, vật sẽ ổn định nhờ phản lực từ mặt nền triệt tiêu trọng lực Ngược lại, nếu khối tâm nằm ngoài mặt chân đế, trọng lực sẽ tạo ra mômen, dẫn đến nguy cơ ngã.
Vật sẽ càng ổn định khi khối tâm ở vị trí thấp và mặt chân đế rộng, điều này làm cho việc đổ ngã nó trở nên khó khăn hơn Chẳng hạn, khi một vật có mặt chân đế rộng được nghiêng như trong hình 1.6a, trọng lực sẽ tạo ra momen phục hồi giúp vật trở về vị trí ban đầu, với lực phản xạ từ mặt sàn (Fr) tác động lên vật Ngược lại, nếu vật có mặt chân đế hẹp, nó sẽ dễ dàng bị ngã do momen của trọng lực, như thể hiện trong hình 1.6b.
Vị trí khối tâm của một người đứng thẳng (với tay để xuôi hai bên) cao cách bàn chân khoảng 56% chiều cao cơ thể
Vị trí của khối tâm cơ thể thay đổi theo tư thế của người, và để duy trì sự cân bằng, khối tâm cần phải nằm trên mặt chân đế của chân Nếu không, người sẽ dễ bị ngã.
ĐÒN BẨY TRÊN CƠ THỂ
Đòn bẫy là một thanh rắn có khả năng quay quanh một điểm cố định gọi là điểm tựa Điểm tựa không di chuyển, tạo điều kiện cho đòn bẩy nâng các tải trọng và truyền chuyển động hiệu quả từ vị trí này sang vị trí khác.
Có 3 loại đòn bẩy (hình 1.8) Đòn bẫy loại 1 có điểm tựa nằm giữa lực tác dụng và tải, ví dụ: dùng xà beng để bẩy vật nặng (hình). Đòn bẫy loại 2, điểm tựa nằm ở một đầu của thanh, lực tác dụng áp vào đầu còn lại, và tải đặt vào khoảng giữa của thanh Ví dụ: người đẩy hàng bằng xe cút kít. Đòn bẩy loại 3: điểm tựa đặt ở một đầu, tải đặt vào đầu kia, còn lực tác dụng ở khoảng giữa của thanh
Theo điều kiện cân bằng, lực tác dụng cần thiết để cân bằng với trọng lực của tải W bằng:
Trong đó: d1 là cánh tai đòn của tải và d2 là cánh tai đòn của lực tác dụng Nếu d1 < d2 thì F < W Độ lợi cơ học M được định nghĩa là:
Đòn bẫy loại 1 có thể có độ lợi cơ học lớn hơn hoặc nhỏ hơn một tùy thuộc vào khoảng cách tới điểm tựa Khi tải được đặt gần điểm tựa, với d1 π thì cosα F g), dẫn đến vật nổi trên bề mặt chất lỏng Ngược lại, nếu khối lượng riêng của vật lớn hơn khối lượng riêng chất lỏng, lực đẩy Archimede sẽ nhỏ hơn trọng lực (F A < F g), khiến vật chìm xuống.
NHIỆT VÀ THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ
Vật chất được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử, luôn chuyển động hỗn loạn Trong chất khí, các nguyên tử hoặc phân tử tự do chuyển động ngẫu nhiên, va chạm với nhau và với thành bình Khí đa nguyên tử không chỉ có chuyển động tịnh tiến mà còn có các chuyển động dao động và quay Ngược lại, trong chất rắn, các nguyên tử liên kết chặt chẽ, khiến cho chuyển động ngẫu nhiên bị hạn chế Nội năng của một khối khí lý tưởng chủ yếu được hình thành từ động năng của các phân tử, do đó động năng trung bình đóng vai trò quan trọng.
1 tỉ lệ với nhiệt độ. Động năng trung bình của một phân tử cho bởi: kT mv tb 2
Nhiệt độ trong biểu thức được đo theo thang nhiệt độ tuyệt đối, sử dụng đơn vị Kelvin (K) Trong đời sống hàng ngày và trong y học, đơn vị nhiệt độ phổ biến hơn là Celsius, ký hiệu là 0 °C.
Mỗi khi một phân tử va chạm vào thành bình, động lượng sẽ được truyền cho thành bình, và sự biến đổi động lượng trong một đơn vị thời gian chính là lực Áp suất khí tác động lên thành bình phụ thuộc vào số lượng phân tử khí N có trong bình Mối liên hệ giữa áp suất và số phân tử là yếu tố quan trọng trong việc hiểu rõ hành vi của khí trong không gian kín.
P , thể tích V , và nhiệt độ T, cho bởi:
Trong một bình kính, tổng số phân tử N cố định, vì vậy nếu nhiệt độ được giữ không đổi, tích của áp suất và tiể tích bằng hằng số:
PV = const (định luật Boyle)
CÁC ĐỊNH NGHĨA
2.1 Đơn vị nhiệt lượng Đơn vị của nhiệt lượng là calo Một calo (cal) là nhiệt lượng cần thiết để làm 1 gam nước tăng lên 1 độ C
Trong dinh dưỡng, đơn vị thường được dùng là kilocalo (kCal)
Nhiệt dung riêng là nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của một gam vật chất lên 1 0 C.
Chất Nhiệt dung riêng (cal/g 0 C)
Trung bình trên cơ thể người Đất trồng
1 0,48 0,83 0,2 đến 0,8 phụ thuộc vào hàm lượng nước trong đó
Cơ thể sống được hình thành từ các thành phần chính như nước, protein, chất béo và khoáng chất, trong đó nước chiếm 75% và protein chiếm 25% Nhiệt dung riêng của cơ thể sẽ được xác định dựa trên tỷ lệ này.
Nhiệt dung riêng trung bình của cơ thể cỡ 0,83 nhờ sự có thêm của mỡ và chất khoáng.
2.3 Ẩn nhiệt Để chuyển chất rắn thành chất lỏng tại cùng một nhiệt độ hoặc chuyển chất lỏng thành chất khí, thì cần phải cung cấp nhiệt lượng cho chất đó Năng lượng này được gọi là ẩn nhiệt Ẩn nhiệt của sự nóng chảy là lượng năng lượng cần thiết để chuyển 1 gam chất rắn sang chất lỏng Ẩn nhiệt của sự bay hơi là lượng nhiệt cần thiết để chuyển 1 gam chất lỏng thành chất khí
Nếu một đầu của thanh rắn được đặt ở gần nguồn nhiệt, chẳng hạn như ngọn lửa, sau một lúc đầu kia của thanh cũng trở nên nóng.
Nhiệt được truyền từ ngọn lửa qua thanh nhờ dẫn nhiệt, dẫn đến sự tăng nội năng trong vật liệu Khi nhiệt được truyền vào một đầu của thanh, nội năng của các nguyên tử gần nguồn nhiệt tăng lên Trong vật rắn, nội năng bao gồm năng lượng dao động của các nguyên tử và động năng của các electron tự do Khi nhiệt tăng, cả dao động của nguyên tử và tốc độ chuyển động của electron đều gia tăng Sự tăng dao động của nguyên tử được truyền đi thông qua va chạm với các nguyên tử lân cận, tuy nhiên, do các nguyên tử trong vật rắn liên kết chặt chẽ, chuyển động của chúng bị hạn chế, khiến quá trình truyền nhiệt bằng dao động nguyên tử diễn ra chậm.
Trong một số vật liệu, electron có đủ năng lượng để thoát khỏi liên kết với hạt nhân, trở thành electron tự do và di chuyển nhanh chóng Khi được tăng năng lượng, các electron tự do này truyền năng lượng cho những electron và nguyên tử lân cận, giúp truyền nhiệt một cách nhanh chóng Kim loại, với nhiều electron tự do, dẫn nhiệt tốt, trong khi gỗ, thiếu electron tự do, có khả năng cách nhiệt.
Lượng nhiệt Hc được dẫn qua khối vật liệu trong một đơn vị thời gian, cho bởi:
Trong công thức tính toán dẫn nhiệt, A đại diện cho tiết diện của khối, L là chiều dài, và T1 – T2 là chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu Hằng số Kc, có đơn vị là cal.cm/cm².0C, thể hiện hệ số dẫn nhiệt Tuy nhiên, trong các hệ thống sống, đơn vị thường được sử dụng là Calcm/m².h.0C để thuận tiện hơn.
Vật liệu Hệ số dẫn nhiệt
Mô (chưa tính đến tưới máu)
Trong vật rắn, truyền nhiệt diễn ra chủ yếu qua dẫn nhiệt, trong khi ở chất lỏng và khí, quá trình này chủ yếu thông qua đối lưu Khi chất lỏng hoặc khí được nung nóng, các phân tử gần nguồn nhiệt tăng năng lượng và di chuyển ra xa, dẫn đến giảm mật độ của chúng Khu vực có mật độ cao hơn sẽ lấp đầy khoảng trống, tạo ra dòng đối lưu mang theo năng lượng từ nguồn nhiệt Khi các phân tử trong dòng đối lưu tiếp xúc với vật rắn, chúng truyền năng lượng cho các nguyên tử của vật rắn, làm tăng nội năng của nó Như vậy, nhiệt được truyền vào vật rắn một cách hiệu quả.
Lượng nhiệt truyền bằng đối lưu trong một đơn vị thời gian H ’ c được cho bởi:
Hệ số truyền nhiệt bằng đối lưu (Kc') phụ thuộc vào vận tốc của dòng đối lưu, trong đó A là diện tích tiếp xúc với dòng đối lưu và T1 – T2 là sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và dòng chất lưu.
Khi các hạt mang điện dao động, chúng phát ra bức xạ điện từ, lan tỏa từ nguồn với tốc độ ánh sáng Bức xạ này mang theo năng lượng, được gọi là năng lượng điện từ, và trong trường hợp các điện tích chuyển động, năng lượng này được tạo ra từ động năng của các hạt mang điện.
Do nội năng, các hạt luôn chuyển động hỗn loạn, với điện tích dương của hạt nhân và điện tích âm của electron đều dao động, dẫn đến việc phát ra bức xạ điện từ, gọi là bức xạ nhiệt Khi vật mất nội năng, nó sẽ nguội đi, và lượng bức xạ phát ra tỉ lệ thuận với tốc độ dao động Vì vậy, vật nóng phát ra nhiều bức xạ hơn vật lạnh Electron, nhẹ hơn hạt nhân, di chuyển nhanh hơn và phát ra nhiều bức xạ hơn so với hạt nhân.
Khi một vật có nhiệt độ thấp, bức xạ phát ra thuộc vùng bước sóng dài và không thể nhìn thấy bằng mắt thường Khi nhiệt độ của vật tăng lên, bước sóng bức xạ ngắn lại Ở nhiệt độ cao, một số bức xạ điện từ trở thành vùng nhìn thấy, cho phép chúng ta nhìn thấy vật đó.
Khi bức xạ điện từ tác động lên vật, các hạt mang điện trong vật sẽ di chuyển và tăng cường động năng, dẫn đến việc bức xạ chuyển hóa thành nội năng của vật Mức độ hấp thụ bức xạ của vật liệu phụ thuộc vào thành phần của nó; ví dụ, muội than đen hấp thụ hầu hết bức xạ và dễ dàng bị nung nóng, trong khi thạch anh và nhiều loại kính lại cho phép bức xạ truyền qua với mức hấp thụ thấp Sự phản xạ và truyền qua của bức xạ ít làm tăng nhiệt độ của vật Tốc độ phát xạ năng lượng bức xạ Hr trên một đơn vị diện tích của vật tại nhiệt độ T cũng cần được xem xét.
Định luật Stefan-Boltzmann mô tả mối quan hệ giữa độ phát xạ bề mặt e và nhiệt độ, với công thức 5 × − σ = (W/m².K⁴) Độ phát xạ có giá trị từ 0 đến 1, trong đó các bề mặt hấp thụ mạnh sẽ phát xạ mạnh và có độ hấp thụ gần bằng 1 Ngược lại, các bề mặt không hấp thụ bức xạ sẽ có độ phát xạ thấp, cho thấy sự liên quan giữa phát xạ và hấp thụ bức xạ.
Một vật có nhiệt độ T1 trong môi trường có nhiệt độ T2 sẽ phát xạ và hấp thụ bức xạ Tốc độ phát xạ năng lượng trên một đơn vị diện tích được tính bằng công thức eσT1^4, trong khi tốc độ hấp thụ năng lượng tương ứng là eσT2^4 Các giá trị e và σ là giống nhau cho cả hai quá trình phát xạ và hấp thụ.
Nếu một cơ thể ở nhiệt độ T1 được đặt trong môi trường có nhiệt độ thấp hơn T2, năng lượng mất mát tổng hợp của cơ thể là:
H r = σ − Nếu nhiệt độ của cơ thể thấp hơn nhiệt độ môi trường, cơ thể thu năng lượng để với tốc độ như trên.
Để xác định tổng năng lượng mất mát từ da người do bức xạ trong 10 phút, ta có thể sử dụng công thức bức xạ nhiệt Nhiệt độ bề mặt da là 35°C, nhiệt độ môi trường là 20°C, độ phát xạ của da là 0.9 và diện tích bề mặt cơ thể là 1.5 m² Tính toán năng lượng mất mát sẽ cho thấy sự ảnh hưởng của chênh lệch nhiệt độ giữa da và môi trường đến sức khỏe con người trong thời gian 10 phút.
Tổng năng lượng mất đi do bức xạ trong 1s từ da người này:
Tổng năng lượng mất mát từ da do bức xạ trong 10 phút:
NL bức xạ này tương đương năng lượng phát sáng của hai bóng đèn 60W
SỰ TRAO ĐỔI NHIỆT
Khi bạn lấy một lon Coca từ tủ lạnh và đặt lên bàn ăn, nhiệt độ của nó sẽ tăng nhanh chóng, sau đó chậm dần cho đến khi đạt nhiệt độ phòng Tương tự, một tách cà phê nóng đặt trên đĩa cũng sẽ hạ nhiệt độ dần dần cho đến khi bằng nhiệt độ phòng.
Côca và cà phê có thể được xem như một hệ thống với nhiệt độ TS, trong khi môi trường bếp là nhiệt độ TE Khi TS khác TE, hệ thống sẽ thay đổi nhiệt độ cho đến khi chúng bằng nhau Sự thay đổi này xảy ra do quá trình truyền năng lượng giữa hệ và môi trường.
Nội năng, hay còn gọi là nhiệt năng, bao gồm động năng tập thể và thế năng liên kết của các phân tử cùng các vật vi mô khác trong vật Khi nội năng được truyền đi, nó được gọi là nhiệt lượng, ký hiệu là Q Nhiệt lượng được coi là dương khi nội năng chuyển từ môi trường xung quanh vào hệ, tức là nhiệt lượng được hấp thụ Ngược lại, nhiệt lượng là âm khi nội năng chuyển từ hệ ra môi trường xung quanh, hay còn gọi là nhiệt lượng được giải phóng hoặc mất đi.
Trong tình trạng khi nhiệt độ hệ thống (TS) lớn hơn nhiệt độ môi trường (TE), năng lượng nội được chuyển từ hệ thống ra môi trường, dẫn đến Q âm Khi TS bằng TE, không có sự chuyển nhiệt nào xảy ra, do đó Q bằng không, không có năng lượng được giải phóng hay hấp thụ Ngược lại, khi TS nhỏ hơn TE, nhiệt lượng chuyển từ môi trường vào hệ thống, làm cho Q trở thành dương.
“Nhiệt lượng là năng lượng được chuyển giữa hệ và môi trường quanh nó vì có một sự chênh lệch nhiệt độ giữa chúng”
Năng lượng có thể được chuyển giao giữa hệ và môi trường thông qua công (ký hiệu A), liên quan trực tiếp đến lực tác động lên hệ trong quá trình chuyển động Để xác định công đang được thực hiện trên hệ hay bởi hệ, cần đặt ra câu hỏi quan trọng: "Lực nào đang tác động và điểm đặt lực di chuyển ra sao?"
Nhiệt lượng và công đều là các dạng năng lượng được chuyển giao giữa hệ thống và môi trường xung quanh Khác với nhiệt độ, áp suất và thể tích, nhiệt lượng và công không phải là thuộc tính nội tại của hệ thống Chúng chỉ có ý nghĩa khi mô tả quá trình chuyển năng lượng vào hoặc ra khỏi hệ thống, ảnh hưởng đến dự trữ nội năng của nó.
3.2 Nhiệt dung riêng - phương trình cân bằng nhiệt
Khi hai vật có khối lượng m1 và m2 với nhiệt độ khác nhau tiếp xúc và được cô lập với môi trường xung quanh, chúng sẽ đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt mà không xảy ra phản ứng hóa học Nhiệt độ của hệ thống sẽ đồng nhất, tức là cả hai vật sẽ có cùng nhiệt độ t Nếu nhiệt độ ban đầu của chúng lần lượt là t2 và t1, với điều kiện t2 > t1, ta có kết quả t2 > t > t1.
Trong quá trình truyền nhiệt, vật thứ nhất m1 đã nóng lên trong khi vật thứ hai m2 nguội đi, cho thấy sự chuyển giao năng lượng nhiệt độ giữa hai vật Kết quả thực nghiệm dẫn đến hệ thức: c1 m1 (t - t1) = c2 m2 (t2 - t), trong đó c1 và c2 là các hệ số tỉ lệ tương ứng, phụ thuộc vào bản chất của từng vật.
Hệ thức (2.7) có thể viết đơn giản hơn nếu ta đa vào một đại l- ợng mới ký hiệu là Q và đợc xác định bằng dạng sau:
Nhiệt lượng, ký hiệu là Q, là lượng năng lượng mà một vật nhận khi nhiệt độ của nó tăng Trong biểu thức (2.7), nhiệt lượng xuất hiện ở cả hai vế: bên trái là nhiệt lượng thu nhận bởi vật lạnh hơn, còn bên phải là nhiệt lượng trao đi từ vật nóng hơn, cho thấy rằng nhiệt lượng trao đổi giữa các vật là bằng nhau Điều này thể hiện định luật bảo toàn năng lượng, tức là nhiệt năng không được tạo ra hay mất đi mà chỉ được trao đổi Đơn vị đo nhiệt lượng là calo (cal), tương ứng với lượng nhiệt làm nóng 1 gram nước từ 14,5 °C đến 15,5 °C.
Hệ số c có mặt trong biểu thức (2.7) hay (2.8) đặc trng cho bản chất của vật chất thu hay trao nhiệt, gọi là tỷ nhiệt hay nhiệt dung riêng: t m c Q
= ∆ (2.9) Đơn vị đo nhiệt dung riêng là cal/ gam.độ
Số trị nhiệt dung riêng của vật chất đã cho bằng nhiệt lợng cần truyền cho một đơn vị khối lợng vật chất đó để nó tăng thêm 1 0 C.
Nhiệt dung riêng thay đổi theo nhiệt độ, nhng tại nhiệt độ phòng thì sự phụ thuộc này có thể bỏ qua.
Nhiệt dung của một vật nào đó là tích số của khối lợng và nhiệt dung riêng của nó Đơn vị đo nhiệt dung là cal/độ
Nhiệt dung riêng trung bình của cơ thể người là 0,8 cal/g.độ, gần bằng với nhiệt dung riêng của nước, điều này phù hợp với việc nước chiếm đến 70% trọng lượng cơ thể Tuy nhiên, nhiệt dung riêng của các mô và cơ quan trong cơ thể có sự khác biệt lớn, với giá trị càng gần nhiệt dung riêng của nước khi tỷ lệ nước trong mô càng cao Chẳng hạn, nhiệt dung riêng của máu là 0,93 cal/g.độ, trong khi của xương đặc chỉ khoảng 0,3 – 0,4 cal/g.độ.
Các dụng cụ dùng để đo nhiệt lợng gọi là nhiệt lợng kế Nhiệt l- ợng kế nớc là nhiệt lợng kế đơn giản nhất
3.3 Nhiệt chuyển pha (nhiệt biến đổi)
Khi một vật rắn hoặc lỏng hấp thụ nhiệt, nhiệt độ của nó không nhất thiết phải tăng lên Mẫu vật có thể chuyển đổi giữa các pha hoặc trạng thái khác nhau, chẳng hạn như băng nóng chảy thành nước hoặc nước sôi mà không có sự thay đổi nhiệt độ Tương tự, trong các quá trình ngược lại như nước đóng băng hay hơi nước ngưng tụ, nhiệt được giải phóng từ mẫu vật cũng xảy ra mà không làm thay đổi nhiệt độ.
Nhiệt chuyển pha, hay còn gọi là nhiệt biến đổi, là lượng nhiệt được truyền bởi một đơn vị khối lượng khi mẫu vật hoàn toàn chuyển pha Khi một vật có khối lượng m hoàn toàn trải qua quá trình chuyển pha, tổng nhiệt lượng mà nó chuyển đổi sẽ được tính toán dựa trên khối lượng đó.
Khi chuyển từ pha lỏng sang pha khí, mẫu vật cần thu nhiệt, trong khi chuyển từ pha khí sang pha lỏng, mẫu vật sẽ tỏa nhiệt Nhiệt lượng trong quá trình biến đổi này được gọi là nhiệt hóa hơi, đặc biệt là với nước ở nhiệt độ ngưng tụ hoặc hóa hơi bình thường.
Lv = 539 cal/g = 40,7 kJ/mol = 2260 kJ/kg.
Khi chuyển từ pha rắn sang pha lỏng, mẫu vật cần thu nhiệt, trong khi chuyển từ pha lỏng sang pha rắn, mẫu vật cần tỏa nhiệt Nhiệt lượng trong quá trình này được gọi là nhiệt nóng chảy, đặc biệt là đối với nước ở nhiệt độ đông đặc hoặc nóng chảy bình thường.
LF = 79,5 cal/g = 6,01 kJ/mol = 333 kJ/kg.
Một thanh kẹo có giá trị dinh dưỡng 350 kCal tương đương với khoảng 0,409 kWh khi được tiêu hóa.
Năng lượng tiêu hóa bằng:
Hiện tợng khuếch tán
Các phân tử luôn chuyển động hỗn loạn và va chạm lẫn nhau Khi hai tập hợp phân tử ở thể rắn, lỏng hoặc khí được đặt gần nhau, chúng sẽ chuyển động ngẫu nhiên và xuyên lẫn vào nhau Hiện tượng này được gọi là khuếch tán phân tử.
Hiện tượng khuếch tán có thể quan sát rõ ràng trong chất lỏng và khí, nơi mà sự đồng nhất về nồng độ không được đảm bảo Chuyển động nhiệt của các phân tử sẽ làm mất đi sự không đồng nhất này, dẫn đến việc nồng độ được san bằng ở mọi điểm Điều này đồng nghĩa với việc có sự di chuyển vật chất từ khu vực có nồng độ cao đến khu vực có nồng độ thấp Khuếch tán là quá trình di chuyển vật chất do chuyển động nhiệt hỗn loạn của các phân tử, không có phương ưu tiên, nhằm đạt được trạng thái san bằng nồng độ, tức là trạng thái có xác suất nhiệt động cực đại hoặc entropi cực đại khi không có tương tác với môi trường bên ngoài.
1.1 Khuếch tán không qua màng Để quan sát hiện tợng khuếch tán xảy ra trong dung dịch ta làm thí nghiệm sau: Dùng một bình thuỷ tinh đựng sirô đặc có màu tới mức P Đổ nhẹ tay nớc lên phần trên Lúc đầu ta quan sát thấy có mặt phân cách rõ rệt P Sau một thời gian ta thấy có một khoảng từ M đến N màu sắc thay đổi nhạt dần, không còn mặt P nữa. Các phân tử tạo nên sirô và các phân tử nớc đã chuyển động xen lẫn vào nhau, đó là sự khuếch tán trong dung dịch.
Khảo sát sự thay đổi nồng độ C theo trục Ox ta đợc đồ thị dạng sau (h×nh 3.6).
Fick đã nghiên cứu hiện tượng khuếch tán và khảo sát sự phụ thuộc của số phân tử khuếch tán (dn) qua diện tích (S) trong khoảng thời gian (dt) Ông đã thiết lập công thức mô tả mối quan hệ này: dn = -DS.gradC.dt.
Định luật Fick được mô tả bằng công thức với gradC là градиент nồng độ và D là hệ số khuếch tán của phân tử đang được nghiên cứu.
Hình 3.6 Hiện tợng khuếch tán trong dung dịch
Ngời ta nhận thấy D phụ thuộc vào :
+ Khối lợng và hình dạng của phân tử + Độ nhớt của dung môi
+ Nhiệt độ của dung dịch
Einstein đã thiết lập hệ thức biểu diễn sự phụ thuộc giữa hệ số khuếch tán D và các yếu tố liên quan: ϕ ϕ kT N
Công thức D = RT1 (3.17) mô tả mối quan hệ giữa các yếu tố trong động lực học phân tử, trong đó R là hằng số khí lý tưởng, N là số Avogadro, k là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ tuyệt đối của dung dịch, và ϕ là hệ số ma sát phân tử, thể hiện sự cản trở của môi trường lỏng đối với chuyển động nhiệt của phân tử Hệ số ma sát này có thể được biểu diễn dưới dạng ϕ = Kη, với η là hệ số nhớt của môi trường và K là hệ số đặc trưng cho hình dạng của phân tử Đối với phân tử hình cầu có bán kính r, hệ số ma sát được tính bằng ϕ = 6π.r.η.
Nếu biểu diễn công thức này theo khối lợng phân tử à ta có:
D = 3A (3.19), trong đó A là hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ và loại dung môi Bảng 3.1 dưới đây trình bày một số giá trị D được tính bằng cm²/ngày ở 20°C cho các phân tử khác nhau trong môi trường dung môi nước.
Bảng 3.1 Giá trị hệ số khuếch tán D và trọng lợng phân tử à của mét sè chÊt
Định luật Fick là một quy luật thực nghiệm mô tả quá trình khuếch tán của các phân tử trong dung dịch, xảy ra khi có sự chênh lệch nồng độ chất tan Các phân tử hòa tan sẽ di chuyển từ khu vực có nồng độ cao sang khu vực có nồng độ thấp, ngược với gradient nồng độ Tốc độ khuếch tán sẽ tăng lên khi nhiệt độ tăng và giảm khi khối lượng phân tử của chất hòa tan và độ nhớt của môi trường tăng.
Hiện tượng khuếch tán không chỉ diễn ra với các phân tử chất tan mà còn ảnh hưởng đến cả các phân tử dung môi Cụ thể, các phân tử dung môi sẽ di chuyển ngược chiều với các phân tử chất tan, tức là từ khu vực có nồng độ dung môi cao đến khu vực có nồng độ dung môi thấp.
1.2 Khuếch tán qua màng xốp thấm tự do
Màng xốp thấm tự do là loại màng có kích thước lỗ lớn hơn nhiều so với đường kính của các phân tử khuếch tán Khi hai dung dịch có nồng độ khác nhau được đặt hai bên màng, hiện tượng khuếch tán sẽ diễn ra Tuy nhiên, quá trình này xảy ra chậm hơn so với trường hợp không có màng chắn, vì diện tích mà các phân tử có thể đi qua chỉ là tổng diện tích của tất cả các lỗ trên màng.
Thí nghiệm bố trí nh hình 3.7.
Giả sử ở mỗi phía của màng luôn duy trì nồng độ đồng nhất C1 và
Khi thực hiện quá trình khuấy, nồng độ chỉ thay đổi ở phần bên trong giữa hai mặt màng, với giả định rằng sự biến đổi là tuyến tính và liên tục, dẫn đến gradC có giá trị không đổi.
C dx gradC= dC = − , là chiều dày của màng. áp dụng định luật Fick ta có :
S gọi là hằng số màng.
Không biết chính xác diện tích S của các lỗ màng và chiều dày của màng, nhưng có thể xác định giá trị trung bình của hằng số màng thông qua các thí nghiệm thực tế.
Hình 3.7 minh họa sự biến đổi nồng độ theo không gian tại hai thời điểm t và t’ (t’ > t), cho thấy sự chênh lệch nồng độ giữa hai phía của màng giảm dần theo thời gian Cuối cùng, hệ thống tiến tới trạng thái cân bằng khuếch tán, khi số phân tử di chuyển qua màng từ hai phía trở nên bằng nhau.
Hiện tợng thẩm thấu
Màng bán thấm là loại màng trong tự nhiên cho phép một số loại phân tử hoặc dung môi xuyên qua, trong khi ngăn cản các chất khác Đặc điểm này rất quan trọng trong cơ thể sống, vì sự sống của tế bào phụ thuộc vào khả năng thấm các chất cần thiết từ môi trường bên ngoài vào trong, đồng thời loại bỏ các chất chuyển hóa cặn bã ra ngoài.
Màng bán thấm, có mặt tự nhiên trong các cơ thể sinh vật và cả nhân tạo, đóng vai trò quan trọng trong hiện tượng thẩm thấu Tính thấm chọn lọc của màng này giúp vận chuyển chất trong cơ thể sống, góp phần duy trì các chức năng sinh lý cần thiết Thẩm thấu không chỉ là quá trình quan trọng mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến sự sống và hoạt động của các sinh vật.
Thẩm thấu là quá trình vận chuyển dung môi qua màng ngăn giữa hai dung dịch có thành phần khác nhau mà không cần lực tác động bên ngoài như trọng lực hay lực điện Hai dung dịch này có thể khác nhau về bản chất và nồng độ chất hòa tan Áp suất thẩm thấu là động lực chính thúc đẩy quá trình này.
Nhúng một ống chứa dung dịch nước đường vào chậu nước cất, với phần trên là ống nhỏ dài để phát hiện sự biến đổi độ cao mức dung dịch Phía dưới ống được bịt kín bằng màng bán thấm, cho phép nước thấm qua nhưng ngăn cản đường không thẩm thấu.
Ban đầu, mực dung dịch trong ống và mực nước trong chậu được để ngang nhau Sau một thời gian, mực dung dịch trong ống dâng lên đến một độ cao nhất định và dừng lại, trong khi phân tích nước ở chậu không phát hiện có đường Điều này cho thấy nước đã thấm qua màng vào ống, trong khi đường không thể thấm ra ngoài Trong chậu chỉ có các phân tử nước, do đó số phân tử nước trong chậu va chạm vào mặt ngoài màng bán thấm nhiều hơn so với số phân tử nước của dung dịch va chạm vào phía trong màng.
H×nh 3.8 Thí nghiệm về hiện tợng thẩm thÊu. h
Màng bán thấm cho phép số phân tử nước từ ống đi vào chậu nhiều hơn so với lượng nước từ chậu ra ống Kết quả là, sau một thời gian, mức nước trong ống sẽ tăng lên, dẫn đến sự gia tăng áp suất thủy tĩnh Khi áp suất này tăng, số phân tử nước từ ống quay trở lại chậu cũng gia tăng Khi áp suất thủy tĩnh đạt đến một giá trị nhất định, số phân tử nước di chuyển qua màng theo hai hướng sẽ trở nên cân bằng Trạng thái cân bằng này được gọi là cân bằng thẩm thấu, trong đó áp suất thủy tĩnh của cột nước có chiều cao h tương đương với áp suất thẩm thấu của dung dịch đường trong ống.
Khi tiến hành thí nghiệm trong chậu nước đường với nồng độ thấp hơn nồng độ nước đường trong ống, ở trạng thái cân bằng động, chiều cao cột nước đường trong ống sẽ thể hiện hiệu áp suất thẩm thấu giữa hai loại nước đường bên trong và bên ngoài ống.
Nếu nồng độ nước đường trong ống nhỏ hơn nồng độ nước đường trong chậu, thì mức nước đường trong ống sẽ thấp hơn mức nước đường trong chậu, dẫn đến việc một số phân tử nước từ ống sẽ di chuyển ra chậu.
Mỗi dung dịch đều có áp suất thẩm thấu riêng, được sinh ra bởi sự hiện diện của các chất hòa tan Áp suất thẩm thấu này có tác dụng thu hút dung môi di chuyển về phía dung dịch Độ lớn của áp suất thẩm thấu tương đương với áp suất thủy tĩnh cần thiết để ngăn chặn quá trình thẩm thấu khi dung dịch được phân cách với dung môi bằng một màng bán thấm.
Van’t Hoff đã nghiên cứu hiện tượng thẩm thấu trong các dung dịch loãng của các chất không điện ly và so sánh với thuyết động học phân tử của khí Ông rút ra rằng có thể áp dụng phương trình Clapeyron-Mendeleev để tính toán áp suất thẩm thấu.
= (3.21) trong đó p là áp suất thẩm thấu của dung dịch m là khối lợng chất hoà tan à là trọng lợng phân tử chất hoà tan
Vm là thể tích dung dịch
R là hằng số Clapeyron-Mendeleev và R = 8,31 J/mol.K
T là nhiệt độ tuyệt đối của dung dịch
Từ (3.21) ta thấy áp suất thẩm thấu tỷ lệ nghịch với trọng lợng phân tử và tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối T.
Khi thay m/à.V m = C, với C là nồng độ của dung dịch, ta có phương trình Van’t Hoff: p = C.R.T Điều này có nghĩa là khi nhiệt độ không đổi, áp suất thẩm thấu sẽ tỷ lệ thuận với nồng độ chất tan trong dung dịch.
Phương trình Van’t Hoff chỉ chính xác với một số dung dịch loãng, nhưng đối với dung dịch muối vô cơ, áp suất thẩm thấu thường lớn hơn giá trị tính toán Điều này xảy ra do các chất điện ly khi hòa tan trong dung môi phân ly thành các ion, và nếu các ion này không thấm qua màng bán thấm, số lượng phân tử trong dung dịch sẽ tăng, dẫn đến áp suất thẩm thấu cao hơn Vì vậy, phương trình Van’t Hoff chỉ phù hợp với dung dịch loãng không điện ly Đối với dung dịch loãng điện ly, chúng ta có thể mở rộng phương trình Van’t Hoff để tính toán áp suất thẩm thấu.
Giả sử một dung dịch điện ly có a% số phân tử chất hoà tan bị phân ly và mỗi phân tử bị phân ly thành n ion.
Gọi N o là số phân tử của chất hoà tan ứng với một đơn vị thể tích dung dịch nếu chất hoà tan là không điện ly.
N là số phân tử có trong một đơn vị thể tích dung dịch sau khi đã phân ly thành các ion.
Áp suất thẩm thấu trong dung dịch điện ly tỷ lệ với số phân tử trong một đơn vị thể tích, và được xác định bởi hệ số đẳng thấm i, với công thức i = 1 + a(n – 1) Do đó, phương trình Van’t Hoff cho dung dịch loãng chất điện ly được biểu diễn như sau: p = i.C.R.T.
2.2 Cân bằng Dolnald ở trên ta xét áp suất thẩm thấu của các chất phân ly và không phân ly mà bản thân chúng không đi qua đợc màng bán thấm. Trong thực tế ở các tổ chức sống có các muối protein là các đại phân tử bị ngăn cách với các dung dịch điện ly bởi các màng tế bào Màng tế bào này không cho các đại phân tử và các ion lớn đi qua nhng cho các ion nhỏ của chất điện ly đi qua Do vậy mà có sự phân phối lại các chất điện ly trong và ngoài màng, ảnh hởng lên áp suất thẩm thấu
Giả sử có một màng bán thấm ngăn cách giữa dung dịch điện ly đại phân tử R - Na + ở phần I và dung dịch điện ly Na + Cl - ở phần II Các ion Na + và Cl - có khả năng di chuyển qua lại giữa hai phía của màng, trong khi đó, R - không thể thấm qua màng Do các phần tử trong cả hai phần đều mang điện tích, hiện tượng này trở nên phức tạp hơn.
Hiện tợng lọc và siêu lọc
Lọc là một hiện tượng phổ biến trong thực tế và đời sống hàng ngày Ví dụ, quá trình lọc nước giúp loại bỏ cặn bẩn, trong khi lọc bột nước nhằm tách phần bột có kích thước lớn hơn.
Hiện tượng lọc là quá trình mà dung dịch di chuyển qua các lỗ của màng dưới tác động của lực thủy tĩnh Mật độ dòng thể tích J V được xác định là thể tích dung dịch qua một đơn vị diện tích của màng trong một khoảng thời gian nhất định, và có thể tính toán theo công thức: p p L.
∆V đại diện cho thể tích dung dịch di chuyển qua màng trong khoảng thời gian ∆t Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này bao gồm bán kính r của lỗ màng, số lượng lỗ N trong một đơn vị diện tích màng, và hệ số nhớt η của dung dịch.
: chiều dài trung bình của lỗ màng hay chiều dày của lỗ màng
∆p : hiệu áp suất giữa hai đầu lỗ
Tốc độ vận chuyển của dung dịch qua màng lọc được ảnh hưởng bởi hiệu áp suất giữa hai đầu lỗ, độ nhớt của dung dịch, kích thước của lỗ, và số lượng lỗ trong một đơn vị diện tích.
Tất nhiên ở đây coi các lỗ màng giống nhau và những vật chất tan trong dung dịch có kích thớc lớn hơn lỗ, không thể qua lỗ.
− Hiện tợng siêu lọc là hiện tợng lọc qua màng trong các điều kiện sau :
• Màng lọc ngăn các đại phân tử có phân tử lợng lớn hơn giá trị giới hạn àgh (thí dụ ngăn các phân tử protein).
• Màng lọc cho các phân tử và ion nhỏ lọt qua, tuân theo cân bằng Dolnald.
Áp suất thủy tĩnh có tác dụng quan trọng trong việc điều chỉnh dòng chảy của dung dịch qua màng, với hướng dòng chảy có thể thay đổi từ khu vực có các đại phân tử sang khu vực khác hoặc ngược lại Sự thay đổi này không chỉ ảnh hưởng đến lưu lượng mà còn có thể làm thay đổi chiều dòng chảy.
Sự vận chuyển của các phân tử nước và các phân tử nhỏ qua thành mao mạch được gọi là hiện tượng siêu lọc Huyết áp có xu hướng đẩy nước trong máu ra khoảng gian bào, trong khi áp suất thẩm thấu keo lại kéo nước từ khoảng gian bào vào máu Tại các mao động mạch, huyết áp vượt trội hơn áp suất thẩm thấu keo, dẫn đến việc nước thoát ra khỏi thành mao mạch Ngược lại, ở các mao tĩnh mạch, huyết áp thấp hơn áp suất thẩm thấu keo, khiến nước từ khoảng gian bào đi vào máu qua thành mao mạch.
Sự trao đổi chất diễn ra tại thành mao mạch thông qua hiện tượng siêu lọc, với động lực là sự chênh lệch tổng áp suất.
Áp suất thủy động trong lòng mạch có giá trị pA = 4kPa, trong khi áp suất ở lòng tĩnh mạch là pV = 2kPa Ngược lại, áp suất thủy tĩnh của các dịch mô trung bình là p = 0,8 kPa, dao động từ 0 đến 1,3 kPa Độ chênh lệch áp suất này khiến cho dịch di chuyển ra khỏi lòng mạch.
∆p1 = pA – p = 4 – 0,8 = 3,2 kPa (ở động mạch) và ∆p2 = pV – p = 2 – 0,8 = 1,2 kPa (ở tĩnh mạch)
Áp suất thẩm thấu được xác định bởi nồng độ các chất hữu cơ, với giá trị trong lòng mạch là πM = 3,2 kPa và trong mô là πTC = 1,3 kPa Sự chênh lệch áp suất thẩm thấu (∆π = 3,2 - 1,3 = 2 kPa) tạo điều kiện cho nước di chuyển từ mô vào lòng mạch.
Sự di chuyển của nước và các thành phần hòa tan trong đó, bao gồm chất vô cơ, hữu cơ và ôxy, phụ thuộc vào tổng hợp các áp suất thủy động, thủy tĩnh và thẩm thấu có các chiều khác nhau Cụ thể, ở mao động mạch, áp suất chênh lệch được tính là 3,2 – 2 = 1,2 kPa.
Hiện tượng siêu lọc ở cầu thận diễn ra tại vùng vỏ thận, bao gồm bọc Bowman và búi mao mạch cầu thận Vật chất trong huyết tương đi qua búi mao mạch và lọt vào lòng bọc Bowman, tạo thành màng lọc cầu thận Màng lọc này tương tự như các màng mao mạch khác trong cơ thể nhưng có độ xốp lớn hơn khoảng 25 lần do chức năng lọc vượt trội.
Vật chất chuyển qua màng lọc vào bọc Bowman là do sự chênh lệch áp suất, có 3 loại áp suất ở cầu thận.
• áp suất máu trong mao mạch p h = 70 mm Hg đóng vai trò lực đẩy dịch chuyển vào bọc Bowman.
• áp suất keo trong mao mạch cầu thận tạo ra do nồng độ protein hòa tan trong huyết tơng p k = 32 mm Hg.
• áp suất thuỷ tĩnh trong bọc Bowman tạo ra do dịch lọc chứa trong bọc Bowman p b = 14 mm Hg.
Áp suất lọc là áp suất cần thiết để đẩy nước và các chất hòa tan từ mao mạch cầu thận qua màng lọc vào bọc Bowman Cụ thể, áp suất lọc được tính bằng công thức: pe = pe – (pe + pe) = 70 – (32 + 14) = 24 mm Hg.
Trong quá trình lọc, hồng cầu và protein không thể qua màng, dẫn đến việc nồng độ protein trong dịch lọc rất thấp Các phân tử nhỏ và ion khuếch tán qua màng theo градиент nồng độ, tuân theo nguyên tắc cân bằng Dolnald Kết quả là nồng độ các anion cao hơn, trong khi thành phần cation lại thấp hơn trong huyết tương.
Thẩm phân máu là phương pháp tách các phân tử nhỏ trong dung dịch thông qua hiện tượng khuếch tán qua màng, thường được sử dụng trong y học để loại bỏ các chất có hại trong máu do bệnh lý như thiểu năng thận hoặc do nhiễm độc Quá trình này diễn ra khi máu được đặt bên cạnh dung dịch thẩm phân có nồng độ phù hợp của nước, muối khoáng và glucose, cho phép các chất cần loại bỏ khuếch tán qua màng và vào dung dịch thẩm phân, với màng hoạt động như một cái sàng.
Màng dùng trong thẩm phân máu thờng là màng sinh vật hoặc màng nhân tạo.
Máu được lấy từ động mạch và sau khi thẩm phân sẽ được đưa trở lại tĩnh mạch Quá trình lọc máu kéo dài từ 2 đến 4 giờ, giúp loại bỏ các chất thừa như urê, Cl-, Na+, K+, sulfat và phosphat trong máu.
NHIỆT ĐỘNG HỌC HỆ SINH VẬT
NHIỆT ĐỘNG HỌC HỆ SINH VẬT VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU
Nhiệt động học hệ sinh vật nghiên cứu hiệu ứng năng lượng và sự chuyển hoá giữa các dạng năng lượng trong hệ thống sống Nó cũng xem xét khả năng tiến triển, chiều hướng và giới hạn tự diễn biến của các quá trình xảy ra trong các hệ sinh thái.
Nhiệt động học hệ sinh vật là lĩnh vực nghiên cứu quan trọng liên quan đến việc sử dụng năng lượng trong quá trình sinh trưởng và phát triển của cơ thể sống Đối tượng nghiên cứu chính là các sinh vật sống, được xem như một hệ mở do có sự trao đổi vật chất và năng lượng liên tục với môi trường xung quanh Các sinh vật này có khả năng tự điều chỉnh và tự sinh sản, điều này tạo nên sự khác biệt so với các hệ vật lý như chất rắn, chất lỏng hay chất khí Hiện nay, nhiệt động học hệ sinh vật đang được nghiên cứu theo nhiều hướng khác nhau.
Nghiên cứu sự chuyển biến năng lượng ở mức độ phân tử, tế bào, mô, cơ quan và toàn bộ cơ thể trong trạng thái sinh lý bình thường và khi hoạt động Mục tiêu là xác định hiệu suất sử dụng năng lượng của các quá trình sinh vật và năng lượng 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 như quá trình khuyếch tán, thẩm thấu, vận chuyển tích cực
Nghiên cứu cơ chế tác động của sự thay đổi các yếu tố môi trường đến quá trình chuyển hoá năng lượng giúp hiểu rõ hơn về sự trao đổi năng lượng giữa cơ thể sống và môi trường xung quanh Việc phân tích các yếu tố này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về sự thích nghi của sinh vật mà còn góp phần vào việc phát triển các biện pháp bảo vệ môi trường hiệu quả hơn.
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 nghiên cứu thì quần thể là một hệ.
Hệ cô lập là hệ không trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh Mặc dù khó có thể xác định một hệ cô lập hoàn toàn trong thực tế, các nhà khoa học có thể thiết kế hệ cô lập trong các thí nghiệm, chẳng hạn như sử dụng bom nhiệt lượng 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 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
- 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 rất chậm, cho phép xem xét trạng thái của hệ thống như là trạng thái cân bằng tại mỗi thời điểm.
Quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp và đẳng tích là những quá trình quan trọng trong nhiệt động học, trong đó nhiệt độ, áp suất và thể tích đều giữ nguyên không đổi suốt thời gian diễn ra Những quá trình này giúp hiểu rõ hơn về các hệ thống vật lý và hóa học trong điều kiện ổn định.
- Quá trình thuận nghịch: Là quá trình biến đổi mà khi trở về trạng thái ban đầu
- 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 là một đại lượng đặc trưng cho trạng thái của hệ, với sự biến thiên giá trị chỉ phụ thuộc vào giá trị đầu và giá trị cuối, không liên quan đến con đường chuyển biến Các hàm trạng thái quan trọng bao gồm nội năng (U), năng lượng tự do (F), thế nhiệt động (Z hay G), entanpi (H) và entropi (S).
Năng lượng là một đại lượng đo được, có khả năng biến đổi thành nhiệt lượng theo tỉ lệ nhất định Nó phản ánh khả năng sinh công của một hệ thống Đơn vị đo năng lượng phổ biến là Calo (Cal) và Joule (J).
Công và nhiệt là hai hình thức truyền năng lượng giữa các hệ Khi năng lượng được truyền kèm theo sự di chuyển vị trí, nó được gọi là công; ví dụ, khi chạy 100 mét, năng lượng tiêu tốn được sử dụng để di chuyển Ngược lại, nếu năng lượng được truyền làm tăng tốc độ chuyển động của phân tử trong hệ nhận, thì đó là sự truyền năng lượng dưới dạng nhiệt.
Công và nhiệt là hàm số của quá trình vì chúng đều phụ thuộc vào cách chuyển biến.
Nội năng của một vật thể bao gồm động năng của các phân tử đang chuyển động và thế năng tương tác giữa các phân tử do lực hút và đẩy Ngoài ra, nội năng còn bao gồm năng lượng của hạt nhân nguyên tử và năng lượng của các điện tử.
ĐỊNH LUẬT I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ NHỮNG HỆ QUẢ CỦA NÓ
Định luật I nhiệt động học, được xây dựng từ các nghiên cứu của M V Lomonoxob (1744), G I Heccer (1836), R Majo (1842), Helmholtz (1849) và Joule (1877), khẳng định rằng năng lượng trong một hệ thống kín không thể tự sinh ra hoặc mất đi, mà chỉ có thể chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác.
Trong quá trình chuyển đổi năng lượng, nếu năng lượng ở một dạng biến mất, thì một dạng năng lượng khác sẽ xuất hiện với giá trị hoàn toàn tương đương Định luật I của nhiệt động học bao gồm hai phần quan trọng.
- Phần định tính khẳng định năng lượng không mất đi mà nó chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác.
Định luật I của nhiệt động học khẳng định rằng giá trị năng lượng được bảo toàn khi chuyển đổi giữa các dạng năng lượng, với điều kiện quá trình diễn ra thuận nghịch và hiệu suất đạt 100% Trong trường hợp quá trình bất thuận nghịch, hiệu suất sẽ nhỏ hơn 100%, dẫn đến việc cần cộng thêm phần năng lượng đã tỏa ra môi trường xung quanh Cụ thể, nếu một hệ cô lập có nội năng U1 nhận được nhiệt lượng Q, thì phần nhiệt lượng này sẽ được sử dụng để thực hiện công A, trong khi phần còn lại sẽ làm thay đổi nội năng của hệ từ U1 lên U2 (U2 > U1).
Công thức (3.1) có thể viết dưới dạng:
Trong quá trình biến đổi nội năng, sự thay đổi được biểu diễn qua công thức ∆U = U1 - U1 = Q - A Đối với những biến đổi rất nhỏ, công thức này có thể được viết lại dưới dạng dU = δQ - δA, trong đó dU biểu thị sự biến đổi nội năng như một hàm số trạng thái, còn δQ và δA đại diện cho sự biến đổi nhiệt và công, là hàm số của quá trình.
Từ biểu thức (3.2), 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 do hệ đã thực hiện".
Từ định luật I nhiệt động học dẫn đến các hệ quả sau đây:
- Nếu hệ biến đổi theo một chu trình kín (có trạng thái đầu và trạng thái cuối trùng nhau) thì nội năng của hệ sẽ không thay đổi (U2 = U1→ ∆U = 0).
Khi hệ nhận nhiệt lượng mà không thực hiện công, toàn bộ năng lượng này sẽ được chuyển hóa thành nội năng, dẫn đến sự gia tăng nội năng của hệ.
Theo (3.2) ∆U = U2 - U1 = Q - A, nếu A = 0 → U2 - U1 = Q Hệ nhận nhiệt nên Q >
- Khi không cung cấp nhiệt lượng cho hệ mà hệ muốn thực hiện công thì chỉ có cách là làm giảm nội năng của hệ.
→ 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 nhỏ hơn.
- Hệ thực hiện theo chu trình kín, nếu không cung cấp nhiệt lượng cho hệ thì hệ sẽ không có khả năng sinh công.
Theo (3.2) ∆U = Q - A, nếu hệ thực hiện theo chu trình kín, theo hệ quả 1 thì ∆U 0 → Q - A = 0 → Q = A
Nếu Q = 0, tức là không có nhiệt lượng cung cấp cho hệ, thì hệ không thể sinh công, nghĩa là A = 0 Điều này dẫn đến kết luận rằng không thể chế tạo động cơ vĩnh cửu loại một, loại động cơ không cần năng lượng nhưng vẫn có khả năng sinh công.
ĐỊNH LUẬT HECCER
Định luật Heccer, được phát hiện vào năm 1836, đã được các nhà khoa học công nhận là một phần của định luật I nhiệt động học Định luật này khẳng định rằng hiệu ứng nhiệt của các phản ứng hóa học chỉ phụ thuộc vào dạng và trạng thái của chất phản ứng ban đầu và sản phẩm cuối cùng, mà không liên quan đến quá trình chuyển biến giữa chúng.
Ví dụ: Phản ứng tạo khí CO2 từ than nguyên chất là cacbon (C) có thể tiến hành theo 2 cách sau:
Cách 1: Đốt trực tiếp than nguyên chất thành khí CO2 sẽ giải phóng nhiệt lượng là
Cách 2: Chuyển than nguyên chất thành CO theo phản ứng:
Từ CO chuyển tiếp thành CO2 theo phản ứng:
Theo định luật Heccer, chất đầu tham gia phản ứng (C) và sản phẩm của phản ứng (CO2) giống nhau nên có hiệu ứng nhiệt giống nhau:
Trong quá trình đốt than để sản xuất CO, hiệu ứng nhiệt không thể đo trực tiếp do sự hình thành đồng thời một lượng nhỏ CO2 Tuy nhiên, các thí nghiệm vẫn có thể thực hiện để đo lường các yếu tố liên quan.
Từ đó dễ dàng suy ra giá trị
Định luật Heccer đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu các hệ sinh vật, nơi diễn ra nhiều phản ứng phức tạp Hiện tại, nhiều phản ứng trung gian chưa thể đo trực tiếp hiệu ứng nhiệt, nhưng nhờ vào định luật Heccer, chúng ta có thể giải quyết những khó khăn này Q2 được xác định là 29 KCal/M.
ĐỊNH LUẬT I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ÁP DỤNG VÀO HỆ SINH VẬT
Năm 1780, hai nhà khoa học Pháp Lavoisier và Laplace đã tiến hành thí nghiệm đầu tiên để chứng minh định luật I nhiệt động học áp dụng cho hệ thống sống Họ sử dụng chuột khoang làm đối tượng thí nghiệm, cách ly chúng khỏi môi trường bên ngoài bằng cách nuôi trong nhiệt lượng kế ở nhiệt độ 0 °C và cung cấp một lượng thức ăn đã xác định trước.
Trong cơ thể chuột, quá trình phân huỷ thức ăn tạo ra khí CO2 và H2O, đồng thời giải phóng nhiệt lượng Q1 Ở điều kiện 0 o C, chuột không hoạt động mà chỉ sử dụng nhiệt lượng từ việc oxy hoá thức ăn, cho phép đo sự tăng nhiệt độ để tính Q1 Bằng cách đốt cháy lượng thức ăn tương đương trong bom nhiệt lượng kế, ta cũng thu được nhiệt lượng Q2 So sánh Q1 và Q2 cho thấy hai giá trị này tương đương, chứng minh rằng nhiệt lượng từ phản ứng hoá sinh trong cơ thể sống tương đương với nhiệt lượng từ phản ứng oxy hoá bên ngoài Nghiên cứu của Atwater và Rosa năm 1904 đã nâng cao độ chính xác của thí nghiệm với đối tượng là con người trong 24 giờ, đo lượng khí oxy hít vào và khí CO2 thải ra, từ đó tính toán hiệu ứng nhiệt của quá trình phân huỷ thức ăn trong cơ thể người.
Hiệu ứng nhiệt của các phản ứng diễn ra ở cơ thể người trong 24 giờ:
Nhiệt lượng toả ra xung quanh 1374 kCal Nhiệt lượng toả ra do thở ra 181 kCal Nhiệt lượng toả ra do bốc hơi qua da 227 kCal
Nhiệt do khí thải ra 43 kCal
Nhiệt tỏa ra từ phân và nước tiểu 23 kCal
Hiệu đính (do sai số) 31 kCal
Tổng cộng nhiệt lượng thải ra 1879 kCal
Nhiệt lượng do thức ăn cung cấp:
Khi ôxy hoá 1 gam protein trong bom nhiệt lượng kế, khoảng 5,4 kCal được giải phóng dưới dạng khí CO2 và H2O, trong khi trong cơ thể sống, quá trình phân giải 1 gam protein tới urê chỉ giải phóng khoảng 4,2 kCal Đối với gluxit, việc ôxy hoá hoàn toàn 1 gam sẽ giải phóng khoảng 4,2 kCal, trong khi ôxy hoá hoàn toàn 1 gam lipit có thể giải phóng từ 9,3 đến 9,5 kCal.
Kết quả thí nghiệm của Atwater và Rosa cho thấy năng lượng trong thức ăn sau khi tiêu thụ được chuyển hóa thành năng lượng giải phóng qua các phản ứng hóa sinh trong cơ thể Năng lượng trong thức ăn và năng lượng giải phóng ra là tương đương Nhiệt lượng trong cơ thể được chia thành hai loại: nhiệt lượng cơ bản (sơ cấp) và nhiệt lượng tích cực (thứ cấp) Nhiệt lượng cơ bản xuất hiện ngay sau khi cơ thể hấp thụ thức ăn và tiêu thụ ôxy, thực hiện phản ứng ôxy hóa và giải phóng nhiệt lượng.
Một phân tử gam glucose (1M) khi được oxy hóa sẽ giải phóng 678 KCal nhiệt lượng cơ bản, được sử dụng cho các hoạt động sống và tích lũy vào ATP nếu còn dư Nhiệt lượng tích lũy này được gọi là nhiệt lượng tích cực Trong cơ thể sống, nhiệt lượng cơ bản và nhiệt lượng tích cực có mối liên hệ chặt chẽ; nếu nhiệt lượng cơ bản cao nhưng cơ thể sử dụng ít, nhiệt lượng tích cực sẽ tăng Ngược lại, nếu không có nhiệt lượng cơ bản, cơ thể sẽ phải phân giải ATP để cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống Ở trạng thái sinh lý bình thường, cơ thể duy trì một mối tương quan nhất định giữa nhiệt lượng cơ bản và nhiệt lượng tích cực, với khoảng 50% năng lượng từ chất dinh dưỡng được tích lũy vào ATP ở mức độ tế bào.
PHƯƠNG PHÁP NHIỆT KẾ GIÁN TIẾP VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA CƠ THỂ SỐNG
Phương pháp đo nhiệt lượng của Lavoadie và Laplace được sử dụng để chứng minh tính đúng đắn của định luật I nhiệt động học trong hệ sinh, dựa vào lượng khí oxy tiêu thụ và khí CO2 thải ra từ cơ thể động vật máu nóng, bao gồm động vật có vú và con người Phương pháp này có mối liên hệ chặt chẽ với nhiệt lượng chứa trong thức ăn.
Ví dụ: Quá trình ôxy hóa glucose, phản ứng diễn ra như sau: kCal O
Khi oxy hóa hoàn toàn một phân tử gam glucose, cần tiêu thụ 6 phân tử gam oxy, đồng thời thải ra 6 phân tử gam khí CO2 và giải phóng 678 KCal Ở điều kiện tiêu chuẩn, mỗi phân tử gam khí chứa 22,4 lít, do đó 6 phân tử gam oxy hoặc CO2 sẽ có tổng thể tích là 134,4 lít.
Cơ thể cần 1 lít O2 để oxy hóa hoàn toàn 1 gam glucose, đồng thời thải ra 1 lít CO2 và giải phóng một lượng nhiệt.
Đương lượng nhiệt của ôxy được xác định là 134,4 lít tương đương với 5,047 KCal/lít Bằng phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp, chúng ta có thể đo lường sự thải nhiệt của động vật máu nóng thông qua lượng ôxy tiêu thụ hoặc CO2 thải ra Phản ứng ôxy hóa glucose và các gluxit khác khi được oxy hóa hoàn toàn sẽ giải phóng nhiệt lượng, có thể tính toán theo công thức cụ thể.
Q(KCal) = số lít O2 ( hoặc số lít CO2) x 5,047 (3.4)
Khi ôxy hóa Protein, nhiệt lượng giải phóng ra được tính theo công thức:
Khi ôxy hoá Lipit, nhiệt lượng giải phóng ra được tính theo công thức:
Mối quan hệ giữa thức ăn, số lít O2 tiêu thụ và số lít CO2 thải ra cùng đương lượng nhiệt của ôxy được thể hiện qua bảng 3.1.
Bảng 3.1: Đương lượng nhiệt của ôxy đối với các loại thức ăn.
Thức ăn Số lít O2 cần để ôxy hoá 1 gam thức ăn
Số lít CO2 thải ra sau khi ôxy hoá 1g thức ăn Đương lượng nhiệt của ôxy
Lipit 2,03 1,42 4,74 Đối với thức ăn hỗn hợp gồm cả Gluxit, Protein và Lipit khi bị ôxy hoá, nhiệt lượng giải phóng ra được tính theo công thức:
Q(KCal) = số lít O2 x 4,825 (3.7) Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp còn có thể xác định được nhiệt lượng giải phóng ra khi ôxy hoá thức ăn thông qua:
Thương số hô hấp là tỉ lệ khí CO2 trên khí O2.
Thương số hô hấp cũng thay đổi tuỳ thuộc vào loại thức ăn được ôxy hoá.
- Đối với phản ứng ôxy hoá glucose
Thương số hô hấp của glucose được sử dụng cho cả Gluxit.
- Đối với phản ứng ôxy hóa Lipit có thương số hô hấp bằng 0,7, đối với Protein bằng
Thương số hô hấp Số lít khí CO2
0,8 còn với thức ăn hỗn hợp có giá trị nằm trong khoảng từ 0,85 đến 0,9.
Thương số hô hấp (TS hô hấp) liên quan chặt chẽ đến đương lượng nhiệt của ôxy (ĐLN của ôxy), như được thể hiện trong bảng 3.2 Bảng này cung cấp thông tin chi tiết về mối quan hệ giữa TS hô hấp và ĐLN của ôxy, giúp người đọc hiểu rõ hơn về khía cạnh sinh học và năng lượng của quá trình hô hấp.
TS hô hấp 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 ĐLN của ôxy 4,686 4,739 4,801 4,862 4,924 4,985 5,05
Khi ôxy hoá thức ăn, bằng cách đo lượng khí O2 tiêu thụ và lượng khí CO2 thải ra (đơn
PHÂN BIỆT NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA CƠ THỂ SỐNG VỚI MÁY NHIỆT
Nếu thương số hô hấp là 0,85, thì đương lượng nhiệt của ôxy đạt 4,862 Khi cơ thể tiêu thụ 20 lít O2, trị số trao đổi năng lượng sẽ được tính toán dựa trên các thông số này.
7 PHÂN BIỆT NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA CƠ THỂ SỐNG VỚI MÁY NHIỆT
Máy nhiệt là loại động cơ sử dụng nhiên liệu đốt như dầu Diesel và xăng để tạo ra công năng, ví dụ như trong ô tô, xe máy và máy bơm nước Trong lĩnh vực cơ học, hiệu suất sử dụng năng lượng của máy nhiệt được tính toán theo một công thức cụ thể.
T − η = (3.8) η: Hiệu suất của máy nhiệt (%)
T1: Nhiệt độ Kelvin ở trạng thái đầu (K)
T2: Nhiệt độ Kelvin ở trạng thái cuối (K)
Công thức chuyển đổi giữa nhiệt độ Kelvin và nhiệt độ bách phân ( o C):
T(K) = t( o C) + 273 (3.9) Giả sử hiệu suất sử dụng năng lượng của một máy nhiệt đạt trung bình là: 33% = 33/100 ≈ 1/3
Nếu ta cũng giả sử cơ thể sống hoạt động giống như một máy nhiệt, tức là cũng có hiệu suất sử dụng năng lượng là 33% ?
Nhiệt độ ban đầu của cơ thể người là 37 o C, theo công thức (3.9) tính ra:
T1 = 37 + 273 = 310K Thay η = 33 % ≈ 1 / 3 và T1 = 310K vào công thức (3.8) sẽ được: T2 = 465K (tức
Kết quả nghiên cứu cho thấy cơ thể sống không hoạt động giống như một máy nhiệt, vì protein trong cơ thể bị biến tính ngay khi nhiệt độ đạt từ 40°C đến 60°C.
Ở nhiệt độ 192 độ C, không có sinh vật nhân chuẩn nào có khả năng sống sót Điều này chứng tỏ rằng cơ thể sống hoạt động không giống như một cỗ máy nhiệt, mà tuân theo các nguyên lý của các quá trình sinh học.
ĐỊNH LUẬT II NHIỆT ĐỘNG HỌC
Định luật I của nhiệt động học mô tả sự chuyển đổi giữa các dạng năng lượng, cung cấp công thức thể hiện mối quan hệ định lượng giữa các dạng năng lượng trong một quá trình cụ thể.
Định luật II nhiệt động học không chỉ xác định khả năng xảy ra của một quá trình mà còn chỉ ra chiều hướng diễn biến của nó, nếu quá trình đó xảy ra Nó cũng giúp xác định thời điểm dừng lại của quá trình tự diễn biến và đánh giá khả năng sinh công của các hệ nhiệt động khác nhau Định luật này có ba cách phát biểu khác nhau.
Tiên đề Clausius, được đưa ra vào năm 1850, khẳng định rằng "Nhiệt không thể tự động truyền từ vật lạnh sang vật nóng" Điều này dẫn đến kết luận rằng các quá trình nhiệt động chỉ có thể tự diễn ra khi có sự truyền năng lượng từ mức độ cao đến mức độ thấp, tức là theo chiều gradien Gradien của một thông số, phản ánh tính chất trạng thái của hệ như nồng độ, được xác định bằng hiệu số giá trị của thông số đó tại hai điểm chia cho khoảng cách giữa chúng.
Giả sử tại vị trí 1 có nồng độ C1 và tại vị trí 2 có nồng độ C2 với C1 > C2, hiệu số nồng độ được tính là ∆C = C1 - C2 Đồng thời, hiệu số khoảng cách giữa hai vị trí là ∆x = x2 - x1 Từ đó, gradien nồng độ được xác định dựa trên hai hiệu số này.
Gradien là một đại lượng vectơ, có giá trị về hướng và giá trị độ lớn.
So sánh tế bào sống với vật vô sinh như hạt cát cho thấy tế bào sống duy trì nhiều loại gradien khác nhau, bao gồm gradien màng để duy trì điện thế tĩnh và điện thế hoạt động, gradien nồng độ để kiểm soát nồng độ chất, và gradien áp suất thẩm thấu để duy trì lượng nước trong tế bào Khi tế bào chết, các loại gradien này sẽ bị triệt tiêu Do đó, sự sống của tế bào luôn gắn liền với sự tồn tại của các gradien.
Cách phát biểu thứ hai do Thomson phát triển tiên đề của Clausius "Không thể có một quá trình biến đổi chuyển toàn bộ nhiệt lượng thành công".
Theo phát biểu của Thomson, hiệu suất hữu ích của mọi quá trình luôn nhỏ hơn 1 (η < 1), điều này cho thấy rằng không có quá trình nào trong tự nhiên có thể chuyển đổi hoàn toàn nhiệt lượng được cung cấp thành công hữu ích Vậy các quá trình trong hệ thống sống có tuân theo quy luật này hay không? Vấn đề này sẽ được thảo luận trong phần sau.
Theo ý kiến của Planck, entropi là tiêu chuẩn cần thiết để xác định tính thuận nghịch và không thuận nghịch của các quá trình vật lý Định luật II của nhiệt động học khẳng định rằng trong một hệ cô lập, mọi quá trình tự nhiên đều diễn ra theo chiều tăng của entropi Để hiểu rõ hơn về khái niệm này, ta có thể xem xét nguyên lý hoạt động của máy nhiệt.
Theo hình 3.1, nguyên lý hoạt động của máy nổ như sau:
Máy chỉ hoạt động hiệu quả khi được cung cấp năng lượng từ xăng, tạo ra công A khi bánh quay Quá trình đốt cháy xăng diễn ra ở nhiệt độ T1, giải phóng nhiệt lượng Q1 để sinh công, trong khi phần nhiệt lượng còn lại Q2 được truyền cho nguồn nước làm lạnh, dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ của nước lên T2 Điều này cho thấy Q1 lớn hơn Q2 và T1 cao hơn T2.
Theo (3.8) thì hiệu suất hữu ích của quá trình thuận nghịch được xác định theo công thức:
Từ vật lý học cho biết sự thay đổi entropi của một hệ được xác định theo công thức:
Sự thay đổi entropi của hệ (∆S) liên quan đến nhiệt lượng cung cấp cho hệ (Q) và nhiệt độ tuyệt đối của hệ (T) Trong quá trình biến thiên vô cùng nhỏ, các mối quan hệ này trở nên quan trọng để hiểu cách thức mà hệ thống nhiệt động học hoạt động.
(3.14) Đơn vị của entropi là Cal/M.độ
Entropi là một hàm trạng thái nên nó chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ.
Công thức (3.12) có thể biểu diễn qua hàm entropi như sau:
S2 : Entropi ở trạng thái cuối Đối với quá trình thuận nghịch, theo công thức (3.12), ta có:
Trong một hệ thống, khi chỉ diễn ra các quá trình thuận nghịch, hệ sẽ duy trì trạng thái cân bằng và entropi của nó sẽ không thay đổi Ngược lại, trong các quá trình không thuận nghịch, entropi có thể thay đổi, dẫn đến sự mất cân bằng trong hệ.
Nhiệt lượng cung cấp cho hệ không chỉ làm thay đổi entropi của hệ mà còn ảnh hưởng đến entropi của môi trường xung quanh thông qua ma sát và tỏa nhiệt Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng trong một quá trình không thuận nghịch, entropi của hệ ở trạng thái cuối (S2) luôn lớn hơn entropi ở trạng thái đầu (S1).
Trong một hệ thống không thuận nghịch, entropi luôn có xu hướng tăng Đối với hệ cô lập, các quá trình diễn ra sẽ dẫn đến sự gia tăng entropi, và entropi sẽ đạt giá trị cực đại khi hệ đạt trạng thái cân bằng nhiệt động.
Trong cả quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch, sự thay đổi entropi của hệ được biểu diễn bằng ∆S ≥ 0 Đối với quá trình thay đổi entropi cực kỳ nhỏ, được gọi là quá trình vi phân, ta có dS ≥ 0 Dấu "=" áp dụng cho quá trình thuận nghịch, trong khi dấu ">" áp dụng cho quá trình không thuận nghịch.
Hệ cô lập bao gồm hai vật thể A và B, trong đó vật thể A có nhiệt độ TA và vật thể B có nhiệt độ TB Nếu nhiệt độ TA lớn hơn nhiệt độ TB một lượng nhiệt Q, thì sự thay đổi entropi của vật A do mất nhiệt được tính toán như sau:
(dấu “-” chỉ entropi của vật A bị giảm), còn sự thay đổi entropi của vật B do nhận nhiệt là
Sự thay đổi entropi của toàn hệ được xác định:
Vì TA > TB nên TA – TB > 0 suy ra dS > 0
Ví dụ 2: Ngâm cục nước đá có nhiệt độ là 0 0 C (hay 273K) vào trong thùng dầu có nhiệt độ 100 0 C (hay 373K).
Nhiệt lượng sẽ tự động truyền từ dầu sang nước đá, qui ra nhiệt lượng là Q Thực nghiệm xác định được Q = 80 cal.
Dầu cung cấp nhiệt lượng nên sự thay đổi entropi của dầu là: 0 , 214
Cục nước đá nhận nhiệt nên sự thay đổi entropi của nước đá là: 0 , 293
Sự thay đổi entropi của hệ (gồm dầu và cục nước đá) là:
= D Đ he dS dS dS cal/độ > 0
Đối với hệ cô lập, quá trình truyền nhiệt tự nhiên diễn ra theo chiều tăng của entropy, điều này khẳng định tính đúng đắn của định luật II nhiệt động học.
ENTROPY VÀ NĂNG LƯỢNG TỰ DO
TÍNH CHẤT THỐNG KÊ CỦA ĐỊNH LUẬT II NHIỆT ĐỘNG HỌC
Tarusov trình bày nguyên lý II nhiệt động học qua khái niệm xác suất nhiệt động, trong đó xác suất nhiệt động của một hệ phản ánh số trạng thái vi mô khả dĩ tương ứng với một trạng thái vĩ mô xác định Ví dụ, với hệ gồm hai hạt, nếu chia thành hai nửa, trạng thái vĩ mô trái 2 hạt, phải 0 hạt chỉ có một trạng thái vi mô duy nhất, tức là cả hai hạt đều ở một phía, với xác suất nhiệt động W = 1 Ngược lại, trạng thái trái 1, phải 1 có hai trạng thái vi mô tương ứng, với W = 2, cho thấy sự đa dạng trong cách phân bố hạt.
Khi hệ có 4 hạt, các trạng thái vi mô khả dĩ bao gồm (0, 4), (1, 3), (2, 2) và các trạng thái đối xứng khác, với xác suất nhiệt độ W lần lượt là 1, 4 và 6 Khái niệm xác suất thể hiện rõ khi hệ tiến tới trạng thái có xác suất cao nhất, tức là W = 6 cho hệ 4 hạt Đây là trạng thái cân bằng, khi số hạt ở hai nửa giả định bằng nhau, tương đương với gradient số hạt bằng không Trong trạng thái này, hệ không còn năng lượng tự do và không có khả năng sinh công, đạt được trạng thái cân bằng nhiệt động.
Theo cách giải thích Tarusov, entropi S của hệ là: S = k.lnW
Với k là hằng số Bolzman.
Khi công W tăng, entropy S cũng tăng theo, và khi W đạt giá trị cực đại, S cũng đạt cực đại Trong một hệ cô lập, entropy sẽ gia tăng đến mức tối đa, đánh dấu điểm kết thúc của các quá trình nhiệt động.
Cách giải thích này mang đến một hiểu biết cụ thể hơn về hướng đi của các quá trình trong hệ thống, đóng vai trò như một bổ sung cho những diễn đạt truyền thống và kinh điển liên quan đến năng lượng tự do.
NGUYÊN LÝ II NHIỆT ĐỘNG VÀ CÁC HỆ THỐNG MỞ
Trong một thời gian dài, người ta cho rằng nguyên lý II không thể áp dụng cho các hệ thống sống, vì theo nguyên lý này, entropi của hệ sẽ tăng dần đến cực đại, dẫn đến sự hỗn loạn và vô trật tự Tuy nhiên, hệ thống sống lại có trình độ tổ chức cao, với các cấu trúc đặc thù được duy trì và phát triển, cho phép năng lượng tự do không ngừng tái sinh Điều này cho thấy entropi không chỉ không tăng mà còn có thể giảm, mâu thuẫn này đã dẫn đến hiểu lầm rằng sự sống không tuân theo các quy luật vật lý Tuy nhiên, thực tế là hệ thống sống là hệ mở, luôn trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường, điều này giải thích sự khác biệt giữa cơ thể sống và các hệ vô sinh.
Biểu thức từ nguyên lý I: U = F + TS
Trong các hệ cô lập, việc giảm năng lượng tự do và tăng entropi là điều tự nhiên, nhưng trong các hệ thống sống, năng lượng tự do có thể được duy trì và tăng lên nhờ việc oxy hóa thức ăn từ bên ngoài Điều này cho phép entropi của hệ thống sống được duy trì hoặc giảm xuống, giữ cho độ trật tự trong cơ thể sinh vật được bảo toàn hoặc tăng cường Schroedinger đã từng cho rằng cơ thể sống thu nhập trật tự từ môi trường qua thức ăn, nhưng Metnhicov chỉ ra rằng cơ thể không chỉ tiếp nhận mà còn từ chối những trật tự không phù hợp Thay vào đó, cơ thể sử dụng năng lượng tự do từ môi trường để tạo ra cấu trúc riêng của mình Mặc dù trong thế giới vô sinh cũng tồn tại các hệ thống có độ trật tự cao như cấu trúc tinh thể, nhưng chúng có mức năng lượng tự do cực tiểu và không có khả năng sinh công, điều này khác biệt hoàn toàn với sự sống.
Tóm lại, trật tự cao và khả năng sinh công, cùng với entropy không cực đại và năng lượng tự do không cực tiểu, là những đặc điểm bản chất của cơ thể sống Đặc điểm này được duy trì nhờ vào sự trao đổi liên tục vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh.
Sự thay đổi năng lượng tự do dF và Entropy dS của hệ thống mở được phân chia thành hai phần: diF và diS tương ứng với các quá trình lý sinh và hóa sinh trong hệ, và deF, deS liên quan đến tương tác với môi trường Đối với hệ thống không tính đến tương tác, diF luôn nhỏ hơn 0 và diS lớn hơn 0 Tuy nhiên, trong cơ thể, có những quá trình ngược gradient và tăng năng lượng tự do, như việc vận chuyển chất từ nồng độ thấp đến cao hay tổng hợp các chất cao phân tử Những quá trình này thường mang tính cục bộ và đi kèm với các quá trình thuận gradient Chẳng hạn, việc vận chuyển ion ngược gradient dẫn đến tích lũy năng lượng tự do, đồng thời phải thủy phân ATP, khiến năng lượng tự do trong khu vực đó vẫn giảm theo nguyên lý II Nếu hệ nhiệt động không mở, điều này sẽ dẫn đến trạng thái cân bằng nhiệt động.
ATP được bù đắp ngay lập tức bằng năng lượng tự do từ thức ăn, trong khi entropy mới sinh ra trong hệ sẽ được thải ra môi trường Kết quả là deF > 0 và deS < 0, cho thấy có dòng entropy âm từ môi trường vào cơ thể Quá trình này diễn ra khi cơ thể thải ra chất cặn bã và nhiệt, đồng thời tiếp nhận thức ăn từ môi trường.
Có thể có 3 trường hợp sau:
Entropy của hệ thống sống có thể thay đổi, bao gồm việc không đổi, giảm hoặc tăng, tùy thuộc vào mối quan hệ giữa dòng entropy âm nhập vào cơ thể và dòng entropy dương sản sinh ra trong cơ thể Trong mọi trường hợp, entropy của toàn bộ hệ thống cơ thể luôn được xem xét.
- môi trường’ luôn dương và điều đó không mâu thuẫn với nguyên lý II.
CÁC TRẠNG THÁI DỪNG
Volkenstein đã chỉ ra rằng trong quá trình phát sinh và phát triển, entropy của các hệ sinh vật giảm, trong khi năng lượng tự do tăng lên Khi độ trật tự của cấu trúc và khả năng sinh công tiềm trữ đủ để duy trì sự sống, các tham số trạng thái của hệ trở nên không đổi, và ta nói rằng hệ ở trạng thái dừng Điều này rất rõ ràng ở cơ thể người, nơi mà nếu điều kiện môi trường ổn định, nhiệt độ, thành phần máu, hóa học dịch nội bào và dịch gian bào, nhịp tim, nhịp hô hấp đều duy trì giá trị hằng định Trạng thái dừng không chỉ thể hiện ở môi trường bên trong mà còn ở tất cả các tế bào, với các gradient nồng độ, điện, thẩm thấu và các chỉ tiêu hóa lý khác không thay đổi Cần lưu ý rằng trạng thái dừng không có nghĩa là đứng lại; ngược lại, trong trạng thái này diễn ra nhiều quá trình và biến đổi phong phú, phức tạp nhưng lại cân bằng lẫn nhau.
Về toán học, các biến đổi theo thời gian có dạng: dt
Nếu muốn có trạng thái dừng: dt
Cân bằng dừng của hệ mở khác với cân bằng nhiệt động của hệ cô lập về bản chất, mặc dù cả hai đều có các tham số trạng thái không đổi Sự khác biệt nằm ở phương thức duy trì trạng thái: trong cân bằng nhiệt động, không xảy ra các quá trình, trong khi cân bằng dừng là kết quả của việc tốc độ và hướng của các quá trình cân bằng lẫn nhau Dưới đây là bảng chỉ ra những sự khác nhau cơ bản giữa hai loại cân bằng này.
Cân bằng nhiệt động Cân bằng dừng
Ví dụ : Bình mở, một phần chứa chất lỏng, một phần chứa hơi.
1 Không có dòng vật chất ra và vào môi trường.
Ví dụ : Ngọn nến đang cháy,
1 Có dòng không đổi vật chất vào hệ và ra khỏi hệ.
2 Không cần tiêu phí năng lượng tự do để duy trì cân bằng.
3 Năng lượng tự do và khả năng sinh công của hệ bằng không.
4 Entropy của hệ có giá trị cực đại.
5 Không có gradient trong hệ
2 Luôn cần tiêu phí năng lượng tự do để duy trì cân bằng.
3 Năng lượng tự do và khả năng sinh công của hệ không đổi.
4 Entropy của hệ không đạt giá trị cực đại.
5 Có gradient không đổi trong hệ.
Sự khác nhau giữa hệ cô lập và hệ mở là rất rõ ràng Trong hệ cô lập, entropy (S) đạt đến giá trị tối đa (Smax) khi dS = 0, nghĩa là không có sự thay đổi entropy Nguyên lý II của nhiệt động học khẳng định rằng entropy chỉ có thể tăng, do đó, điều kiện cân bằng xảy ra khi S không thể tăng thêm nữa Ngược lại, trong hệ mở, entropy không đạt Smax vì deS ≠ 0, dẫn đến diS ≠ 0, tức là có sự thay đổi trong hệ Tương tự, với năng lượng tự do, chúng ta cũng có thể rút ra kết luận rằng trong trạng thái cân bằng nhiệt động, hệ mở không đạt đến trạng thái tối đa của entropy.
Trong trạng thái cân bằng dừng, lực F không bằng Fmin và do đó F khác 0 Hai sự khác biệt này là cơ sở để chúng ta suy luận và giải thích tất cả các sự khác biệt còn lại.
Trong các trạng thái dừng như vậy, luôn xảy ra các quá trình bất thuận nghịch ở bản thân hệ, cho nên:
S d i nghĩa là tương tác giữa cơ thể và môi trường thể hiện qua dòng entropy âm từ môi trường vào cơ thể.
Nghiên cứu của Prigogine về các hệ thống mở chỉ ra rằng trong trạng thái dừng, tốc độ tăng entropy là dương và đạt giá trị tối thiểu, phản ánh sự phân tán năng lượng tự do Để duy trì trạng thái dừng, chỉ cần một dòng năng lượng tự do tối thiểu Khi hệ lệch khỏi trạng thái này, các thay đổi nội tại sẽ tự động diễn ra để đưa hệ trở về trạng thái dừng ban đầu, thể hiện khả năng tự điều chỉnh của hệ Ví dụ, khi nhiệt độ môi trường tăng, cơ thể sẽ giảm sinh nhiệt và tăng thải nhiệt ra ngoài để giữ thân nhiệt ổn định, bất chấp sự biến động của nhiệt độ môi trường Khả năng tự ổn định này là đặc trưng nổi bật của các tổ chức sống.
Khi điều kiện sống thay đổi mạnh mẽ, cơ thể sẽ điều chỉnh để đạt được trạng thái dừng mới, phù hợp với môi trường xung quanh Có ba phương thức chuyển đổi trạng thái dừng được mô tả trong hình ảnh.
CÂU HỎI LƯỢNG GIÁ BÀI 2
Nếu bác sĩ thông báo rằng nhiệt độ của bạn là 310 độ trên không độ tuyệt đối, bạn có thể cảm thấy lo lắng Nhiệt độ này tương đương với khoảng 36.85 độ C, nằm trong giới hạn bình thường của cơ thể con người Tuy nhiên, nếu bác sĩ đề cập đến một con số cao hơn nhiều, như 310 độ C, thì đây sẽ là một tình huống nguy hiểm và không thể xảy ra trong thực tế Do đó, việc hiểu rõ về các đơn vị đo lường và ngữ cảnh là rất quan trọng để đánh giá tình trạng sức khỏe của bạn.
BT-2.2 Trong ngày mừng lễ mừng sinh nhật lần thứ 44 của mình, ca sĩ Tom Rush
(Mỹ-đơn vị nhiệt độ dùng ở Mỹ là Fahrenheit), nhận xét: “Tôi thích nói tuổi của tôi là
5 Celcius” Tom nói thế có đúng không ? Nếu không, tuổi của ông ấy tính theoCelcius là bao nhiêu?
Để làm tan 1 gam băng bằng cách mài khối này với khối khác, cần tính toán công tiêu tốn Nhiệt nóng chảy của nước đá được cho là LF = 3,33 x 10^5 J/kg Do đó, để làm tan 1 gam băng, bạn sẽ cần khoảng 3,33 x 10^2 Joules.
Để tính toán lượng bơ cần thiết cho một người nặng 71,17 kg để lên đến đỉnh núi Everest ở độ cao 8839m, cần sử dụng nhiệt dung của bơ là 6,0 kCal/g (6000 Cal/g) và gia tốc trọng trường g = 10 m/s² Kết quả cho thấy cần cung cấp khoảng 250g bơ để đáp ứng năng lượng cần thiết cho hành trình này.
Nếu một người tiêu thụ toàn bộ khẩu phần ăn 2500 kcal trong 24 giờ, họ đã sử dụng khoảng 10,460,000 joules năng lượng Điều này tương đương với một công suất cơ học khoảng 121 watts.
Công suất cơ học của tim ở trạng thái nghỉ ngơi là 1,1W Để tim hoạt động trong 24 giờ, cần một khẩu phần ăn khoảng 91 kilocalories, với giả định hiệu suất sử dụng năng lượng thực phẩm của cơ thể là 25% Lưu ý rằng 1 kcal tương đương với 86J.
Khi cho 20g đá ở 0°C vào 30g nước nóng ở 100°C, ta cần tính nhiệt độ cân bằng của hệ Biết rằng nhiệt dung riêng của nước là 1 cal/g.°C và nhiệt nóng chảy của đá là 80 cal/g, ta có thể xác định nhiệt độ cân bằng cuối cùng là 28°C.
2.1 Một vật có nhiệt độ 310K Khi đổi sang thang Celcius nó có nhiệt độ khoảng:
PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG
2.2 Cho 5 trường hợp khí lý tưởng bên dưới, đều chứa cùng số phân tử Trường hợp nào có nhiệt độ cao nhất?
2.3 Một khối khí lý tưởng trãi qua một quá trình đẳng nhiệt với áp suất và thể tích ở đầu quá trình là 2 × 10 5 Pa và 6cm 3 Trong các trường hợp dưới đây, trường hợp nào có thể là áp suất và thể tích của khối khí ở cuối quá trình trên?
NHIỆT – NHIỆT CHUYỂN PHA – CALO VÀ JOULE
2.4 Cần cung cấp bao nhiêu cal để chuyển 1 gam băng ở 0 0 C hoàn toàn thành hơi nước ở 100 0 C Biết đối với nước, nhiệt nóng chảy là 80cal/g và nhiệt hóa hơi là 540cal/g và nhiệt dung riêng là 1cal/g 0 C
2.5 Cần cung cấp bao nhiêu cal để chuyển 1 gam băng ở 0 0 C thành nước có nhiệt độ
60 0 C Biết nhiệt nóng chảy riêng của nước là 80cal/g và nhiệt dung riêng là 1cal/g 0 C
2.6 Cần cung cấp bao nhiêu cal để chuyển 2 gam nước ở 20 0 C hoàn toàn thành hơi nước ở 100 0 C Biết nhiệt nóng chảy riêng của nước là 80cal/g, nhiệt nhiệt dung riêng của nước 1cal/g 0 C, và nhiệt hóa hơi riêng của nước là 540cal/g
2.7 Một người mất nhiệt do bức xạ từ bề mặt da qua môi trường trong 10 phút là
7,5.10 4 J Nhiệt lượng này tương ứng với khoảng bao nhiêu kcal? Cho biết: 1cal 4,186J
A 10 kcal B 15 kcal C 17 kcal D 18 kcal E 22 kcal
2.8 Một người sử dụng hết khẩu phần ăn 100kcal để thực hiện một công Người này đã sử dụng bao nhiêu joules năng lượng? Biết 1cal = 4,186J
SỰ TRAO ĐỔI NHIỆT –NHIỆT ĐỘ CÂN BẰNG
2.9 Đổ 1kg nước ở 100 0 C vào 9kg nước ở 20 0 C Nhiệt độ cân bằng của hỗn hợp là:
2.10 Đổ 1kg nước ở 100 0 C vào 9kg nước ở 10 0 C Nhiệt độ cân bằng của hỗn hợp là:
2.11 Đổ 1kg nước ở 100 0 C vào 9kg nước ở 30 0 C Nhiệt độ cân bằng của hỗn hợp là:
