Tải bản đầy đủ
NHIỆT ĐỘNG HỌC HỆ SINH VẬT

NHIỆT ĐỘNG HỌC HỆ SINH VẬT

Tải bản đầy đủ

MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN

1.2.

1.2.1. Hệ nhiệt động
Hệ nhiệt động là một vật hay một đối tượng được cấu tạo bởi số lớn các phần tử có kích
thước nhỏ hơn rất nhiều so với vật hay đối tượng được chọn làm đối tượng để nghiên cứu, giới
hạn trong một khoảng không gian xác định bởi ranh giới của hệ với môi trường.
Một hệ nhiệt động có thể phức tạp và cấu tạo bởi nhiều hệ khác nhau. Tùy theo đặc tính
tương tác với môi trường xung quanh, người ta chia làm ba loại: hệ cô lập, hệ kín, hệ mở.
 Hệ cô lập là hệ không trao đổi chất và năng lượng với môi trường xung quanh.
 Hệ kín là hệ chỉ trao đổi năng lượng và không trao đổi vật chất với môi trường bên
ngoài.
 Hệ mở là hệ có khả năng trao đổi chất và năng lượng với môi trường bên ngoài.
Hệ sinh vật chính là một hệ mở khi bắt buộc phải thực hiện trao đổi chất và năng lượng với
môi trường bên ngoài. Đây là đối tượng nghiên cứu chính của nhiệt động học hệ sinh vật.
Cơ thể sinh vật khác với các hệ mở khác ở 3 điểm:
 Là một tồn tại đặc biệt của protid và các chất khác;
 Có khả năng tự tái tạo;
 Khả năng tự phát triển.
Một đặc điểm khác của hệ sinh vật đó là tính dị thể của hệ. Trong hệ sinh vật có nhiều bề
mặt phân chia ngăn cách các phần có tính chất khác nhau.

1.2.2. Trạng thái
Ở mỗi thời điểm xác định, hệ mang những tính chất vật lý và hóa học xác định. Nói cách
khác, một tập hợp các tính chất vật lý và hóa học của hệ tại một thời điểm xác định trạng thái
của hệ.
Tham số trạng thái là các đại lượng đặc trưng, mô tả cho trạng thái của hệ. Ví dụ như nhiệt
độ, áp suất, thể tích, năng lượng, entropy, enthalpy … Mối tương quan giữa các tham số trạng
thái được mô tả bởi phương trình trạng thái
Trạng thái cân bằng là trạng thái của hệ khi các tham số trạng thái đạt một giá trị xác định
và không đổi theo thời gian.
Hàm trạng thái của hệ là đại lượng mà sự biến thiên giá trị của nó trong bất cứ quá trình
nào cũng chỉ phụ thuộc vào giá trị đầu và giá trị cuối mà không phụ thuộc vào quá trình diễn
biến. Nội năng (U), Năng lượng tự do (F), Thế nhiệt động (Z hay G), enthalpy (H), entropy (S)
là những hàm trạng thái.
10

Ngược lại, một đại lượng đặc trưng cho hệ, mà sự biến thiên giá trị của nó phụ thuộc vào
cách chuyển biến của hệ thì không được gọi là hàm trạng thái, đôi khi được gọi là hàm quá
trình.

1.2.3. Quá trình
Khi hệ chịu một quá trình biến đổi, có ít nhất một tham số trạng thái thay đổi, khi ấy hệ
thực hiện một quá trình nhiệt động. Quá trình nhiệt động có thể là một quá trình kín hay chu
trình, tức là quá trình mà sau hàng loạt biến đổi hệ quay về trạng thái ban đầu.
Nếu quá trình xảy ra ở điều kiện nhiệt độ không đổi (T = const) được gọi là quá trình đẳng
nhiệt, nếu xảy ra ở áp suất không đổi (P = const) được gọi là quá trình đẳng áp, ở thể tích không
đổi (V = const) được gọi là quá trình đẳng tích. Nếu quá trình không trao đổi nhiệt với môi
trường (Q = 0), nhưng có thể trao đổi công (khi giãn nở) được gọi là quá trình đoạn nhiệt.
Quá trình cân bằng là quá trình, mà trong suốt thời gian diễn tiến, các tham số trạng thái
thay đổi với tốc độ chậm tới mức sao cho tại mỗi thời điểm có thể xem trạng thái của hệ là trạng
thái cân bằng.
Quá trình thuận nghịch là quá trình biến đổi mà khi trở về trạng thái ban đầu không kèm
theo bất cứ một sự biến đổi nào của môi trường xung quanh.
Quá trình bất thuận nghịch là quá trình biến đổi mà khi trở về trạng thái ban đầu làm thay
đổi môi trường xung quanh.

1.2.4. Năng lượng – Nội năng
Năng lượng là đại lượng đặc trưng cho mức độ vận động của vật chất bên trong hệ. Năng
lượng là đại lượng có thể đo được, có thể biến đổi một cách định lượng luôn theo cùng một tỉ
lệ thành nhiệt lượng. Năng lượng phản ánh khả năng sinh công của một hệ. Năng lượng là một
hàm trạng thái.
Năng lượng toàn phần (W) của một hệ gồm động năng ứng với chuyển động có hướng của
cả hệ (Wđ), thế năng trong trường lực (Wt) và phần năng lượng bên trong tức là nội năng (U)
của hệ.
𝑊 = 𝑊đ + 𝑊𝑡 + 𝑈

(1.1)

Tùy theo tính chất của hệ chuyển động và tương tác của các phần cấu tạo nên hệ, ta có thể
chia nội năng của hệ thành:
 Động năng chuyển động hỗn loạn của các phân tử;
 Thế năng tương tác do sự hút và đẩy giữa các phân tử;
 Năng lượng hạt nhân nguyên tử và của các điện tử ở lớp vỏ.
11

Trong nhiệt động học, giả thiết rằng chuyển động có hướng của hệ là không đáng kể, hệ
không đặt trong trường lực nào, do đó năng lượng W của hệ đúng bằng nội năng của hệ. Như
vậy, nội năng của hệ cũng là một hàm trạng thái.
Điều quan trọng không phải là nội năng U mà chính là độ biến thiên nội năng dU của nó
khi hệ biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác. Thông thường, người ta giả thiết rằng nội
năng của một hệ bằng không ở nhiệt độ không tuyệt đối (T = 0K). Nếu hệ biến đổi qua các trạng
thái khác nhau rồi quay trở về trạng thái ban đầu (hệ thực hiện một chu trình) thì:
∆𝑈 = 0

(1.2)

Nếu hệ biến đổi từ trạng thái 1 sang trạng thái 2, ta có:
𝑈2

∆𝑈 = ∫ 𝑑𝑈 = 𝑈2 − 𝑈1

(1.3)

𝑈1

1.2.5. Công và nhiệt
Công và nhiệt là hai hình thức truyền năng lượng từ hệ này sang hệ khác.
1.2.5.1.

Công

Nếu gọi 𝐹⃗ là lực tác dụng lên vật và ⃗⃗⃗⃗⃗
𝑑𝑠 là quãng đường dịch chuyển bất kỳ của vật dưới
tác dụng của lực ấy thì công dA được xác định bằng hệ thức:
𝐴 = ∫ 𝑑𝐴 = ∫ 𝐹⃗ . ⃗⃗⃗⃗⃗
𝑑𝑠

(1.4)

Đơn vị đo công trong hệ SI là Joule (J). Joule là công của lực 1N làm vật dịch chuyển 1m.
Đối với một khối khí bên trong bình được nén giãn bằng một lực tác dụng bên ngoài thì
công A được xác định bằng hệ thức:
𝑑𝐴 = 𝐹𝑛𝑔𝑜à𝑖 . 𝑑𝑥 = −𝑝. 𝑆. 𝑑𝑥 = −𝑝. 𝑑𝑉
với p là áp suất của khối khí cân bằng với ngoại lực; dV là độ biến thiên thể thích của khối khí.
Giả thiết rằng nhiệt độ T không đổi, hệ chuyển từ trạng thái có thể tích V1 đến trạng thái
có thể tích V2 thì:
𝑉2

𝐴 = − ∫ 𝑝. 𝑑𝑉

(1.5)

𝑉1

1.2.5.2.

Nhiệt lượng

Nhiệt lượng là đại lượng được xác định bằng hệ thức:
12

∆𝑄 = 𝑚. 𝑐. ∆𝑇

(1.6)

trong đó Q là nhiệt lượng; m là khối lượng của vật nhận nhiệt; c là nhiệt dung riêng đặc trưng
cho bản chất vật thu nhiệt hay tỏa nhiệt.
Đơn vị đo nhiệt lượng là calo (cal), là nhiệt lượng cần cung cấp để nâng nhiệt độ của 1 gam
nước từ 14,50C đến 14,50C.
Từ (1.6) ta viết lại:
𝑐=

∆𝑄
𝑚. ∆𝑇

(1.7)

Như vậy, nhiệt dung riêng là nhiệt lượng cần truyền cho một đơn vị khối lượng để nhiệt độ
của nó tăng lên 1độ. Đơn vị của nhiệt dung riêng là cal/g.K
1.2.5.3.

Liên hệ giữa công và nhiệt lượng

Từ những quan sát thực nghiệm, ta thấy có một sự liên hệ mật thiết giữa nhiệt và công.
Bằng nhiều thí nghiệm trong suốt những năm 1843 – 1876, Joule đã thiết lập được sự tương
đương giữa nhiệt và công: cứ một tốn một công bằng 4,18J thì sẽ được một nhiệt lượng 1cal.
𝐽=

𝐴 427𝑘𝑔𝑚
𝐽
=
= 4,18
𝑄
𝑘𝑐𝑎𝑙
𝑐𝑎𝑙

(1.8)

hay
𝐴 = 𝐽. 𝑄
Công và nhiệt là những đại lượng dùng để đo mức độ trao đổi năng lượng chứ bản thân
chúng không phải là một dạng năng lượng.
Khi hệ biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác theo những con đường khác nhau thì
công và nhiệt trong những quá trình đó có giá trị khác nhau. Như vậy, công và nhiệt là những
hàm của quá trình.

1.3.

ĐỊNH LUẬT I NHIỆT ĐỘNG HỌC HỆ SINH VẬT

1.3.1. Định luật I nhiệt động học và hệ quả
1.3.1.1. Phát biểu
Trên cơ sở những quan sát, kinh nghiệm của con người về những hiện tượng tự nhiên. Qua
các công trình nghiên cứu của M. V. Lomonoxob (1744), G. I. Hess (1836), R. Majo (1842),
Helmholtz (1849), Joule (1877)... Con người đã khám phá ra nguyên lý bảo toàn và chuyển hóa
năng lượng, được phát biểu như sau:
"Trong một quá trình nếu năng lượng ở dạng này biến đi thì năng lượng ở dạng khác
sẽ xuất hiện với lượng hoàn toàn tương đương với giá trị của năng lượng dạng ban đầu".
13

Định luật I nhiệt động học là một trường hợp riêng của nguyên lý trên khi áp dụng vào hệ
và các quá trình nhiệt động, trong đó có sự trao đổi công và nhiệt với môi trường, nội năng của
hệ. Phát biểu như sau:
“Độ biến thiên nội năng của hệ trong một quá trình biến đổi bằng tổng của công và
nhiệt mà hệ nhận được trong quá trình đó”.

U = Q + A

(1.9)

Trong đó: Q và A lần lượt là nhiệt lượng và công hệ nhận được và U = U2 – U1 là biến
thiên nội năng của hệ.
Ta quy ước rằng:
 Nếu A > 0 hệ nhận công, A < 0 hệ sinh công;
 Nếu Q > 0 hệ nhận nhiệt, Q < 0 hệ tỏa nhiệt;
 Nếu U > 0 nội năng của hệ tăng, U < 0 nội năng của hệ giảm.
Như vậy, nếu gọi A là công do hệ nhận được thì A’ = - A là công do hệ thực hiện. Khi đó
phương trình (1.9) có thể được viết:
Q = U + A’

(1.10)

Khi đó, định luật I nhiệt động học có thể được phát biểu: “Nhiệt lượng hệ nhận được
trong một quá trình biến đổi có giá trị bằng độ biến thiên nội năng của hệ và công do hệ sinh
ra trong quá trình đó”
Đối với quá trình biến đổi vô cùng nhỏ, phương trình (1.9) có thể viết dưới dạng:
dU = Q + A

(1.11)

trong đó dU là độ biến thiên nội năng của hệ; Q và A là nhiệt và công mà hệ nhận được trong
quá trình biến đổi đó.
1.3.1.2.

Hệ quả

Từ định luật I nhiệt động học, ta có thể suy ra một số hệ quả sau:
 Khi hệ thực hiện một chu trình kín, nếu không cung cấp nhiệt lượng cho hệ thì hệ không
có khả năng sinh công. Ta biết rằng, 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→ ΔU = 0). Như
vậy, U = Q + A = 0  Q = - A = A’, Q = 0  A’ = 0
 Khi cung cấp cho hệ một nhiệt lượng, nếu hệ không thực hiện công thì toàn bộ nhiệt
lượng mà hệ nhận được sẽ làm tăng nội năng của hệ. Thật vậy, theo (1.10) ta có Q = U + A’,
khi hệ không thực hiện công tức A’ = 0 và hệ nhận nhiệt nên Q > 0, khi đó Q = U = U2 – U1
> 0  U2 > U1.
14

 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. Thật vậy, theo (1.9) ta có U = Q + A, khi không cung cấp nhiệt
lượng cho hệ tức Q = 0 và hệ sinh công nên A < 0 khi đó U = A < 0  U2 – U1 < 0, như vậy
nội năng của hệ giảm.
 Trong một hệ cô lập, hệ không trao đổi công lẫn nhiệt với môi trường bên ngoài thì nội
năng của hệ được bảo toàn. Thật vậy, theo (1.9) U = Q + A, khi hệ không trao đổi công và
nhiệt (Q = A = 0), khi đó U = 0 hay U2 – U1 = 0 hay U2 = U1 hay nội năng của hệ được bảo
toàn.

1.3.2. Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học. Định luật Hess
1.3.2.1.

Hàm enthalpy và hiệu ứng nhiệt phản ứng hóa học

Để mô tả đơn giản hơn các quá trình đẳng áp, người ta đưa vào hàm số trạng thái enthalpy
H được định nghĩa như sau:
𝐻 = 𝑈 + 𝑝. 𝑉 (1.12)
với U là nội năng của hệ, V là thể tích của hệ, p là áp suất của hệ tại nhiệt độ xảy ra sự cân bằng.
Ta có:
𝑑𝐻 = 𝑑𝑈 + 𝑝𝑑𝑉 + 𝑉𝑑𝑝
Theo biểu thức của định luật I nhiệt động học, ta có:
𝑑𝐻 = 𝛿𝑄 + 𝑉𝑑𝑝
Trong trường hợp đẳng áp thì:
𝑑𝐻 = 𝑑𝑈 + 𝑝𝑑𝑉 = 𝛿𝑄 (1.13)
Biểu thức (1.13) cho thấy sự biến thiên enthalpy hệ nhận được là tổng sự biến thiên nội
năng và công. Do vậy có thể biểu diễn nhiệt lượng trao đổi trong quá trình đẳng áp qua sự biến
thiên enthalpy:
∆𝐻 = ∆𝑄𝑝

(1.14)

còn trong quá trình đẳng tích, dV = 0, nên nhiệt lượng trao đổi được biễu diễn qua sự biến thiên
nội năng:
∆𝑈 = ∆𝑄𝑣

(1.15)

Để hiểu đầy đủ các phản ứng hóa học, cần phải biết nhiệt lượng giải phóng hay hấp thụ
trong phản ứng trong quá trình đẳng nhiệt. Thông thường, người ta biểu diễn khối lượng các
chất tham gia trong phản ứng ra đơn vị mol, vì vậy nhiệt lượng giải phóng hay hấp thụ của một
mol vật chất trong phản ứng gọi là nhiệt phản ứng.
15

Như vậy, trong trường hợp phản ứng đẳng nhiệt đẳng áp, hiệu ứng nhiệt của phản ứng được
xác định bằng sự biến thiên enthalpy của hệ, theo biểu thức (1.15); trong trường hợp phản ứng
đẳng nhiệt đẳng tích, hiệu ứng nhiệt của phản ứng được xác định bằng sự biến thiên nội năng
của hệ, theo biểu thức (1.14).
Trong điều kiện cho trước, có thể xác định được sự biến thiên nội năng hay enthalpy nếu
biết được nhiệt dung riêng đẳng tích (cv) hoặc nhiệt dung riêng đẳng áp (cp) cũng như nhiệt biến
đổi và nhiệt phản ứng nếu trong quá trình diễn ra sự biến đổi pha hay phản ứng hóa học.
Biểu thức (1.14) cho thấy rằng, năng lượng tỏa ra hay cần cung cấp cho các phản ứng hóa
học trong điều kiện đẳng áp chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối; đó là nội dung
của định luật Hess.
1.3.2.2.

Định luật Hess

Đây là một trong những hệ quả quan trọng nhất của định luật I nhiệt động học, được G. I.
Hess tìm ra năm 1936, được gọi là Định luật Hess được phát biểu như sau:
“Hiệu ứng nhiệt của các phản ứng hóa học chỉ phụ thuộc vào dạng và trạng thái của
chất đầu và chất cuối mà không phụ thuộc vào cách chuyển biến”.
Nếu gọi A1, A2, A3 là chất đầu và B1, B2, B3 là chất cuối mà quá trình chuyển hóa giữa
chúng được biểu diễn bằng sơ đồ sau:
B

Q2

C
Q3

Q1
Q

B1, B2, B3

A1, A2, A3
Q4

Q6
E

Q5

F

Hình 1.1. Sơ đồ minh họa chuyển hóa các chất

Theo định luật Hess ta có: Q = Q1 + Q2 + Q3 = Q4 + Q5 + Q6
Ví dụ: Trên thực tế hiệu ứng nhiệt của quá trình đốt than thành CO không thể đo trực tiếp
được, vì khi than cháy không chỉ có CO mà còn có CO2
CO
+ O2
C

Q1 = 97Kcal/mol
Hình 1.2. Sơ đồ minh họa đốt cháy cacbon

Vì Q1 = Q2 + Q3 nên ta có thể tính được Q2 = Q1 – Q3
16

CO2

Q2 = 97Kcal/mol – 68Kcal/mol = 29Kcal/mol
Đối với hệ sinh vật, định luật Hess cho phép xác định hiệu ứng nhiệt của nhiều phản ứng
hóa sinh, nhất là các phản ứng phức tạp mà đến nay vẫn chưa biết các giai đoạn trung gian.
Dựa trên định luật Hess có thể tính nhiệt lượng của thức ăn. Tuy thức ăn đưa vào cơ thể
trải qua những biến đổi phức tạp trước khi biến đổi thành sản phẩm cuối cùng của trao đổi chất,
song tổng nhiệt lượng của tất cả các phản ứng xảy ra trong cơ thể phải bằng nhiệt lượng khi đốt
trực tiếp các chất đó thành sản phẩm cuối cùng.

1.3.3. Phân biệt máy nhiệt và cơ thể sống
Ta biết rằng, hệ số hữu ích của một máy nhiệt được xác định theo biểu thức:
𝜂=

𝑇1 − 𝑇2
𝑇1

(1.16)

Trong đó: T1 là nhiệt độ tuyệt đối của nguồn nhiệt và T2 là nhiệt độ tuyệt đối của nguồn
lạnh và 𝜂 là hệ số hữu ích.
Giả sử rằng cơ hoạt động như một máy nhiệt có hệ số hữu ích là 33% với nhiệt độ T2 là
250C (298K), thay vào biểu thức trên ta tính được T1 là 1740C (447K). Điều này hoàn toàn
không thể xảy ra bởi lẽ cơ được cấu tạo từ protein sẽ bị biến tính ngay ở nhiệt độ 40 – 600C.
Như vậy, việc áp dụng định luật I nhiệt động học vào hệ thống sống trước hết phải tìm hiểu
về các dạng công và nhiệt tương ứng trong cơ thể sống để làm cơ sở đánh giá tính đúng đắn của
định luật I nhiệt động học khi áp dụng vào hệ thống sống.

1.3.3.1.

Các dạng công trong cơ thể sống

Ta biết rằng, trong cơ thể sống tồn tại bốn dạng công cơ bản đó là: công hóa học, công cơ
học, công thẩm thấu và công điện.
 Công hóa học là công sinh ra khi tổng hợp các hợp chất cao phân tử từ các chất có trọng
lượng phân tử thấp và khi thực hiện các phản ứng hóa học xác định.
 Công cơ học là công sinh ra khi dịch chuyển các bộ phận cơ thể, các cơ quan hay toàn
bộ cơ thể nhờ lực cơ học của cơ.
 Công thẩm thấu là công vận chuyển các chất khác nhau qua màng hay qua các hệ đa
màng ngược chiều phát triển của gradient nồng độ.
 Công điện là công vận chuyển các hạt mang điện trong điện trường, tạo nên các hiệu
điện thế và các dòng điện.
Để thực hiện các dạng công trên, cơ thể sống sử dụng năng lượng từ việc oxy hóa thức ăn
hoặc năng lượng mặt trời dự trữ trong quá trình quang hợp (thực vật).
17

Tuy vậy, các năng lượng trên không được sử dụng trực tiếp mà đều được chuyển hóa qua
trung gian là liên kết cao năng của phân tử ATP (adenosine triphosphate)

Nhiệt sơ cấp và nhiệt thứ cấp

1.3.3.2.

Hiện nay, người ta quy ước chia nhiệt lượng sinh ra bởi cơ thể thành hai loại: nhiệt sơ cấp
và nhiệt thứ cấp.
Nhiệt sơ cấp xuất hiện do kết quả phân tán năng lượng nhiệt tất nhiên trong quá trình trao
đổi chất vì những phản ứng hóa sinh xảy ra không thuận nghịch, tức là không phải tất cả các
năng lượng được giải phóng trong quá trình đều được sử dụng để sinh công hữu ích mà một
phần của nó luôn tán xạ bất thuận nghịch dưới dạng nhiệt.
Nhiệt thứ cấp xuất hiện khi năng lượng hữu ích đã tích lũy trong cơ thể được sử dụng để
sinh công, khi ấy năng lượng này chuyển hóa thành nhiệt.
Như vậy, trên đây có thể thấy rằng: cơ thể làm việc không phải như một máy nhiệt.

1.3.4. Áp dụng định luật I nhiệt động học vào hệ thống sống
Để chứng minh tính đúng đắn của định luật I nhiệt động học đối với cơ thể sống ta cần
chứng minh được rằng năng lượng được cung cấp cho cơ thể (thức ăn) được sử dụng hoàn toàn
để sinh công và cơ thể không nhận thêm bất kỳ năng lượng nào. Như đã phân tích ở trên, để
chứng minh chỉ cần đo nhiệt lượng thải ra trong buồng cô lập, bởi lẽ tất cả các dạng công cuối
cùng để chuyển thành nhiệt trong hoặc ngoài cơ thể khi thực hiện công vật lý.
Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp được La Voizier và Laplace tiến hành vào khoảng
những năm 1780. Hai ông tiến hành nuôi chuột trong nhiệt lượng kế ở 0oC, dùng một lượng
thức ăn xác định để nuôi chuột. Nếu coi rằng tại 0oC chuột đứng yên, chỉ sử dụng nhiệt lượng
giải phóng ra để cung cấp nhiệt cho cơ thể và làm ấm môi trường, theo đó tính được nhiệt lượng
Q1. Đồng thời, tiến hành đốt cháy một lượng thức ăn tương đương trong bom nhiệt lượng kế
đến CO2 và H2O giải phóng ra nhiệt lượng Q2. So sánh hai kết quả nhận thấy rằng Q1 tương
đương Q2.
Vào 1904, Atwater và Rosa tiến hành thực nghiệm tương tự trên người và thời gian một
ngày đêm (24h). Kết quả thể hiện ở bảng sau:
Bảng 1-1. Hiệu ứng nhiệt các phản ứng diễn ra trong cơ thể người trong 24h

Nhiệt đưa vào (Kcal)

Nhiệt thải ra (Kcal)

Thức ăn

Nhiệt thải qua da

1374

56,8g protid

237 Khi thở ra

43

79,9g glucid

335 Phân và nước tiểu

23

18

1307 Bay hơi qua đường hô hấp

140,0g lipid

Bay hơi qua da

181
227

Hiệu đính
Tổng cộng

31

1879 Tổng cộng

1879

Thực nghiệm trên khẳng định năng lượng chứa trong thức ăn sau khi cơ thể tiêu thụ đã
chuyển thành năng lượng giải phóng thông qua quá trình phân giải bởi các phản ứng hóa sinh
diễn ra trong cơ thể sống.
Nếu gọi Q là nhiệt lượng sinh ra trong quá trình đồng hóa thức ăn, E là phần mất mát
năng lượng vào môi trường xung quanh, A là công do cơ thể thực hiện chống lại lực của môi
trường ngoài, dU là năng lượng dự trữ dưới dạng hóa năng thì định luật I nhiệt động học áp
dụng cho hệ sinh vật được viết dưới dạng:
𝛿𝑄 = 𝛿𝐸 + 𝛿𝐴 + 𝑑𝑈

(1.17)

Đây là phương trình cân bằng nhiệt cơ bản đối với cơ thể người, là biểu thức của định luật
I nhiệt động học khi áp dụng vào hệ thống sống.

1.3.5. Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp
1.3.5.1. Thông qua đương lượng nhiệt của oxy
Đây là phương pháp được La Voisier và Laplace sử dụng để chứng minh tính đúng đắn của
định luật I khi áp dụng vào hệ sinh vật. Cơ sở của phương pháp này là dựa vào sự liên quan
chặt chẽ của nhiệt lượng chứa trong thức ăn với lượng khí oxy tiêu thụ hoặc lượng khí carbonic
thải của cơ thể động vật máu nóng.
Một ví dụ điển hình về quá trình oxi hóa glucose được tóm tắt bằng phương trình sau:
C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + 678 KCal
(180gam) (134,4l) (134,4l)
Từ phản ứng trên, ta thấy rằng để oxy hóa hoàn toàn một phân tử gam glucose cần tiêu thụ
6 phân tử gam oxy (tương đương 134,4l) đồng thời giải phóng ra 6 phân tử gam carbonic (tương
đương 134,4l) và 678Kcal nhiệt lượng.
Như vậy, cứ một lít O2 oxy hóa hoàn toàn một phân tử gam glucose sẽ đồng thời giải phóng
ra một lít CO2 và 678Kcal/134,4l = 5,045Kcal/l gọi là đương lượng nhiệt của O2.
Công thức chung để tính nhiệt lượng giải phóng ra khi oxy hóa protein, glucid, lipid như
sau:
Q (Kcal) = Số lít O2 (hoặc số lít CO2) x Đương lượng nhiệt của O2 (1.18)
19

Mối quan hệ giữa thức ăn, số lít O2 tiêu thụ và số lít CO2 thải ra cùng đương lượng nhiệt
của oxy thể hiện qua bảng sau:
Bảng 1-2. Mối quan hệ giữa thức ăn, số lít O2 tiêu thụ và số lít CO2 thải ra và đương lượng
nhiệt của oxy

Số lít O2 cần để oxy hóa

Số lít CO2 thải ra sau khi

Đương lượng nhiệt

1 gam thức ăn

oxy hóa 1 gam thức ăn

của oxy

Glucid

0,83

0,83

5,045

Protein

0,97

0,77

4,46

Lipid

2,03

1,42

4,74

Thức ăn

Như vậy, dựa vào bảng 1-2, ta tính được nhiệt lượng giải phóng khi oxy hóa hoàn toàn
glucid, protein và lipid theo công thức 1.18.
Đối với hỗn hợp cả glucid, protein và lipid khi bị oxy hóa, nhiệt lượng giải phóng được
tính theo công thức:
Q (Kcal) = Số lít O2 x 4,825

(1.19)

1.3.5.2. Thông qua thương số hô hấp
Một đại lượng khác cũng được dùng để xác định nhiệt lượng giải phóng ra khi oxy hóa
thức ăn đó là: Thương số hô hấp, tỷ lệ CO2/O2.
Thương số hô hấp cũng thay đổi tùy thuộc vào loại thức ăn được oxy hóa. Đối với phản
ứng oxy hóa glucose:
𝑇ℎươ𝑛𝑔 𝑠ố ℎô ℎấ𝑝 =

𝑆ố 𝑙í𝑡 𝑘ℎí 𝐶𝑂2 6 𝑥 22,4𝑙
=
=1
𝑆ố 𝑙í𝑡 𝑘ℎí 𝑂2
6 𝑥 22,4𝑙

Thương số hô hấp của glucose được sử dụng cho cả glucid. Với cách xác định tương tự,
người ta tính được giá trị này đối với lipid là 0,7; protein là 0,8; thức ăn hỗn hợp là 0,85 đến
0,9.
Thương số hô hấp có liên quan với đương lượng nhiệt của oxy, thể hiện qua bảng 1-3
Bảng 1-3. Thương số hô hấp và đương lượng nhiệt của oxy

TS hô hấp
ĐLN của oxy

0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

1

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 vị
là lít), tính được thương số hô hấp. Dựa vào bảng trên, lấy giá trị đương lượng nhiệt của oxy

20