Chuyên đề Ứng dụng định luật 1 nhiệt động học

ỨNG DỤNG ĐỊNH LUẬT 1 NHIỆT ĐỘNG HỌCCHUYÊN ĐỀ 1:Date1NHÓM 1_ĐHSSINH08AĐịnh luật này được hình thành qua các công trình nghiên cứu của Lomonoxop (1974); G.I.Hexe (1836); Majo (1842); Hembon (1849); Jun (1877) và nhiều nhà khoa học khác.Định luật thứ nhất nhiệt động học có nhiều cách phát biểu, một trong những cách phát biểu đó là định luật bảo toàn năng lượng.Date2NHÓM 1_ĐHSSINH08ANăng lượng không tự nhiên sinh ra cũng không tự nhiên mất đi mà nó chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác.Trong một hệ nhiệt động cô lập, biểu thức toán học của định luật có dạng như sau : ∆U = ∆Q - ∆A ∆U :Sự biến thiên nội năng của hệ ∆Q :Nhiệt lượng do hệ nhận được ∆A : Công của hệ sản ra.Nội dung định luật :Date3NHÓM 1_ĐHSSINH08AĐịnh luật 1 của nhiệt động học cũng là một nguyên lý tổng quát cho tất cả các lý thuyết vật lý (cơ học, điện từ học, vật lý hạt nhân, ...). Chưa từng thấy ngoại lệ của định luật này, tuy rằng đôi khi người ta cũng nghi ngờ nó, nhất là trong các phân rã phóng xạ. Tiên đề Noether cho rằng sự bảo toàn năng lượng có liên quan chặt chẽ tới độ đồng dạng về cấu trúc của không-thời gian. Date4NHÓM 1_ĐHSSINH08AMỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐỊNH LUẬT 1 NHIỆT ĐỘNG HỌCDate5NHÓM 1_ĐHSSINH08AĐộng cơ nhiệt là những động cơ trong đó một phần năng lượng của nhiên liệu bị đốt cháy chuyển hóa thành cơ năng. Các động cơ nhiệt đầu tiên là máy hơi nước, chúng có đặc điểm chung là nhiên liệu (củi, than, dầu ...) được đốt cháy ở bên ngoài xi lanh của động cơ. Hằng trăm năm sau khi máy hơi nước ra đời mới xuất hiện động cơ đốt trong, là động cơ nhiệt mà nhiên liệu được đốt cháy ngay ở bên trong xi lanh.ĐỘNG CƠ NHIỆTDate6NHÓM 1_ĐHSSINH08AĐộng cơ nhiệt được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay, bao gồm từ những động cơ chạy bằng xăng hoặc dầu ma dút của xe máy, ô tô, máy bay, tàu hỏa, tàu thủy ... đến các động cơ chạy bằng các nhiên liệu  đặc biệt của tên lửa, con tàu vũ trụ, động cơ chạy bằng năng lượng nguyên tử của tàu ngầm, tàu phá băng Date7NHÓM 1_ĐHSSINH08AĐỘNG CƠ HƠI NƯỚCĐộng cơ hơi nước hay máy hơi nước là một loại động cơ nhiệt đốt ngoài sử dụng nhiệt năng của hơi nước, chuyển năng lượng này thành công năng Cỗ máy hơi nước đầu tiên của nhân loại do Thomas Newcomen phát minh đã giúp nước Anh đáp ứng nhu cầu năng lượng trong nửa đầu thế kỷ 18, tạo điều kiện cho sự bùng nổ của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất. Date8NHÓM 1_ĐHSSINH08AMÔ HÌNH CỦA MÁY HƠI NƯỚCDate9NHÓM 1_ĐHSSINH08AMÁY HƠI NƯỚC ĐẦU TIÊNDate10NHÓM 1_ĐHSSINH08AMột động cơ hơi nước cần một nồi hơi súp de để đun nước sôi tạo hơi. Việc giãn nở của hơi tạo một lực đẩy lên piston hay các cánh tuốc bin và chuyển động thẳng được chuyển thành chuyển động quay để quay bánh xe hay truyền động cho các bộ phận cơ khí khác. Một trong những lợi thế của động cơ hơi nước là nó có thể sử dụng bất cứ nguồn nhiệt nào để đun nồi hơi nhưng các loại nguồn nhiệt thông dụng nhất là đun củi, than đá hay dầu hay sử dụng hơi nhiệt năng thu được từ lò phản ứng hạt nhânDate11NHÓM 1_ĐHSSINH08AĐộng cơ ở xe máyDate12NHÓM 1_ĐHSSINH08AĐỘNG CƠ TÀU NGẦMDate13NHÓM 1_ĐHSSINH08AĐỘNG CƠ ÔTÔDate14NHÓM 1_ĐHSSINH08AÔTÔ VÀ TÀU NGÂM CHẠY BẰNG NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỪDate15NHÓM 1_ĐHSSINH08AĐộng cơ điện là máy điện dùng để chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng cơ. Máy điện dùng để chuyển đổi ngược lại (từ cơ sang điện) được gọi là máy phát điện hay dynamo. Các động cơ điện thường gặp dùng trong gia đình như quạt điện, tủ lạnh, máy giặt, máy bơm nước, máy hút bụi...ĐỘNG CƠ ĐIỆNDate16NHÓM 1_ĐHSSINH08AMÁY PHÁT ĐIỆN (DYNAMO)Dynamo là máy phát điện đầu tiên có khả năng cung cấp điện năng cho công nghiệp. Dynamo được sử dụng để biến đổi năng lượng quay cơ học thành dòng điện xoay chiều. Cấu tạo của dynamo bao gồm một kết cấu tĩnh mà nó tạo ra từ trường mạnh và một cuộn dây quay. Ở các máy phát dynamo nhỏ, từ trường được tạo ra bằng các nam châm vĩnh cữu, đối với các máy lớn, từ trường được tạo ra bằng các nam châm điện.Date17NHÓM 1_ĐHSSINH08AMáy phát điện (dynamo)Date18NHÓM 1_ĐHSSINH08AMáy phát điện xoay chiều vào đầu thập kỉ 20, chế tạo tại Budapest Hungary, trong buồng phát của một trạm thủy điện Date19NHÓM 1_ĐHSSINH08AĐỘNG CƠ MÁY QUẠTDate20NHÓM 1_ĐHSSINH08AĐỘNG CƠ MÁY GIẶTDate21NHÓM 1_ĐHSSINH08AỨng dụng vào hệ thống sốngCơ thể sống (tế bào, mô, cơ quan) không thể làm việc như một máy nhiệt. Công không thể thực hiện do nguồn nhiệt từ bên ngoài đưa vào mà phải do sự thay đổi nội năng hoặc entropy của hệ.Date22NHÓM 1_ĐHSSINH08ANăng lượng trong quá trình co cơHầu hết công do cơ thể tạo ra là kết quả của sự co cơ. Khi co cơ chiều dài bị rút ngắn và tạo nên một lực. Là lực phát sinh do cơ co.Cơ sử dụng năng lượng không phải chỉ dùng để tạo ra công cơ học. Một phần lớn năng lượng đó được dùng để duy trì sự căng của cơ và một phần tạo ra nhiệt năng.Sự khác biệt của máy cơ học và bắp cơ của sinh vật là ở chổ trong bắp cơ một phần hóa năng được chuyển thẳng sang cơ năng và phần còn lại chuyển sang nhiệt năng; trong lúc đó ở các máy cơ học trước hết là các năng lượng phải được cuyển thành nhiệt năng rồi từ đó chuyển sang cơ năng. Date23NHÓM 1_ĐHSSINH08ANăng lượng dùng khi co cơ lấy trực tiếp từ ATP. Lượng ATP có sẵn trong cơ không nhiều, qua tính toán cho thấy lượng ATP trong cơ thể đủ cho bắp cơ hoạt động trong 1 giây. Vì vậy để cơ hoạt động được liên tục phải có quá trình tổng hợp ATP tại cơ. Việc tổng hợp này được thực hiên nhanh chống nhờ trong cơ có hợp chất giàu năng lượng khác là photphocreatin. Photphocreatin + ADP → ATP + creatin. Date24NHÓM 1_ĐHSSINH08AQuá trình tổng hợp này chỉ đủ cho cơ hoạt động trong mấy giây. Khi các nguồn dự trữ này cạn, ATP được tổng hợp theo cơ chế khác nhờ sự phân hủy glycogen. Glycogen là một dạng tích trữ của glycozo có nhiều trong cơ. Năng lượng được giải phóng khi phân hủy glycogen được dùng để tổng hợp ATP.Glycoza + H3PO4 + 2ADP → 2lactat + 2ATP + 2H2OĐây là quá trình cung cấp năng lượng yếm khí cho cơ.Date25NHÓM 1_ĐHSSINH08AFOTFOCREATINGLUCOGENATPNăng lượngCo cơNăng lượngCôngDuy trì sức căng cơNhiệt năngDate26NHÓM 1_ĐHSSINH08AMáyHóa năngNhiệt năngCơ năngNgườiNhiệtHóa năngCơ năngDate27NHÓM 1_ĐHSSINH08ANăng lượng ở tim mạch Tim hoạt động thường xuyên như một cái bơm liên tục để tạo được áp suất đẩy máu vào mạch. Do các van ở tim và ở mạch mà máu trong hệ tuần hoàn chuyển động theo một chiều xác định.Công suất cơ học của tim vào khoảng 1,3 – 1,4V. công suất tổng hợp của cơ tim vào khoảng 13V hay bằng 13% chuyển hóa toàn bộ cơ thể.Công cơ học của tim tạo ra áp suất đẩy máu, phần còn lại tạo ra độ căng của cơ tức là trương lực cơ.Date28NHÓM 1_ĐHSSINH08AHoạt động của cơ tim đòi hỏi năng lượng. Năng lượng được lấy từ ATP. Đặc điểm của cơ tim khác với cơ khác là cơ tim sử dụng năng lượng từ oxi hóa photpholipit chứ không phải phân ly đường đơn glycoza. Ta biết rằng õi hóa 1 phân tử lipit cung cấp nhiều năng lượng hơn là õi hóa 1 phân tử glucoza. Trong trường hợp ATP trong tim bị suy giảm nhiều quá trình phân ly glucozatăng lên, do vậy xuất hiện nhiều sản phẩm có hại như axit lactic.Date29NHÓM 1_ĐHSSINH08AOxi hóa Photpholipit ATPNĂNG LƯỢNGCông cơ học (Tim)Áp suất đẩy máuTrương lực cơDate30NHÓM 1_ĐHSSINH08AÁp suất tăngTrương lực cơSuy timATP giảmPhân ly Glucoza tăngThải ra AlacticHoạt động của tim giảmDate31NHÓM 1_ĐHSSINH08AMáu chảy Động năngThế năng giản mạchThế năng dự trử tăngTim không co bópÁp suất dòng chảy giảmMạch coTim co bóp có nhịp máu chảy liên tục và điều hòanl(Lúc tim co bóp)Date32NHÓM 1_ĐHSSINH08AÁp dụng cho chuyên hóa hóa học :1. Hiệu ứng nhiệt cho phản ứng hóa học:Khái niệm: hiệu ứng nhiệt cho phản ứng hóa học là lượng nhiệt sinh ra trong phản ứng: dQ = Q.Xét phản ứng xảy ra trong điều kiện đẳng tích thì A =0 nên dQv = -Q = -dU.Vây. Hiệu ứng nhiệt trong quá trình đẳng tích bằng độ giảm nội năng của hệ.Xét phản ứng xảy ra trong điều kiện đẳng áp:dQp = -Q = -dU – PdV = -d(PV + U) = -dHđại lượng H = U + PV gọi là entanpi của hệ.Vậy hiệu ứng nhiệt trong điều kiện đẳng áp bằng độ giảm entanpi của hệ.Date33NHÓM 1_ĐHSSINH08A2. Định luật Hertz:Khi áp dụng định luật I cho chuyển hóa hóa học, Hertz đưa ra định luật:Hiệu ứng nhiệt của các chuyển hóa hóa học xảy ra qua các quá trình trung gian chỉ phụ thuộc vào dạng và trạng thái của các chất ban đầu và chất cuối mà không phụ thuộc vào các quá trình trung gian.Định luật Hertz cho phép xác định hiệu ứng nhiệt của các phản ứng mà vì lý do nào đó không thể xảy ra trong điều kiện thí nghiệm hoặc không thể đo trực tiếp được hiệu ứng nhiệt của nó.Định luật cũng giúp khẳng định một phản ứng có thể xảy ra qua các phản ứng trung gian hay không.Date34NHÓM 1_ĐHSSINH08AVí dụ:Ta không thể xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháy cacbon ở thể rắn thành axitcacbon ở thể khí vì trong quá trình đốt cháy luôn có kèm theo một lượng khí CO2 thoát ra.Tuy nhiên có thể xác định được hiệu ứng nhiệt của 2 phản ứng:Crắn + 2CO2 + 97 kcal/mol.COrắn + 2CO2 + 68 kcal/mol.Date35NHÓM 1_ĐHSSINH08ATừ 2 phản ứng có:Crắn + 2COkhí + 29 kcal/mol.Khi đót cháy trực tiếp 1 mol glucoza thành CO2 và H2O thì tỏa ra 688 kcal.Trong tế bào cũng có quá trình oxi hóa glucoza và sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O nên theo định luật cũng tỏa ra nhiệt lượng 688 kcal.Nhưng tế bào không thể cháy vụn ra bởi lẽ nhiệt lượng đó tỏa ra dần dần qua gần 20 phản ứng enzym trung gian để tạo ra CO2 và H2O.Date36NHÓM 1_ĐHSSINH08AHẾTDate37NHÓM 1_ĐHSSINH08A