Nhiệt động học trong sinh học

 )S = Sfinal  Sinitial Sfinal= Entropy giaiđoạn cuối,Sinitial = Entropy giai đoạn đầu10EntropyCác quá trình xảy ra ở nhiệt độ không đổi ( Quá trình đẳng nhiệt ), ta có :	(For a process occurring at constant temperature (an isothermal process) qrev = Lượng nhiệt trao đổi khi quá trình xảy ra ở nhiệt độ không đổi (The heat that is transferred when the process is carried out reversibly at a constant temperature.)T = Nhiệt độ Kelvin (temperature in Kelvin)11Định luật 2 nhiệt động học Second Law of Thermodynamics	The second law of thermodynamics: Entropy của vũ trụ không thay đổi đối với quá trình thuận nghịch và tăng lên đối với quá trình bất thuận nghịch	The entropy of the universe does not change for reversible processes and increases for spontaneous processes.Quá trình thuận nghịch (Reversible (ideal))Quá trình bất thuận nghịch Irreversible (real, spontaneous):12Second Law of ThermodynamicsQuá trình thuận nghịch [Reversible (ideal):]Quá trình bất thuận nghịch Irreversible (real, spontaneous):“You can’t break even”13Second Law of ThermodynamicsEntropy của vũ trụ tăng, nhưng entropy có thể giảm ở những hệ thống riêng lẽ ( The entropy of the universe increases (real, spontaneous processes).But, entropy can decrease for individual systems.Reversible (ideal):Irreversible (real, spontaneous):14Entropy ở mức phân tử (Entropy on the Molecular Scale)Ludwig Boltzmann đã mô tả khái niêm entropy ở mức phân tử (Ludwig Boltzmann described the concept of entropy on the molecular level).Nhiệt độ là sự đo lường năng lượng chuyển động trung bình của các phân tử (Temperature is a measure of the average kinetic energy of the molecules in a sample).15Entropy ở mức phân tử (Entropy on the Molecular Scale)Các phân tử đều có dạng chuyển động riêng (Molecules exhibit several types of motion)Sự dịch chuyển: Chuyển động của các phân tử từ vị trí này sang vị trí khác (Translational: Movement of the entire molecule from one place to another)Chuyển động con lắc: Chuyển động tuần hoàn của các nguyên tử quanh phân tử (Vibrational: Periodic motion of atoms within a molecule)Chuyển động quay tròn : Sự quay tròn của phân tử quanh trục hoặc quay theo các liên kết (Rotational: Rotation of the molecule on about an axis or rotation about  bonds.)16Entropy ở mức phân tử (Entropy on the Molecular Scale)Boltzmann hình dung sự chuyển động của mẫu phân tử ở thời điểm cụ thế nào đó (Boltzmann envisioned the motions of a sample of molecules at a particular instant in time)Ông ta cho rằng trường hợp này tương tự như một trạng thái của hệ thống nhiệt động học ( He referred to this sampling as a microstate of the thermodynamic system.)17Entropy ở mức phân tử (Entropy on the Molecular Scale) Mỗi một trạng thái nhiệt động học đều có giá trị số riêng của trạng thái, W, tương ứng với nó (Each thermodynamic state has a specific number of microstates, W, associated with it).Entropy là (Entropy is)S = k lnW	Ở đây K là hằng số Boltzmann (where k is the Boltzmann constant, 1.38  1023 J/K)18Entropy ở mức phân tử (Entropy on the Molecular Scale)Tóm lại (Implications)• Nhiều phần tử (more particles) 	-> Nhiều trạng thái (more states)-> S lớn (more entropy )• Nhiệt độ cao higher T	-> Trạng thái Q cao (more energy states) -> S lớn (more entropy)• Không có cấu trúc (less structure) (gas vs solid) 	-> Nhiều trạng thái (more states)-> S lớn (more entropy )19Entropy ở mức phân tử (Entropy on the Molecular Scale)Giá trị của trạng thái, do đó, entropy tăng theo sự tăng của : + Nhiệt độ 	+Thể tích	+ Số lượng các phân tử chuyển đông độc lập (The number of microstates and, therefore, the entropy tends to increase with increases inTemperature.Volume (gases).The number of independently moving molecules.20Entropy và trạng thái vật lýEntropy and Physical StatesEntropy tăng theo sự chuyển động tự do của các phân tử (Entropy increases with the freedom of motion of molecules.)Therefore,	S(g) > S(l) > S(s)21Dung dịch (Solutions) Sự hòa tan của chất rắn Dissolution of a solid: Ion có S cao (Ions have more entropy (more states)Nhưng, một vài phân tử nước có S thấp ( Chúng bao quanh ion )But,Some water molecules have less entropy (they are grouped around ions).Thông thường, có sự gia tăng chung entropy (Usually, there is an overall increase in S.)Ngoại lệ do các ion tạo ra nhiều phân tử nước bao quanh(The exception is very highly charged ions that make a lot of water molecules align around them.)22Sự biến đổi entropyEntropy ChangesNhìn chung, entropy tăng khi : +Khí được tạo ra từ dạng lỏng và rắn + Dung dịch hoặc chât hòa tan được tạo ra từ chất rắn + Số lượng phân tử khí tăng + Số lượng phân tử tăngIn general, entropy increases whenGases are formed from liquids and solids.Liquids or solutions are formed from solids.The number of gas molecules increases.The number of moles increases.23Định luật 3 nhiệt động học Third Law of Thermodynamics Entropy của chất kết tinh hoàn toàn ở nhiệt độ không tuyệt đối là bằng không (The entropy of a pure crystalline substance at absolute zero is 0).24Định luật 3 nhiệt động học Third Law of ThermodynamicsEntropy của chất kết tinh hoàn toàn ở nhiệt độ không tuyệt đối là bằng không (The entropy of a pure crystalline substance at absolute zero is 0).Entropy:Smiles for stab wounds2004No stereotypes, labels, or genres can rationalize this. Fueled by the decay of the world, order and chaos unite, Entropy is born...Music to make your head explode tiêu chuẩnStandard EntropiesCó các giá trị entropy phân tử của các chất trong trạng thái tiêu chuẩn (These are molar entropy values of substances in their standard states).Entropy tiêu chuẩn tăng theo sự tăng khối lượng phân tử (Standard entropies tend to increase with increasing molar mass.)26Entropy tiêu chuẩnStandard EntropiesTổ hợp các phân tử lớn có entropy lớn nhất (Larger and more complex molecules have greater entropies).27Sự biến đổi EntropyEntropy Changes	Sự thay đổi S của một phản ứng có thể được tính theo nhiều cách. Có thể theo H: (Entropy changes for a reaction can be calculated the same way we used for H)	S° của một chất có thể tìm ở trong bảng S° for each component is found in a table.Note for pure elements:	28Môi trường và hệ thống (Surroundings & system)Sự biến đổi entropy in môi trường xung quanh (Entropy Changes in Surroundings)Nhiệt lượng di chuyển vào hoặc ra khỏi hệ thống cũng làm thay đổi S của môi trường bên ngoài 	(Heat that flows into or out of the system also changes the entropy of the surroundings).Đối với quá trình đẳng nhiệt (For an isothermal process)29Môi trường và hệ thống (Surroundings & system)Sự biến đổi entropy ở môi trường xung quanh (Entropy Changes in Surroundings)Nhiệt lượng di chuyển vào hoặc ra khỏi hệ thống cũng làm thay đổi S của môi trường bên ngoài 	Heat that flows into or out of the system also changes the entropy of the surroundings.For an isothermal process: Ở áp suât không đổi, qsys là dạng H đơn giản của hệ thống 	(At constant pressure, qsys is simply H for the system).30Mối liên quan giữa S và H : Các giai đoạn biến đổiLink S and H: Phase changesA phase change is isothermal (no change in T).EntropysystemFor water:Hfusion = 6 kJ/molHvap = 41 kJ/molIf we do this reversibly: Ssurr = –Ssys31Sự thay đổi S của vũ trụEntropy Change in the UniverseVũ trụ bao gồm hệ thống và MT xung quanh (The universe is composed of the system and the surroundings). Do đó (Therefore),Suniverse = Ssystem + SsurroundingsVới quá trình tự phát (For spontaneous processes) Suniverse > 0Môi trường và hệ thống (Surroundings & system)32Môi trường và hệ thống (Surroundings & system) = – Gibbs Free Energy33Môi trường và hệ thống (Surroundings & system) = – Gibbs Free EnergyCân bằng này tương tự (Make this equation nicer)34TDSuniverse được xem như năng lượng tự do Gibbs (TDSuniverse is defined as the Gibbs free energy, G)Đối với quá trình tự phát	(For spontaneous processes) Suniverse > 0 Và do đó (And therefore) G < 0Gibbs Free EnergyG is easier to determine than Suniverse.So:Use G to decide if a process is spontaneous.35Gibbs Free EnergyNếu DG số âm, phản ứng là tự phát (If DG is negative, the forward reaction is spontaneous).Nếu DG bằng 0 , hệ thống cân bằng If DG is 0, the system is at equilibrium. 3. Nếu DG là số dương, phản ứng là tự phát ở hướng ngược lại (If  G is positive, the reaction is spontaneous in the reverse direction).36Sự thay đổi Q tự do tiêu chuẩn Standard Free Energy ChangesQ tự do tiêu chuẩn cũng giống như enthalpy tiêu chuẩn (Standard free energies of formation, Gf are analogous to standard enthalpies of formation, Hf).G can be looked up in tables, orcalculated from S° and H.37Sự thay đổi Q tự do Free Energy ChangesTa có cân bằng (Very key equation)Cân bằng này cho thấy sự thay đổi G theo nhiệt độ (This equation shows how G changes with temperature)(We assume S° & H° are independent of T.)38Q tự do và nhiệt độ Free Energy and TemperatureCó 2 phần để tạo ra trạng thái cân bằng năng lượng tự do (There are two parts to the free energy equation) H— Giới hạn H (the enthalpy term) TS —Giới hạn S (the entropy term)Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của Q tụ do được hình thành từ giới hạn entropy 	(The temperature dependence of free energy comes from the entropy term)39Free Energy and TemperatureBy knowing the sign (+ or -) of S and H, we can get the sign of G and determine if a reaction is spontaneous.40Q tự do và cân bằngFree Energy and EquilibriumNhớ rõ hơn (Remember from above)Nếu DG bằng 0, hệ thống cân bằng (If DG is 0, the system is at equilibrium)	So DG must be related to the equilibrium constant, K (chapter 15). The standard free energy, DG°, is directly linked to Keq by: 41Q tự do và cân bằngFree Energy and EquilibriumỞ điều kiện bình thường, Chúng ta có thể sử dụng DG thay cho DG°.Under non-standard conditions, we need to use DG instead of DG°.Q is the reaction quotiant from chapter 15. Note: 	at equilibrium: DG = 0.	away from equil, sign of DG tells which way rxn goes spontaneously.42