Năng lượng sinh học

NHIỆT ĐỘNG HỌC
TRONG SINH HỌC
Định luật 1 nhiệt động học
(First Law of Thermodynamics)
Chúng ta biết rằng năng lượng không thể tự sinh ra và tự mất đi (energy cannot be created nor destroyed).
Vì vậy, tổng năng lượng của vũ trụ là hằng số ( Therefore, the total energy of the universe is a constant.)
Năng lượng có thể chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác hoặc chuyển từ hệ thống này sang hệ thống khác ( Energy can, however, be converted from one form to another or transferred from a system to the surroundings or vice versa.)
Các quá trình tự phát
(Spontaneous Processes)
Quá trình tự phát là quá trình có thể xảy ra không có sự tác động của yếu tố bên ngoài (Spontaneous processes are those that can proceed without any outside intervention.)
Khí trong bình B sẽ tự phát chuyển qua bình A, nhưng sẽ không xảy ra trường hợp ngược lại ( The gas in vessel B will spontaneously effuse into vessel A, but once the gas is in both vessels, it will not spontaneously)
Các quá trình tự phát
(Spontaneous Processes)
Quá trình tự phát xảy ra theo một hướng và không tự phát theo hướng ngược lại (Processes that are spontaneous in one direction are onspontaneous in the reverse direction.)
Các quá trình tự phát
(Spontaneous Processes)
Quá trình tự phát ở một nhiệt độ nào đó nhưng không tự phát ở nhiệt độ khác (Processes that are spontaneous at one temperature may be nonspontaneous at other temperatures.)
Ở 0C nước đá tự tan chảy (Above 0C it is spontaneous for ice to melt.)
Dưới 0C quá trình ngược lại là tự phát (Below 0C the reverse process is spontaneous.)
Các quá trình thuận nghịch
Reversible Processes
Trong một quá trình thuận nghịch hệ thống thay đổi theo cách hệ thống và môi trường xung quanh có thể trở lại trạng thái ban đầu bởi quá trình thuận nghịch
(In a reversible process the system changes in such a way that the system and surroundings can be put back in their original states by exactly reversing the process)
Sự thay đổi là rất nhỏ ở quá trình thuận nghịch
(Changes are infinitesimally small in a reversible process.)
Quá trình bất thuận nghịch
Irreversible Processes
Quá trình bất thuận nghịch không thể thực hiện quá trình ngược lại khi hệ thống thay đổi
(Irreversible processes cannot be undone by exactly reversing the change to the system)
Tất cả các quá trình tự phát đều là bất thuận nghịch
(All Spontaneous processes are irreversible)
Tất cả các quá trình xảy ra thực tế là bất thuận nghịch
(All Real processes are irreversible )
Entropy
Entropy ( S) là thuật ngữ được Rudolph Clausius đặt ra vào thế kỷ 19
(Entropy (S) is a term coined by Rudolph Clausius in the 19th century.)
Clausius đã xác định ý nghĩa của tỷ lệ nhiệt lượng và nhiệt độ ở quá trình trao đổi nhiệt
(Clausius was convinced of the significance of the ratio of heat delivered and the temperature at which it is delivered)
Entropy
Entropy có thể xem như sự đo lường tính chất hổn loạn của hệ thống
( Entropy can be thought of as a measure of the randomness of a system.)
Nó có liên quan đến các dạng chuyển động của các phân tử
(It is related to the various modes of motion in molecules.)
Entropy
Gọi tổng năng lượng là E, và enthalpy là H , entropy (S)là hàm trạng thái
(Like total energy, E, and enthalpy, H, entropy is a state function)
Cho nên (Therefore, )
S = Sfinal  Sinitial
Sfinal= Entropy giaiđoạn cuối,Sinitial = Entropy giai đoạn đầu


Entropy
Các 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)
Định 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):
Second Law of Thermodynamics
Quá trình thuận nghịch [Reversible (ideal):]
Quá trình bất thuận nghịch Irreversible (real, spontaneous):
“You can’t break even”
Second Law of Thermodynamics
Entropy 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):
Entropy 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).
Entropy 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.)
Entropy 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.)
Entropy 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)
Entropy 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 )

Entropy 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 in
Temperature.
Volume (gases).
The number of independently moving molecules.
Entropy và trạng thái vật lý
Entropy and Physical States
Entropy 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)
Dung 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.)
Sự biến đổi entropy
Entropy Changes
Nhìn 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 tăng
In general, entropy increases when
Gases are formed from liquids and solids.
Liquids or solutions are formed from solids.
The number of gas molecules increases.
The number of moles increases.
Định 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).


Định 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).
Entropy:
Smiles for stab wounds
2004


No 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
http://www.garageband.com/artist/entropy_1
Entropy tiêu chuẩn
Standard Entropies
Có 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.)
Entropy tiêu chuẩn
Standard Entropies
Tổ hợp các phân tử lớn có entropy lớn nhất (Larger and more complex molecules have greater entropies).
Sự biến đổi Entropy
Entropy 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:



Môi 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)
Môi 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).
Mối liên quan giữa S và H : Các giai đoạn biến đổi
Link S and H: Phase changes
A phase change is isothermal (no change in T).


Entropysystem
Sự thay đổi S của vũ trụ
Entropy Change in the Universe
Vũ trụ bao gồm hệ thống và MT xung quanh
(The universe is composed of the system and the surroundings).
Do đó (Therefore),
Suniverse = Ssystem + Ssurroundings
Với quá trình tự phát
(For spontaneous processes)
Suniverse > 0
Môi trường và hệ thống
(Surroundings & system)
Môi trường và hệ thống
(Surroundings & system)
Môi trường và hệ thống
(Surroundings & system)
Cân bằng này tương tự (Make this equation nicer)
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 < 0


…Gibbs Free Energy
G is easier to determine than Suniverse.
So:
Use G to decide if a process is spontaneous.
Gibbs Free Energy
Nếu 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).
Sự thay đổi Q tự do tiêu chuẩn
Standard Free Energy Changes
Q 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,
or
calculated from S° and H.
Sự thay đổi Q tự do
Free Energy Changes
Ta 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.)
Q tự do và nhiệt độ
Free Energy and Temperature
Có 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)
Free Energy and Temperature
By knowing the sign (+ or -) of S and H,
we can get the sign of G and determine if a reaction is spontaneous.
Q tự do và cân bằng
Free Energy and Equilibrium
Nhớ 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:





Q tự do và cân bằng
Free Energy and Equilibrium
Ở 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.