Termodynamika to dział fizyki zajmujący się badaniem energii cieplnej i zasad jej dystrybucji w objętości substancji lub określonego ośrodka. Dyscyplina ta opiera się na ogólnych uniwersalnych zasadach i korzysta z doświadczeń wielu innych nauk. Równowaga termodynamiczna jest podstawą tej dziedziny wiedzy naukowej.
Jedną z najważniejszych i być może najbardziej specyficznych właściwości żywych organizmów jest ich wyjątkowa zdolność do przekształcania energii i przechowywania jej w wielu różnych formach. Równowaga termodynamiczna to taki stan układu, w którym jego parametry i właściwości nie mogą się zmieniać w czasie bez wpływu jakichkolwiek czynników zewnętrznych.
To znaczy: teoretycznie izolowany system fizyczny, składający się z jednego lub więcej obiektów fizycznych, może pozostawać w stanie równowagi w nieskończoność. Jeśli równowaga termodynamiczna zostanie zakłócona, każdy system będzie miał tendencję do powrotu dodo własnego stanu stabilnego. To jedna z fundamentalnych zasad fizyki, na której zbyt wiele buduje się zarówno w naszym życiu, jak iw przyrodzie.
Najłatwiej wyobrazić sobie równowagę termodynamiczną na przykładzie tak naturalnego ludzkiego atrybutu jak termos z gorącą herbatą, który jest tym bardzo izolowanym systemem. Oczywiście temperatura w dowolnym punkcie substancji (w tym przypadku herbaty) będzie taka sama. Ale jeśli wrzucisz kostkę lodu do termosu, równowaga termodynamiczna zostanie natychmiast zakłócona, ponieważ w różnych częściach cieczy wystąpi różnica temperatur.
W tym przypadku transfer ciepła będzie następował z obszaru o wyższej temperaturze w kierunku zimniejszych obszarów, aż do ustalenia jednorodności reżimu termicznego w całej objętości. Kiedy tak się stanie, stabilność zostanie przywrócona. Tak działa każdy system termodynamiczny, niezależnie od jego skali i liczby obiektów, z których się składa.
Główny warunek równowagi, czyli ten sam wskaźnik temperatury we wszystkich punktach systemu, jest szczególnie ważny dla organizmów żywych. Wszystkie obiekty biologiczne wymagają regularnych dostaw energii do utrzymania normalnego życia. Wszystkie procesy biologiczne wymagają również stabilnego przenoszenia ciepła i równomiernego rozprowadzania.
Na przykład rośliny, akumulują energię słoneczną, przekształcają ją w wiązania chemiczne substancji organicznych poprzezfotosynteza. W ciele zwierząt wszystko dzieje się dokładnie odwrotnie – substancje organiczne pozyskiwane z pożywienia zamieniają się w energię. Wszystkie takie procesy (dla przedstawicieli zarówno świata roślinnego, jak i zwierzęcego) zachodzą w ścisłej zgodności z zasadami systemu termodynamicznego.
Podstawowe koncepcje termodynamiki są uniwersalne i niewzruszone zarówno dla żywych systemów biologicznych, jak i przyrody nieożywionej. Zasady termodynamiki mówią, że każdy zbiór powiązanych obiektów można nazwać układem termodynamicznym. Różnica polega tylko na skali i liczbie obiektów. Przykładami takich układów są komórki naszego ciała, serca czy innych narządów wewnętrznych. Cały organizm jest też w pewnym sensie układem termodynamicznym. Nawet tak gigantyczne obiekty jak biosfera, oceany również należą do tej kategorii. I podlegają tym samym prawom równowagi termodynamicznej.
