2.1.2.Второй закон термодинамики в открытых системах

Закрытые термодинамические системы стремятся перейти в состояние термодинамического равновесия, которое характеризуется прекращением в системе всех макроскопических процессов. В таком состоянии система может оставаться сколь угодно долго без внешних воздействий. Открытые системы также стремятся перейти в состояние равновесия, однако постоянный обмен Е и веществом со средой не позволяет этого. Если этот обмен сбалансирован, биосистема находится в состоянии динамического равновесия, т.е. экзергонические и эндоргонические реакции, анаболизм и катаболизм, ассимиляция и диссимиляция уравновешивают друг друга.

2 закон термодинамики – закон вероятности⁵ и направленности термодинамического процесса: самопроизвольно теплота переходит лишь от нагретого тела к более холодному, от вещества с большей концентрацией в сторону меньшей. Иными словами, невозможны такие процессы, единственным результатом которых являлось бы отъятие от некоторого тела определенного количества теплоты и превращение этого тепла полностью в работу. Часть тепла всегда будет передаваться более холодному телу. Второй закон показывает ограниченность превращения энергии в работу (КПД<100%) и необратимость термодинамических процессов в открытых системах⁶.

Иными словами, все вещества, все виды энергии стремятся перейти в устойчивое состояние, т.е. распределиться в пространстве максимально равномерно. Движущую силу, направленную в область, где значение параметра меньше, называют градиентом (например, концентрационный градиент). Градиент равен отношению разности величин параметра в двух точках к расстоянию между ними⁷. Существование градиента свободной энергии говорит о неравновесности системы, энергия будет перемещаться из области большей в область меньшей, движение энергии будет упорядочено, а энтропия низкая. Вероятность существования такой системы очень мала.

Закрытые системы подчиняются закону увеличения энтропии. При самопроизвольном превращении энергии системы теряют разность энергетических уровней и утрачивают способность совершать работу (по мере использования градиенты уменьшаются, разница между "больше" и "меньше" исчезает). Поэтому тепловая энергия системы при самопроизвольных процессах возрастает и достигает максимума, когда система приходит в истинное равновесие (тепловая смерть). Энтропия (от греч. превращение) – мера утраты способности системы совершать работу, мера рассеяния энергии: S = Q/T, Q = ST. Иными словами, полезная энергия + энтропия = constanta⁸.

Без вмешательства извне E→ 0, Э → . Чтобы "всеобщего равенства" не наступило, клетки создают и поддерживают градиенты (например, работа Na⁺/K⁺- насоса), затрачивая на это энергию, полученную из внешней среды.

Совершая непрерывную работу, живые системы постоянно расходуют энергию, но при этом живой организм удерживает «неравновесность» – разницу энергетических уровней⁹, что возможно благодаря поступлению в нашу систему веществ из окружающей среды, которые имеют большой запас свободной энергии. Поэтому понятие энтропии для живых организмов было заменено понятием потока энтропии. Поступление питательных веществ в организм рассматривается как поток отрицательной энтропии (негэнтропии), поскольку при ассимиляции происходит повышение упорядоченности живой системы. Энергия, которая уходит в ходе совершения работы, представляет собой поток положительной энтропии.

Может показаться, что живые существа не подчиняются второму закону термодинамики, потому что в них S не увеличивается, а находится на постоянном уровне. Но следует учитывать, что они – открытые системы. С этой точки зрения уменьшение S и увеличение E фотосинтезирующих организмов происходит благодаря уменьшению E и увеличению S в системе Солнце-Земля. Точно так же уменьшение E в частях клетки, где идет биохимический синтез, происходит за счет избыточного увеличения S в реакциях диссимиляции, и общий баланс S увеличивается. Поэтому живые организмы подчиняются второму началу термодинамики, когда речь идет о круговороте и превращениях свободной энергии в системе организм – окружающая среда.