5806256262

Część III: Termodynamika układów biologicznych

Do opisu wymiany entropii z otoczeniem wygodnie jest użyć pojęcia strumienia. W fizyce, chemii fizycznej i biofizyce strumień J definiujemy jako:

ilość materii lub energii przechodząca w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni prostopadłą do kierunku strumienia.

Warunkiem istnienia strumienia jest występowanie w układzie różnicy jakiegoś potencjału termodynamicznego, x. Wymianę entropii z otoczeniem można opisać jako strumień entropii:

dS_c _ dJ_s

dt dx

Ostatecznie równanie opisujące zmiany entropii w układzie otwartym przyjmie więc postać:

Stan stacjonarny

Wielkością determinującą stan układu jest przy tym szybkość produkcji entropii a. Z II. zasady termodynamiki wynika, że a nie może być mniejsze od 0. Jeżeli a = 0, to mamy do czynienia z równowagą termodynamiczną, stanem nieciekawym z punktu widzenia biofizyki. Gdy a > 0 w układzie biegnie samorzutnie jakiś proces i wytwarzana jest entropia. Z punktu widzenia biofizyki interesujący jest pewien przypadek szczególny procesów samorzutnych w układach otwartych: przypadek, gdy cała produkowana w układzie entropia a opuszcza układ w postaci strumienia entropii:

dJ_s

Podstawiając ten warunek do powyższego równania dochodzimy do zależności: dS/dt = 0. Taki stan układu nazywamy stanem stacjonarnym: układ produkuje entropię (biegnie proces samorzutny), lecz jego entropia nie wzrasta.

Okazuje się, że wiele układów ożywionych można z dobrym przybliżeniem traktować jako układy stacjonarne. Dla termodynamicznego opisu takich układów musimy jeszcze określić siłę napędzającą strumień entropii, x, oraz zaproponować sposób wyznaczania szybkości produkcji entropii w układzie, a.

Entropia układu jest typowa funkcją wewnętrzną. Wartości funkcji tego typu określone są przez zmienne zewnętrzne (dające się wyznaczyć z pomiaru) jedynie w stanie równowagi. Również jedynie w stanie równowagi entropia jest funkcja stanu i tylko wtedy posiada różniczkę zupełną. Jednakże my z definicji rozpatrujemy układ nie znajdujący się w stanie równowagi. Wygląda to na ślepą uliczkę.