I i II zasada termodynamiki w opisie układów biologicznych.

C_p – ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu

C_v – przy stałej objętości

Energia wewnętrzna U układu – energia związana z nieuporządkowanym ruchem cząsteczek czy atomów, tak kinetyczną jak i potencjalną ich wzajemnego oddziaływania. Energia wewnętrzna może być przekazywana od jednego układu do drugiego w procesie wykonywania pracy lub przekazywania ciepła. Proces musi przebiegać zgodnie z zasadą zachowania energii (I zasada termodynamiki).

I zasada termodynamiki:

Przyrost energii wewnętrznej U₂-U₁ układu jest równy sumie dostarczonego mu ciepła Q i pracy W. Dotyczy to układów zamkniętych (nie ma wymiany materii z otoczeniem). Bardzo ważnym założeniem, zwłaszcza przy opisie układów biologicznych jest przyjęcie warunku stałości temperatury (izotermiczność).

ΔU=Q+W

Przyjmuje się, że Q i W są dodatnie, jeżeli są do układu doprowadzane.

Przy dostarczaniu układowi ciepła Q przyrost energii wewnętrznej może być różny w zależności od tego czy towarzyszy temu wykonanie pracy. Przykładowo: jeżeli do gazu doprowadzi się ilość ciepła Q przy stałej objętości, izochorycznie ΔV=0, nie ma wykonania pracy: W=0. Całe ciepło zostaje zużyte na wzrost energii wewnętrznej gazu:

Q=ΔU, gdy ΔV=0

Inaczej jest podczas izobarycznego ogrzewania gazu, przy stałym ciśnieniu Δp=0. Temperatura gazu wzrasta o ΔT, energia wewnętrzna o ΔU, a objętość o ΔV (gaz wykonał pracę objętościową: W=-pΔV). Ciepło dostarczone układowi zużywa się na powiększenie energii wewnętrznej i wykonanie pracy objętościowej:

Q=ΔU+pΔV

Gdy ΔU<0 - reakcja egzotermiczna

G dy ΔU>0 - reakcja endotermiczna

II zasada termodynamiki:

Tylko część energii wewnętrznej może być zamieniona na pracę. Ciało samo, nawet posiadając odpowiedni zapas energii wewnętrznej, nie może uwolnić się od stanu równowagi termodynamicznej. Wszelkie procesy ustają, gdy znikną bodźce, układ znajdzie się wtedy w stanie równowagi. Stan równowagi oznacza, że w całym układzie entropia jest maksymalna. Energia swobodna jest minimalna, niemożliwe jest wykonanie pracy przez układ kosztem energii wewnętrznej układu.

Proces odwracalny – może zachodzić zarówno w jednym jak i w drugim kierunku nie zostawiając zmian w otoczeniu, układ powraca w każdym cyklu do stanu wejściowego

Procesy nieodwracalne – procesy makroskopowe zachodzące w przyrodzie, zachodzą w określonym kierunku – kierunku zmniejszania bodźców termodynamicznych (różnice temperatur, ciśnień, stężeń, potencjałów chemicznych i elektrycznych). Sprowokowane tymi bodźcami procesy zachodzą samorzutnie tylko w jednym kierunku. Odwrotny kierunek tych procesów jest niemożliwy bez zmian w otoczeniu.

Entropia S – kryterium pozwalające na odróżnienie procesów odwracalnych od nieodwracalnych, jest funkcją stanu, określa stan układu pod względem „jakości” energii, pod względem możliwości jej wykorzystania np. do wykonania pracy. Zmiana stanu układu pociąga za sobą zmianę entropii, której wielkość zależy od tego, czy proces jest odwracalny czy nie.

S=klnW - entropia jest logarytmiczną miarą nieuporządkowania, k=1,3806·10^-23 J/K – stała Boltzmanna

- związek między zmianą entropii a dostarczonym układowi ciepłem, dla procesów odwracalnych

P rzyrost entropii jest dodatni gdy ciepło zostaje ciału dostarczone z otoczenia; ujemny, gdy ciało oddaje ciepło do otoczenia.

- II zasada termodynamiki, entropia w procesie nieodwracalnym

=> ΔS=Q/T + S _prod

Zawsze S_produkowana>0