Жизнь как термодинамический процесс

Жизнь – особая форма существования и преобразования материи, высшая по сравнению с физической и химической формами.

Непрерывный поток солнечной энергии, воспринимаясь молекулами живых клеток, преобразуется в энергию химических связей. Создаваемые таким образом (например, при фотосинтезе) химические органические вещества последовательно переходят от одних организмов к другим.

Этот переход рассматривается как последовательный упорядоченный поток вещества и энергии.

Если система не находится в состоянии термодинамического равновесия, то потенциалы ее элементов не равны друг другу и потенциалам окружающей среды. Например, если температура того или иного тела выше температуры окружающей среды, т.е. если имеет место некоторый градиент температур, то общая температура системы «тело – среда» стремится к равновесию. Тело будет отдавать тепло до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой окружающей среды. В конечном счете энергия любого тела может быть рассеяна в тепловой форме, после чего наступает состояние термодинамического равновесия и дальнейшие энергетические процессы становятся невозможными.

Если какая-либо система пребывает в состоянии теплового равновесия, то говорят, что она находится в состоянии максимальной энтропии. Энтропия, таким образом, отражает возможности превращения энергии и рассматривается как мера неупорядоченности системы. Все термодинамические системы с протекающими в них самопроизвольными процессами стремятся к равновесию, т.е. к состоянию с максимальной энтропией.

Если бы поток солнечной энергии, направленный к Земле, только рассеивался, то жизнь была бы невозможной.

Чтобы энтропия системы не возрастала, в нее из окружающей среды должна поступать отрицательная энтропия, или негэнтропия.

Земля является открытой термодинамической системой, которая может обмениваться с окружающим пространством и веществом и энергией.

Для такой системы можно записать

,

где – изменение энтропии в результате внутренних процессов; – изменение энтропии в результате энергомассообмена с внешней средой.

Согласно второму закону термодинамики для внутренних процессов справедливо соотношение : для обратимых процессов ; для необратимых процессов .

Все самопроизвольные процессы являются необратимыми.

В открытой системе из-за оттока энтропии она может уменьшаться, т.е. . Таким образом, в этой системе возможна структурная упорядоченность молекулярных структур. Понятно, что для выполнения работы, направленной на уменьшение энтропии, экологическая система должна получать соответствующую дотацию. Она и получает ее от Солнца.

Живой организм извлекает негэнтропию из пищи, используя упорядоченность ее химических связей. Часть энергии теряется, расходуясь, например, на поддержание жизненных процессов, часть передается организмам последующих пищевых уровней. В начале же этих процессов находится автотрофное питание растений – фотосинтез, при котором повышается степень упорядоченности деградировавших органических и минеральных веществ. При этом энтропия уменьшается благодаря поступлению «дармовой» энергии Солнца.