Termodynamiikka on fysiikan haara, joka tutkii lämpöenergiaa ja sen jakautumisen periaatteita aineen tai tietyn väliaineen tilavuudessa. Tämä tieteenala perustuu joihinkin yleisiin universaaleihin periaatteisiin ja käyttää monien muiden tieteiden kokemusta. Termodynaaminen tasapaino on tämän tieteellisen tiedon alueen kulmakivi.
Yksi elävien organismien tärkeimmistä ja kenties erityisimmistä ominaisuuksista on niiden ainutlaatuinen kyky muuntaa energiaa ja varastoida sitä monissa eri muodoissa. Termodynaaminen tasapaino on sellainen järjestelmän tila, jossa sen parametrit ja ominaisuudet eivät voi muuttua ajan kuluessa ilman ulkoisten tekijöiden vaikutusta.
Toisin sanoen: teoreettisesti eristetty fyysinen järjestelmä, joka koostuu yhdestä tai useammasta fyysisestä kohteesta, voi pysyä tasapainotilassa loputtomiin. Jos termodynaaminen tasapaino häiriintyy, mikä tahansa järjestelmä pyrkii palaamaanvakaaseen tilaan itsestään. Tämä on yksi fysiikan perusperiaatteista, jolle rakentuu liikaa niin elämässämme kuin luonnossakin.
Helppoin tapa kuvitella termodynaaminen tasapaino on esimerkki sellaisesta luonnollisesta ihmisen ominaisuudesta, kuten termospullo kuumalla teellä, mikä on tuo hyvin eristetty järjestelmä. Tietenkin lämpötila missä tahansa aineen kohdassa (tässä tapauksessa teen) on sama. Mutta jos pudotat jääkuution termospulloon, termodynaaminen tasapaino häiriintyy välittömästi, koska nesteen eri osissa on lämpötilaero.
Tässä tapauksessa lämmönsiirto tapahtuu korkeamman lämpötilan alueelta kylmemmille alueille, kunnes lämpötilan tasaisuus on vakiinnuttanut koko tilavuuden. Kun näin tapahtuu, vakaus palautuu. Näin kaikki termodynaamiset järjestelmät toimivat riippumatta sen mittakaavasta ja objektien lukumäärästä, joista se koostuu.
Tasapainon pääehto, joka on sama lämpötilaindeksi järjestelmän kaikissa kohdissa, on erityisen tärkeä eläville organismeille. Kaikki biologiset esineet tarvitsevat säännöllistä energiaa ylläpitääkseen normaalia elämää. Kaikki biologiset prosessit tarvitsevat myös vakaan lämmönsiirron ja tasaisen jakautumisen.
Esimerkiksi kasvit, jotka keräävät aurinkoenergiaa, muuttavat sen orgaanisten aineiden kemiallisiksi sidoksiksifotosynteesi. Eläinten kehossa kaikki tapahtuu täsmälleen päinvastoin - ruoan kanssa saadut orgaaniset aineet muuttuvat energiaksi. Kaikki tällaiset prosessit (sekä kasvi- että eläinmaailman edustajille) tapahtuvat tiukasti termodynaamisen järjestelmän periaatteiden mukaisesti.
Termodynamiikan peruskäsitteet ovat universaaleja ja horjumattomia sekä eläville biologisille järjestelmille että elottomille luonnolle. Termodynamiikan periaatteet väittävät, että mitä tahansa toisiinsa liittyvien objektien kokoelmaa voidaan kutsua termodynaamiseksi järjestelmäksi. Ero on vain objektien mittakaavassa ja lukumäärässä. Esimerkkejä tällaisista järjestelmistä ovat kehomme solut, sydän tai muut sisäelimet. Koko organismi on myös jossain mielessä termodynaaminen järjestelmä. Jopa niin jättimäiset esineet kuin biosfääri, v altameret kuuluvat myös tähän luokkaan. Ja niihin sovelletaan samoja termodynaamisen tasapainon lakeja.
