Irreversibel termodynamikk er stoff- og varme-læren til levende systemer langt fra likevekt. Levende organismer og økosystemer er åpne dissipative (energiforbrukende) ikke-likevekt systemer som utveksler stoff og energi med sine omgivelser. I beskrivelsen anvender man de samme begrepene og termene som i klassisk reversibel termodynamikk.

En organisme kan leve fordi det strømmer stoff og energi gjennom den. Livet opprettholder sitt organisasjonsnivå på bekostning av økende entropi som skapes i omgivelsene, det større globale systemet. Når energien tar slutt brytes de dissipative strukturene, og organismen og de biologiske systemene går mot likevekt og dør.

De dissipative strukturene i biologi er vesensforskjellige fra likevektsstrukturene i klassisk termodynamikk. Carnot ønsket å forstå virkemåten av dampmaskinen og startet derved utviklingen av termodynamikken. Det ble etterhvert også behov for en termodynamisk beskrivelse av hva liv er.  Den tyske fysikeren Rudolph Clausius var den første som på 1850-tallet kvantifiserte irreversibilitet i form av begrepet entropi. Biofysikeren og matematikeren Alfred J Lotka forsøkte å forklare darwinistisk evolusjon ved å betrakte livet på Jorden som åpne metastabile systemer, som holdes vekk fra likevekt pga. en kontinuerlig energistrøm fra Solen. Alle livsprosesser er koblet til forandring i energi (bioenergetikk). Ilya R Prigogine fikk i 1989 nobelprisen i kjemi for sitt arbeid med dissipative og irreversible strukturer.  Arbeid kan omdannes til varme, men varme kan ikke fullstendig overføres til arbeid, noe som viser irreversibilitet i naturen. 

Fysikeren Erwin Schrödinger innførte begrepet negentropi i boka What is life ? (1944) for å beskrive hvordan organismer opprettholder sin lave entropi  ved å leve på negentropi. Negativ entropi (negentropi) er den orden som karakteriserer næringsstoffene organismene lever av. Plantene opprettholder sin lave entropi pga. lysfluksen fra Solen. En levende organisme har lav entropi fordi celler og de enkelte strukturer en organisme eller organisk stoff består av inneholder informasjon. Jo mer organisert, strukturert og differensiert et system er desto lavere entropi. Levende organismer lar stoff og energi strømme igjennom seg og absorberer entropiproduksjonen som frigis når næringsstoffene nedbrytes og avfallsstoffer skilles ut.

Flukser angir  hvor mye stoff eller energi som blir transportert per areal- og tids-enhet i en organisme eller økosystem. Fluksen er lik en proporsjonalitetsfaktor ganger en drivkraft i form av en gradient. Generelt kan flukser beskrives av en samling fenomenologiske ligninger laget over samme lest. Fluksligningene forklarer fysiske fenomener uten å ta hensyn til hva som skjer på molekylært eller atomært nivå. Eksempler er Fouriers lov om varmeoverføring, Ohms lov for  elektrisk strøm og overføring av ladning, Ficks lover for diffusjon,  Darcys lov for transport i porøse medier, Poiseuilles lov for massestrøm i rør,  Newtons lov for viskositet og overføring av moment. termoelektriske effekter (Seebeck- og Peltier-effekt), piezoelektrisk effekt for berøring, Soret-effekt og elektroosmose.

Varmestrøm og transport av masse er en fundamental prosess i alle biologiske systemer. Potensialgradienter kan lage irreversible forandringer, kalt krefter. I irreversibel termodynamikk vil enhver kraft i systemet påvirke en fluks av et stoff. Temperaturgradient og konsentrasjonsgradient lager en strøm av varme og masse. Hvis kreftene forsvinner går systemet mot likevekt . Lars Onsager fikk i nobelprisen i kjemi i 1968 for sine studier av forholdet mellom flukser og krefter i systemer langt fra likevekt, men hvor det kan være lokale likevekter. Systemer med mange krefter og flukser gir mange koeffisienter. Matrisen med fenomenologiske koeffisienter er symmetrisk, også kalt termodynamikkens fjerde lov. Koeffisientene for fluksene kan samles i en matrise, og de diagonale koeffisientene gir sammenhengen mellom flukser og krefter. Entropiproduksjonen er en sum av flukser og de tilhørende krefter. Koeffisienten j beskriver fluksen og k kreftene. Ljk kalles Onsager koeffisienter bekskriver flukser (j) og krefter (k). Sammenhengen Ljk=Lkj kalles resiprositetsrelasjonen, en symmetrisk koeffisientmatrise, hvor Ljk er prinsipalkomponenter.

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål om artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.