Оборотний процес – це такий процес, при якому система в кожен певний момент часу знаходиться у стані, нескінченно близькому до термодинамічної рівноваги, і досить лише трохи змінити умови, щоб
процес був обернений. При цьому під термодинамічною рівновагою розуміють такий стан системи, коли градієнти різних видів енергії (хімічної, електричної) вирівняні, і здатність системи здійснювати роботу дорівнює нулю. Повертання оборотного процесу не викликає залишкових змін в довкіллі.
На відміну від цього при необоротному процесі система змінюється в напрямку кінцевого стану (при мимовільному протіканні процесу – до стану рівноваги) з певною швидкістю. При цьому частина вільної енергії системи витрачається у вигляді тепла. Наприклад, якщо здійснюється механічна робота, то частина витраченої на неї вільної енергії витрачається при терті. Для того, щоб обернути даний процес, необхідно компенсувати ці втрати. Отже, обернення необоротного процесу пов’язано із залишковими змінами у довкіллі
Процеси, які протікають у біосистемах, як і в будь-яких інших системах, є необоротними (нерівноважними), тобто при переході системи з одного стану в інший, повертання у початковий стан є неможливим без додаткового притоку енергії ззовні.
Фундаментальним поняттям класичної термодинаміки є рівноважний стан системи, в якому термодинамічні параметри (об’єм, тиск, температура тощо) мають однакове значення у всіх точках системи і не можуть змінюватися з часом самостійно. Рівноважний стан для біологічних систем є неприпустимим, бо в цьому випадку неможливе проходження ніяких прямованих процесів, крім випадкових відхилень від положення рівноваги. Тому в термодинаміці біологічних процесів розглядають стаціонарний стан системи: коли параметри системи також є незмінними у часі, але можуть відрізнятися у різних частинах системи, тобто існують і постійно підтримуються градієнти параметрів. Це можливо лише за рахунок притоку енергії або речовини з оточуючого середовища.
Розглянемо стаціонарний стан системи на прикладі іонного балансу клітини. Концентрація іонів калію (К+) всередині клітин теплокровних у 15-20 разів є вищою, ніж ззовні, а концентрація іонів натрію (Na+) є у 10-15 разів нижчою. Різниця концентрацій іонів К+ підтримується наявністю негативно зарядженого потенціалу на внутрішньому боці мембрани, який заважає виходу катіонів з клітини. Це, а також градієнт концентрацій, сприяє просочуванню іонів натрію всередину клітини, незважаючи на низьку проникність для них цитоплазматичної мембрани. Підтримання різниці концентрацій Na+ потребує витрат енергії. Іони натрію викачуються з клітини Na-K насосами, які працюють за рахунок енергії, що виділяється при гідролізі АТФ. Енергії однієї молекули АТФ достатньо для виведення з клітини трьох молекул Na+ і введення двох молекул К+. Потрібно мати на увазі, що будь-який живий організм постійно розвивається і змінюється, і тому в цілому не знаходиться у стаціонарному стані. Однак протягом невеликого інтервалу часу стан деяких його ділянок можна розглядати як стаціонарний.
32
