主要内容
热力学定律
适用于生物系统的热力学第一与第二定律。
介绍
你自身是一个什么样的系统：是开放的还是封闭的？ 这其实是一个物理问题，而不是哲学问题。你就像所有的生命体一样，是一个开放的系统。这意味着你与外界环境不断地交换物质和能量。例如，你以吃东西的方式吸收化学能，并且在移动、谈话、步行和呼吸这些行为中消耗能量。
冷热物体之间，气体之间，或者物理书上任何物体之间能量交换的物理原理都可以用来解释在你体内发生的所有能量交换 （比如许多新陈代谢反应），以及你和你周围的环境之间的能量交换。现在，我们将研究两个物理定律——热力学第一定律和第二定律，并看看它们如何应用于像你的身体这样的生物系统。
系统和环境
生物热力学是对分子中或分子集合中发生的能量传输的研究。当我们讨论热力学时，我们所研究的物体或其集合（可能是像细胞一样小的东西，也可能是像生态系统一样大的东西）被称为系统，而其它所有我们没有定义在系统中的东西都被称为环境。
例如，当你在炉子上烧一壶水，系统里可能包括炉灶、热水壶和水，而环境则包括其他一切：厨房、房屋、邻居、国家、星球、星系及宇宙。系统的定义是没有限制的（研究者可以根据需要做选择），受要研究的内容的影响，你同样可以把水或整个房作为系统的一部分。系统和环境共同构成我们认识的整个宇宙。
热力学中有三种类型的系统：开放系统、封闭系统和隔离系统。
- 一个开放的系统可以与其周围环境交换能量和物质。举个例子，灶台是一个开放的系统，因为热和水蒸汽可以丧失在空气中。
- 一个封闭系统，只能与其周围环境交换能量，而不能交换物质。如果我们在上一个例子中把锅盖紧密地盖在锅上，那么这就是一个非常接近封闭系统的系统。
- 一个隔离系统不能与其周围环境交换物质或能量。一个绝对的系统很难实现，但是类似保温箱的系统与绝对的隔离系统非常接近。内部的物质可以相互交换能量，这就是为什么饮料能长时间冷藏，且冰块也不太容易融化，但是它们会与外部环境有非常低的能量（热能）交换。
你与其他生物一样是一个开放的系统。无论你是否思考过，你经常与你的环境交换能量和物质。例如，你吃了一个胡萝卜，或者把东西放到桌上，或者只是在呼气时释放二氧化碳到大气中。在所有这些情况下，你都正在与你的环境交换能量和物质。
在生物体中进行的能量交换也必须遵循物理法。在这方面，它与比方说电能的能量交换没有任何区别。让我们仔细地研究热力学（能量转换的物理法则）是如何发生在我们的日常生活中的。
热力学第一定律
热力学第一定律的定义建立在整个宇宙之上：它阐述了宇宙中所有能量的总量是永远不变的。换句话说，热力学第一定律指出能量不能被创造或破坏。它只能变换形态或在物体之间传递。
这条定律看似抽象，但只要我们看看一下几个例子就能理解能量在我们生活中是如何转化和转移的：
- 灯泡将电能转化为光能 （辐射能）。
- 台球桌上一个球击中另一个球时传递了动能使第二个球移动。
- 植物将阳光的能量（辐射能）转化为储存在有机分子中的化学能。
- 当你走路、呼吸并在学习这一章内容时，你正在将刚吃的零食中的化学能转化为动能。
值得注意的是，在所有的能量转换中，都无法避免一部分能量转化为热能。 这些损失的热能也别称作热。显然，灯泡在发光时会产生热量，同样的，桌球在移动时也会在与台面摩擦式产生热量；植物和动物新陈代谢中化学能低效的化学能转移也会产生热。在热力学第二定律中，我们可以深入学习为什么这些热的流失很重要。
热力学第二定律
乍一看，热力学第一定律似乎给了我们一个乐观的印象。如果能量不能被创造或破坏，这意味着能量可以一次又一次地回收利用，对吧？
实际上... 可以说是，也可以说不是。虽然能量不能被创造或摧毁，但是它可以从能被利用的形态转换为不能够被利用的形态。事实上，我们生活的世界里，每一次能量的转化和转移时，都有一部分的能量流失为不能够再被利用的能量（不能用来做功）。几乎无一例外，这种不能再被利用的能量就是热。
虽然热的确可以在特定情况下做功，但是它绝不可能被100%转化为（可做功）的能量类型。所以，每一次能量的转换，都会有一定量的可被利用能量被转换为不可再利用的能量。
热增加了宇宙的随机性
如果热不能做功，那么它究竟能做什么呢？这些不能做功的热会增加宇宙的随机性（无序性）。这里看似有个很大的逻辑跳跃，所以我们现在从头再来看看这条定律的逻辑。
当一个系统中有两个温度不同的物体时（例如，两个金属块），这个系统是相对有序的：按照分子的移动速度来区分。冷的物体里的分子移动得慢，热的物体里的分子移动得快。如果热量从温度高的物体传导到温度低的物体（这种传导是自发的），温度低的物体中的分子的运动速度会加快，而温度高的物体中的分子移动速度减慢，直到所有分子的运动速度达到非常接近的平均值。现在，比起具有分隔的高速和低速分子，系统中只有大量以相同速度运动的分子——相比于这个系统的初始状态，现在的状态更加无序。
一个系统往往更倾向于变得更加无序，因为保持两个物体不同的温度是不太可能的（无序的状态不仅体现在温度，还有很多可能的属性可以提现一个系统的秩序状态）。这一节中的视频，或者这个直接的物理视频，可以让你更深入地了解这个概念。
熵和热力学第二定律
一个系统的无序程度或者随机程度被称作熵。因为所有的能量转换都会造成一些可利用的能量损失为不可再利用的能量（比如说热），又因为热会增加宇宙中的无序性，我们可以引出生物学上关于热学第二定律的概念：所有的能量转换都会减少可以被利用的能量总量（或者，在特定极端情况下，保持可被利用的能量不变）。换句话说，任何过程，如一个或一组化学反应，都会朝增加整个宇宙的熵的方向进行。
总之，热力学第一定律让我们清楚了能量转换的过程，而热力学第二定律则会讨论热量传递的方向性，即（在整个宇宙中）从低熵到高熵。
生物系统中的熵
从热力学第二定律中可以引出一个概念：任何一个行为过程的发生，必定以某种方式增加宇宙的熵。当你想到像你自己这样的生物时，你可能会产生疑惑。毕竟，你不一直都是一个有序的物质集合吗？你体内的每一个细胞都有自己的内部结构；细胞组成组织，组织组成器官；你的整个身体都有一个复杂的运输、交换和生产系统，保证你的生存。因此，乍一看，你可能并不清楚你，甚至一个简单的细菌，是如何代表宇宙熵的增加。
为了解释清楚，让我们来看看在你的身体里发生的能量交换——比如, 当你要去散步的时候。当你收缩你的腿部肌肉来向前行走时，你正在使用来自葡萄糖等高分子的化学能，并将其转化为动能（如果你在上坡行走，还会转换为势能）。然而，你这样的能量转换效率相当低：很大一部分的能量只是转化为热量。有些热量能让你的身体保持温暖，但大部分热量会丧失到周围的环境中。
当你消化食物来产生行走时的动能，这种能量的转换增加了周围的熵，你正在吸收巨大的、复杂的生物分子，并将它们转化为大量的小的、简单的分子，如二氧化碳和水。这个例子使用一个运动中的人，但对于一个人或任何其他静止的生物来说也是如此。人或生物体将保持一定程度的新陈代谢活动，这将导致复杂结构的分子分解为更小和更多的小分子，并释放热量，从而增加周围的熵。
一般而言，局部减少熵的过程，如那些建立和维持复杂结构的生物身体的过程，确实可以发生。然而，熵的这些局部减少只能在消耗能量的情况下发生，其中一些能量被转化为热量或其他不可使用的形式。总体来看整个过程中系统（熵局部减少）加上外界（环境熵增加）的能量传递的净效应会使整个宇宙的总熵增加。
总之，生物的高度有序结构是由不断的能量输入来维持的，并被周围环境不断增加的熵以抵消生物体的熵的降低。