תרמודינמיקה היא ענף בפיזיקה החוקר את האנרגיה התרמית ואת עקרונות הפיזור שלה בכל נפח של חומר או תווך מסוים. דיסציפלינה זו מבוססת על כמה עקרונות אוניברסליים כלליים ומשתמשת בניסיון של מדעים רבים אחרים. שיווי משקל תרמודינמי הוא אבן הפינה של תחום הידע המדעי הזה.
אחד המאפיינים החשובים ואולי הספציפיים ביותר של אורגניזמים חיים הוא היכולת הייחודית שלהם להמיר אנרגיה ולאחסן אותה במגוון רחב של צורות. שיווי משקל תרמודינמי הוא מצב כזה של מערכת שבה הפרמטרים והמאפיינים שלה אינם יכולים להשתנות לאורך זמן ללא השפעה של גורמים חיצוניים כלשהם.
כלומר: מערכת פיזיקלית מבודדת תיאורטית, המורכבת מאובייקט פיזי אחד או יותר, יכולה להישאר במצב של איזון ללא הגבלת זמן. אם שיווי משקל תרמודינמי מופרע, כל מערכת תטה לחזור אליולמצבה היציב בפני עצמו. זהו אחד מעקרונות היסוד של הפיזיקה, שעליו נבנה יותר מדי הן בחיינו והן בטבע.
הדרך הקלה ביותר לדמיין שיווי משקל תרמודינמי היא באמצעות דוגמה של תכונה אנושית טבעית כמו תרמוס עם תה חם, שהיא אותה מערכת מבודדת מאוד. כמובן, הטמפרטורה בכל נקודה של החומר (במקרה זה, תה) תהיה זהה. אבל אם תפילו קוביית קרח לתוך תרמוס, שיווי המשקל התרמודינמי יופר מיידית, מכיוון שיהיה הפרש טמפרטורה בחלקים שונים של הנוזל.
במקרה זה, העברת חום תתרחש מאזור עם טמפרטורה גבוהה יותר לעבר אזורים קרים יותר, עד שתיווצר אחידות המשטר התרמי בכל הכרך. כשזה יקרה, היציבות תשוחזר. כך פועלת כל מערכת תרמודינמית, ללא קשר לקנה המידה שלה ולמספר העצמים שמהם היא מורכבת.
התנאי העיקרי של שיווי המשקל, שהוא אותו אינדקס טמפרטורה בכל הנקודות במערכת, חשוב במיוחד עבור אורגניזמים חיים. כל העצמים הביולוגיים דורשים אספקה סדירה של אנרגיה כדי לשמור על חיים תקינים. כל התהליכים הביולוגיים זקוקים גם להעברת חום יציבה ופיזור אחיד.
לדוגמה, צמחים, צוברים אנרגיה סולארית, ממירים אותה לקשרים כימיים של חומרים אורגניים באמצעותפוטוסינתזה. בגוף של בעלי חיים הכל קורה בדיוק הפוך - חומרים אורגניים המתקבלים במזון מומרים לאנרגיה. כל התהליכים הללו (עבור נציגי עולם הצומח והחי) מתרחשים בהתאם לעקרונות של המערכת התרמודינמית.
המושגים הבסיסיים של התרמודינמיקה הם אוניברסליים ובלתי ניתנים לערעור הן למערכות ביולוגיות חיות והן לטבע הדומם. עקרונות התרמודינמיקה קובעים שכל אוסף של עצמים קשורים יכול להיקרא מערכת תרמודינמית. ההבדל הוא רק בקנה המידה ובמספר העצמים. דוגמאות למערכות כאלה הן תאי הגוף שלנו, הלב או איברים פנימיים אחרים. האורגניזם כולו הוא גם במובן מסוים מערכת תרמודינמית. אפילו עצמים ענקיים כמו הביוספרה, האוקיינוסים שייכים גם הם לקטגוריה זו. והם כפופים לאותם חוקים של שיווי משקל תרמודינמי.
