Медицинската физика е част от приложната физика в която се описват принципите и методите на физиката, използвани в медицината

Кръвта има висока топлоемкост и топлопроводност, движи се в силно разклонена система от съдове и поради това осъществява ефективна конвекция на топлината и изравнява температурата на вътрешните органи. В случай на усилена физическа работа се задейства и активното топлообразуване и температурата на кръвта нараства. Това дразни рецепторите за топлина в хипоталамуса и те генерират нервноелектрични импулси. В резултат на това, сърдечната дейност и кръвният поток се усилват, отварят се и допълнителни кръвоносни капиляри в кожата. Това може да увеличи Ф_in от 5 до 7 пъти и е в състояние да възстанови топлинния баланс (Фиг.1. 2. 4).

В условията на хипертермия (напр. при температура на тялото 39^оС), в различните тъкани се увеличава синтезата на азотен окис NO, който е мощен дилатант, разширяващ кръвоносните съдове. Това е адаптивна реакция с цел разширение на периферните кръвоносни съдове и увеличение на Ф_in. Наличието на анестетици и алкохол в кръвта нарушава работата на центъра за температурна регулация. Това може да разстрои терморегулацията на човек и да доведе до топлинен удар при високи околни температури.

При продължителна хипертермия, кръвният поток в близост до кожата се увеличава за сметка на кръвоснабдяването на някои вътрешни органи (стомах). Продължителното намаление на кръвоснабдяването на стомаха може да доведе до нарушаване на неговата кръвна бариера и преминаване на бактерии от стомаха в кръвта (сепсис).

Основно понятие на термодинамиката е понятието термодинамична (макроскопска) система. Това е геометрически обособено материално тяло, което се намира в съседство с една безкрайна, неизменяема околна среда. Най-простата термодинамична система се състои от определен, затворения обем газ (пара). Когато системата е в равновесие с околната среда, казва се, че тя се намира в равновесно състояние. Това състояние може да се опише изцяло с няколко експериментално измеряеми величини, наречени основни термодинамични параметри. При газовите системи това са температурата T, налягането p и обема V на системата. Много други параметри (плътност, специфична топлоемкост и др.) могат да се изведат или изчислят на основата на тези три основни параметъра. Когато термодинамичната система преминава от едно равновесно състояние в друго, казва се че тя извършва равновесен термодинамичен процес (преход).

Енергията и работата са други две основни понятия на термодинамиката. Работа се върши когато тялото се премества под действието на определена сила или когато дадена система променя обема си преодолявайки някаква сила. Енергията на едно тяло отразява неговата способност да върши работа като следствие на неговото движение или положение спрямо действащите върху него сили. Енергията, свързана с движението на тялото се означава като кинетична, докато енергията свързана с положението на тялото спрямо силите представлява потенциална енергия. Сборът от кинетичната и потенциална енергия съставлява т.н. механична енергия. Освен като механична, енергията може да съществува и в други форми: топлинна, химична, електрична, атомна или лъчева.

Съобразно обмяната на енергия и вещество, термодинамичните системи биват три вида:

а) изолирани - не обменят енергия и вещество с околната среда;

б) затворени - обменят енергия но не и вещество с околната среда;

в) отворени - обменят енергия и вещество с околната среда. Всички живи организми са отворени термодинамични системи.

Енергията на една система може да преминава от една форма в друга чрез подходящ физичен процес, но това превръщане се подчинява на някои общи принципи, установени от термодинамиката. На основата на голям обем емпиричен материал, през XIX век термодинамиката постулира пет основни закона (постулата, принципа), на които се подчиняват всички процеси.

а) Нулев принцип – дефинира параметъра температура като степен на нагрятост на телата. Когато една термодинамична система се намира в контакт с околната среда, след известно време настъпва топлинно равновесие. В състояние на топлинно равновесие, температурата във всички точки на системата е еднаква и е равна на температурата на околната среда. Когато две системи са в топлинно равновесие помежду си, те имат една и съща температура. Нулевият принцип гласи, че когато две системи поотделно са в топлинно равновесие с трета (наречена термометър), те са в топлинно равновесие помежду си.

б) Първи принцип - дефинира величините топлина и вътрешна енергия. Топлината не е материална субстанция (невидим газ, течност или флуид), както дълго време се е мислело, а вид енергия, която може да се превръща в механична енергия (работа) или да се запасява като вътрешна енергия. Величината вътрешна енергия и нейната връзка с топлината и работата са подробно обяснени по-долу.

в) Втори принцип - дефинира величината ентропия. Това е важна величина, защото нейните промени са свързани с посоката на протичане на термодинамичните процеси. Същността на този принцип в подробности е обяснена в отделна тема.

г) Трети принцип. На основата на известните газови закони е открита т.н. термодинамична скала на абсолютните температури. За начало на тази скала се приема температурата -273.15^оС, наречена абсолютна температурна нула. При тази температура всички атоми и молекули трябва да се намират в пълен покой, т.е., те не могат да трептят и да се преместват. Поради това, третият принцип гласи, че при абсолютната температурна нула, ентропията на тялото е равна на нула. Абсолютната температурна нула може да бъде приближена, но не и достигната с краен брой стъпки.

д) Четвъртият принцип гласи: в една изолирана термодинамична система, всички процеси завършват с достигане на такова равновесно състояние, в което всички видове енергия са деградирали до топлина и повече никакви промени не са възможни (топлинна смърт на системата). Това състояние се нарича термодинамично равновесие.

Следва подробно описание на първия принцип на термодинамиката.

Вътрешната енергия U на една термодинамична система е сумата от кинетичната, потенциална и химична енергия на всички молекули от които е изградена системата. Тя зависи само от броя на молекулите, от тяхната скорост и взаимно разположение, но не и от начина (пътя, процеса) по който системата е достигнала до състоянието, в което се намира. От представената дефиниция следва, че вътрешната енергия е функция на състоянието в което се намира системата, т.е., всяко състояние на системата се характеризира със своя стойност на вътрешната енергия U, която не зависи от пътя по който системата е преминала за да попадне в даденото състояние. Например, в състояние (1) системата ще има вътрешна енергия U₁, а в състояние (2) съответно U₂. Ако системата извърши преход от състояние (1) в състояние (2), промяната на вътрешната енергия ще бъде dU = U₂ – U₁. Промяната, означена с диференциал d (например dU) ще бъде една и съща независимо от вида на прехода, докато промяната означена с  (например Q) зависи от вида на прехода.

Теоретично са възможни голям брой различни термодинамични процеси с помощта на които системата може да премине от началното си състояние (1) в крайното състояние (2) – фиг.1.3.1. Нека системата осъществи преход от състояние (1) в състояние (2) с помощта на един от тези възможни процеси. При този преход системата ще извърши механична работа А₁ и ще обмени топлина Q₁ с околната среда. Забележете, че работата А₁ и топлината Q₁ зависят от конкретния процес, т.е., от пътя по който системата преминава от първото във второто състояние. При същия преход (1)  (2), но извършен с помощта на друг вид процес, работата и топлината ще имат други стойности - А₂ и Q₂, при трети вид процес - А₃ и Q₃ и т.н. (фиг.1.3.1).

Машините са устройства, които превръщат някаква форма на енергия (топлина, химична, електрична, лъчева и др.) в механична работа. Съгласно първият принцип на термодинамиката, не може да съществува машина (наречена перпетуум мобиле от първи род), която вечно да върши работа без да потребява външна енергия. Без външен приток на енергия (Q) системата може да извърши максимално само толкова работа (A), колкото е запасът от вътрешната й енергия (U). При разглеждане на втория принцип на термодинамиката ще видим, че даже не цялата стойност на вътрешната енергия може да се превърне в работа, а само част от нея – т.н. свободна енергия (несвързаната част от вътрешната енергия).

Най-общо, работата A извършвана от една термодинамична система се изразява чрез промяната на нейния обем V, т.е., A = р. V, където р е налягането. Например, при една систола сърцето изтласква един ударен обем V_уд кръв в аортата и артериите. Тези съдове се разширяват с което се извършва работа A = Р_кр . V_уд, където Р_кр е кръвното налягане. Също, при разширение на белия дроб с V при дихателно налягане р_дих се извършва работа A = р_дих. V. Следователно, първият принцип може да се изрази и така: dU = Q + A = Q + р. V.

При много химични реакции се отделя или поглъща топлина. Законът на Хес гласи, че при постоянно налягане и обем на реагиращата смес, отделената или погълната топлина при една химична реакция (химичният ефект) не зависи от междинните етапи, а само от началното и крайно състояние на сместа. Това е така, защото при постоянен обем и налягане р. V = 0 и химичният ефект Q се равнява на промяната на вътрешната енергия dU = U₂ – U_1. При живите организми, този закон има следният еквивалент - при покой (A = 0), те отделят в околната среда толкова топлина (Q), колкото е енергията, получена при физиологичното окисление in vivo на приетите хранителни вещества до вода и СО₂ (т.е., Q = U₂ – U₁). С това е доказано, че при живите системи не съществуват други видове енергия, освен тези известни на физиката.

Общото количество енергия запасена в дадена система (тяло), която може да бъде предадена от нея на околната среда като топлина и работа се означава като енталпия H. Количествено, енталпията H = U + p.V, където p и V са налягането и обема на системата, съответно. В биологичните системи p и V обикновено не се менят и тогава H = U, т.е., промяната на енталпията съвпада с промяната на вътрешната енергия на системата. Енталпията на хранителните вещества се нарича топлосъдържание или енергосъдържание и се определя чрез тяхното окисление in vitro, по отделената топлина. Тя е важна величина за медицината и нейното измерване е предмет на диетологията.

При химичните реакции промяната на енталпията се дава с топлината, която се отделя или поглъща. Същото е и при физичните процеси, например при фазовите преходи, в частност преминаване от твърдо кристално състояние в течност, промяната на енталпията се дава със скритата топлина на прехода. При нагряване телата увеличават своята енталпия, като загряването на тялото с 1^оС представлява нарастване на енталпията на величина, равна на специфичната топлоемкост на тялото.

Състоянието на една термодинамична система може да бъде равновесно или неравновесно. При равновесното състояние, всеки параметър на системата (температура, налягане, плътност и др.) има една и съща стойност във всяка една точка на системата и не се мени с времето. В това състояние системата е в равновесие с околната среда и не взаимодейства с нея. Когато системата извърши преход от едно равновесно състояние в друго равновесно състояние казваме, че се извършва равновесен процес. Равновесните процеси са всъщност онези идеализирани процеси, които са много бавни във времето и всяка една промяна, която те предизвикват има безкрайно ниска скорост. Всеки равновесен процес е същевременно и обратим процес, защото той може самостоятелно (без външна помощ и енергия) да протече и в обратна посока. В края на всеки равновесен процес както системата, така и околната среда се връщат в изходното си състояние без в тях да е настъпила някаква промяна. Реалните процеси, особено тези протичащи с голяма скорост, са неравновесни и необратими.

При неравновесното състояние, поне един от параметрите на системата, например температурата, има различна стойност в отделните точки на системата, т.е., този параметър има градиент. Наличието на такива градиенти поражда неравновесни процеси на пренос (дифузия, топлообмен, дисипация на енергия в следствие на триене, вискозност). Неравновесните процеси са необратими, защото те не могат да протичат в обратна посока самостоятелно, без външна намеса. Ясна количествена мярка за обратимостта на процесите ни дава примера с т.н. цикличен (кръгов) процес.

Цикличен е този процес, при който системата се връща в началното си състояние при завършване на процеса. Например, системата ще извърши кръгов процес (цикъл), когато принудено премине от състояние (1) в състояние (2) и след това спонтанно се върне обратно в началното си състояние (1). Ако енергията изразходвана от околната среда за принудения преход (1)  (2) се върне изцяло по време на обратния преход (2)  (1), кръговият процес е обратим, ако се върне само частично - тогава той е необратим. Фактически само малка маст от процесите могат да бъдат разглеждани като обратими, при условие, че съпътстващите ги процеси на триене, съпротивление, вискозност и др. имат незначително влияние и могат да бъдат пренебрегнати.

При самостоятелното протичане на един процес в една изолирана система, първият принцип на термодинамиката постулира, че общата сума на енергията преди и след процеса трябва да бъде една и съща. Обаче, този принцип не указва посоката в която процесът ще настъпи. Вторият принцип на термодинамиката налага още едно ограничение върху термодинамичните процеси. Вторият принцип постулира една асиметрия на процесите в смисъл, че те могат да протичат самостоятелно само в една определена посока. Съществуват няколко формулировки на втория принцип:

1) Не е възможно топлината да премине самостоятелно от по-студено към по-топло тяло. Това е възможно да стане, но само принудено, с помощта на външна механична работа, както това става в хладилниците.

2) Ако една термодинамична система извърши кръгов процес, не е възможно в края на процеса тя да е произвела работа и едновременно с това да се е загряла. Машина, която би могла чрез кръгов процес да черпи енергия от едно по-студено тяло като произвежда работа в по-гореща среда е наречена перпетуум-мобиле от втори род. Съгласно тази формулировка на втория принцип, такава въображаема машина е невъзможно да се построи.

Горните две формулировки обаче нямат количествена форма и не са удобни за физиката. В показаните по-долу формулировки се използва величината ентропия и те вече имат количествена форма. Нека една затворена термодинамична система премине от състояние (1) в състояние (2) и след това да се върне обратно в състояние (1), т.е., да извърши кръгов процес (фиг.1.4.1). Нека преходът 1  2 да се извърши при температура Т₁ и при този преход се обменя топлина Q₁ с околната среда. Съответно, нека обратния преход 2 1 се извърши при температура Т₂ и се обменя топлина Q₂ с околната среда. Отношенията Q₁/Т₁ и Q₂/Т₂ първоначално са наречени приведени топлини, а по-късно промяна ентропията S на правия и обратния процес, съответно. Така Q₁/Т₁ = S₁₂ и Q₂/Т₂ = S₂₁ представляват промените на ентропията S на системата при правия и обратния процес, съответно. След завършване на кръговия процес, общата промяна на ентропията ще бъде S = S₂₁ - S₁₂.

Третата формулировка на този принцип (по Клаузевиц) гласи, че ако една изолирана термодинамична система извърши кръгов процес, общата промяна на ентропията ще бъде S ≥ 0, като знакът “> “ важи за необратимите, а знакът “=” за обратимите процеси. Тъй като реалните процеси са винаги необратими, в изолираните системи посоката на протичане на процесите е такава, че крайната ентропия на системата ще е винаги по-голяма от началната.

В уравнението U = A + Q, изразяващо първия принцип, заместваме Q = T.S и получаваме U= A+T.S. Решаваме уравнението спрямо работата А и получаваме A = U-T.S = (U-T.S) = F. Както се вижда, изразът F = U-T.S има смисъл на работа и се нарича свободна енергия. Свободната енергия F представлява тази част от вътрешната енергия U на системата, която може да се превърне в полезна работа. От своя страна, изразът T.S се нарича свързана енергия – това е онази част от вътрешната енергия на системата, която не може да се оползотвори като работа. Колкото е по-голяма ентропията на системата, толкова свързаната енергия ще е по-голяма и толкова по-неработоспособна ще бъде тази система.

Ако една изолирана система извърши кръгов процес, то F = U - T. S. Тъй като процесът е кръгов, U=0, следователно F = -T. S. Съгласно втория принцип, S ≥ 0, следователно F ≤0. От тук се извежда една по-обобщена формулировка на втория принцип, а именно, в една изолирана термодинамична система настъпват само такива процеси, при които ентропията нараства, а свободната енергия и работоспособността на системата намаляват. В табл. 1.4.1 е показана възможността за самостоятелно протичане на даден процес като функция на промените в ентропията, свободната енергия и енталпията.

Физическият смисъл на понятието ентропия може да се изведе на основата на молекулния строеж на системите. Всяка термодинамична система се състои от огромен брой молекули от един или няколко различни вида. Тези молекули могат да заемат различни места, от тук се получават различни подреждания (микросъстояния) вътре в системата. При много от тези подреждания обаче, свойствата на системата са едни и същи, т.е., тези микросъстояния довеждат до едно и също макросъстояние. Нека с W означим броят на онези подреждания на молекулите на системата, при които макросъстоянието на системата е едно и също. Австрийският физик Болцман е извел, че ентропията S = k. lnW, където к е т.н. константа на Болцман. Колкото системата е по-подредена (структурирана, уникална), толкова W е по-малко и ентропията е по-ниска. В такъв смисъл ентропията е мярка за безпорядъка, хаотичността във вътрешната структура на системата. От горната формула следва, че ентропията S е функция на състоянието и се променя при смяна на това състояние. Фактът, че процесите протичат само в посока на нарастване на ентропията означава, че ако една система може да си избира едно от няколко възможни макросъстояния, тя с най-голяма вероятност ще се окаже в състоянието с по-голямо W. Затова, W се нарича още термодинамична вероятност.

От формулата F = U – T.S следва, че свободната енергия F също се явява мярка за вътрешната подреденост на системата. Ясно е, че по-подредените системи ще имат по-ниска ентропия, по-голяма свободна енергия и по-голяма способност да вършат полезна работа. Точно такива са живите организми, разглеждани като термодинамични системи, които имат висока вътрешна подреденост и уникална (неповторима) структура, която понякога се означава като апериодичен кристал.

От втория принцип на термодинамиката следва, ентропията може да служи като мярка за това, колко близко системата се намира до термо-динамичното равновесие. Съгласно този принцип в една изолирана система ентропията, т.е., безпорядъка, винаги нарастват. Когато системата достигне максималната си ентропия, тя не може повече да се променя, защото тя е достигнала термо-динамичното си равновесие. По този начин природата показва, че тя “предпочита” безпорядъка пред подредеността.

Освен вътрешната енергия U, свързаните с нея величини ентропия S и свободна енергия F също представляват функции на състоянието в което се намира системата. Тези величини характеризират структурата на системата и зависят от вида на градивните частици, вида и броя на движенията, в които те участват, както и от потенциалната енергия на тяхното взаимодействие. Те не зависят от това, по какъв път е достигнала системата в това състояние, а само от параметрите на това състояние (температура, налягане и обем).