Die primären Aufgaben einer lebenden Zelle, Energie zu gewinnen, umzuwandeln und zu nutzen, um Arbeit zu verrichten, mögen einfach erscheinen. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik erklärt jedoch, warum diese Aufgaben schwieriger sind, als sie erscheinen. Keine der von uns besprochenen Energieübertragungen und alle Energieübertragungen und -umwandlungen im Universum sind vollkommen effizient. Bei jeder Energieübertragung geht ein gewisser Anteil an Energie in einer Form verloren, die nicht nutzbar ist. In den meisten Fällen handelt es sich bei dieser Form um Wärmeenergie. Thermodynamisch gesehen ist Wärmeenergie definiert als die Energie, die von einem System auf ein anderes übertragen wird, in dem keine Arbeit verrichtet wird. Wenn beispielsweise ein Flugzeug durch die Luft fliegt, geht ein Teil der Energie des fliegenden Flugzeugs durch die Reibung mit der umgebenden Luft als Wärmeenergie verloren. Diese Reibung erwärmt die Luft, indem sie die Geschwindigkeit der Luftmoleküle vorübergehend erhöht. Ebenso geht ein Teil der Energie bei den Stoffwechselreaktionen der Zellen als Wärmeenergie verloren. Für Warmblüter wie uns ist dies von Vorteil, da die Wärmeenergie zur Aufrechterhaltung unserer Körpertemperatur beiträgt. Streng genommen ist kein Energietransfer vollkommen effizient, da ein Teil der Energie in einer unbrauchbaren Form verloren geht.

Abbildung 1. Entropie ist ein Maß für die Zufälligkeit oder Unordnung in einem System. Gase haben eine höhere Entropie als Flüssigkeiten, und Flüssigkeiten haben eine höhere Entropie als Festkörper.

Ein wichtiges Konzept in physikalischen Systemen ist das der Ordnung und Unordnung (auch bekannt als Zufälligkeit). Je mehr Energie ein System an seine Umgebung abgibt, desto ungeordneter und zufälliger ist das System. Wissenschaftler bezeichnen das Maß für die Zufälligkeit oder Unordnung in einem System als Entropie. Hohe Entropie bedeutet hohe Unordnung und geringe Energie (Abbildung 1). Um Entropie besser zu verstehen, denken Sie an das Schlafzimmer eines Schülers. Wenn keine Energie oder Arbeit hineingesteckt würde, würde das Zimmer schnell unordentlich werden. Es würde sich in einem sehr ungeordneten Zustand befinden, einem Zustand mit hoher Entropie. Um das Zimmer wieder in einen Zustand der Sauberkeit und Ordnung zu bringen, muss Energie in das System eingebracht werden, indem der Schüler arbeitet und alles wegräumt. Dieser Zustand ist ein Zustand mit niedriger Entropie. In ähnlicher Weise muss ein Auto oder ein Haus ständig mit Arbeit instand gehalten werden, um es in einem geordneten Zustand zu halten. Wenn man es sich selbst überlässt, nimmt die Entropie des Hauses oder Autos durch Rost und Verfall allmählich zu. Auch Moleküle und chemische Reaktionen haben eine unterschiedlich hohe Entropie. Wenn zum Beispiel chemische Reaktionen einen Gleichgewichtszustand erreichen, nimmt die Entropie zu, und wenn Moleküle in hoher Konzentration an einem Ort diffundieren und sich ausbreiten, nimmt die Entropie ebenfalls zu.

Alle physikalischen Systeme können auf diese Weise betrachtet werden: Lebewesen sind hochgradig geordnet und benötigen eine konstante Energiezufuhr, um in einem Zustand geringer Entropie gehalten zu werden. Wenn lebende Systeme energiespeichernde Moleküle aufnehmen und sie durch chemische Reaktionen umwandeln, verlieren sie dabei eine gewisse Menge an nutzbarer Energie, denn keine Reaktion ist vollkommen effizient. Es entstehen auch Abfälle und Nebenprodukte, die keine nützlichen Energiequellen sind. Dieser Prozess erhöht die Entropie der Umgebung des Systems. Da alle Energieübertragungen zu einem Verlust an nutzbarer Energie führen, besagt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, dass jede Energieübertragung oder -umwandlung die Entropie des Universums erhöht. Obwohl Lebewesen sehr geordnet sind und einen Zustand niedriger Entropie aufrechterhalten, nimmt die Entropie des Universums insgesamt aufgrund des Verlusts an nutzbarer Energie bei jeder Energieübertragung ständig zu. Im Grunde genommen befinden sich die Lebewesen in einem ständigen Kampf gegen diese ständige Zunahme der universellen Entropie.

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