Страница 35 из 57
Состояние это может реализовываться наибольшим числом способов, когда любая из молекул может находиться в любой точке пространства сосуда. В этом случае, статистический вес, т. е. число способов, которым может быть реализовано это состояние, — максимальный. Пусть в некоторый момент времени нам удалось загнать все молекулы с помощью диафрагм (перегородок) в правую верхнюю часть сосуда.
Остальной объем сосуда останется при этом пустым. Убрав диафрагмы, мы увидим, что молекулы заполнили весь объем сосуда, перешли из состояния с меньшей вероятностью в состояние с большей вероятностью. То есть процессы в системе идут только в одном направлении: от некоторой структуры (порядка, когда все молекулы содержались в верхнем правом углу объема сосуда) к полной симметрии (
хаосу, беспорядку, когда молекулы могут занимать любые точки пространства сосуда). Больцман первым увидел связь между энтропией и вероятностью. При этом он понял, что энтропия должна выражаться через логарифмы вероятности. Ибо если мы рассмотрим, скажем, две подсистемы одной системы, каждая из которых характеризуется статистическим весом, соответственно W 1 и W 2, полный статистический вес системы равен произведению статистических весов подсистем: W =W1 x W 2 в то время как энтропия системы S равна сумме энтропии подсистемы: S= S1+S2, lnW= ln(W1 x W2)
= lnW1 + InW2 Больцман связал понятие энтропии S с InW . В1906 году Макс Планк написал формулу, выражающую основную мысль Больцмана об интерпретации энтропии как логарифма вероятности состояния системы: S =k lnW . Коэффициент пропорциональности k был рассчитан Планком и назван им постоянной Больцмана. Формула «S = k In W » выгравирована на памятнике Больцману в Вене.
Идея Больцмана о вероятности поведения отдельных молекул явилась развитием нового подхода при описании систем, состоящих из огромного числа частиц, впервые высказанного Максвеллом. Максвелл пришел к пониманию того, что в этих случаях физическая задача должна быть поставлена иначе, чем в механике Ньютона. Очевидно, что наш пример с мечеными молекулами сам по себе неосуществим, ибо в принципе невозможно проследить в течение значительного интервала времени за движением отдельной молекулы.
Невозможно также определить точно координаты и скорости всех молекул макроскопического тела одновременно в данный момент времени. Задачу следует ставить иначе, а именно, попытаться найти вероятность того, что данная молекула обладает таким-то значением скорости. Максвелл ввел для описания случайного характера поведения молекул понятие вероятности, статистический закон.
Используя новый подход, Максвелл вывел закон распределения числа молекул по скоростям. Работы Максвелла по кинетической теории газов являются конкретизацией и развитием идей Клаузиуса, которого Максвелл называл «создателем новой области математической физики». Работами Клаузиуса, Томсона, Максвелла и Больцмана была решена основная задача построения кинетической теории газов: ими был установлен закон, выражающий макропараметры идеального газа— давления Р и температуры Т— через микропараметры идеального газа.
Тем самым было дано молекулярно-кинетическое толкование температуры как меры средней кинетической энергии движения молекул. В дальнейшем Больцман показал, что второй закон термодинамики также является следствием более глубоких статистических законов поведения большой совокупности частиц. Точка зрения Больцмана означала, что необратимое возрастание энтропии в изолированной системе, которая не обменивается энергией с окружающей средой, следует рассматривать как проявление все увеличивающегося хаоса и приводит к уменьшению числа способов, которыми может быть осуществлено данное макросостояние, т. е.
к уменьшению термодинамической вероятности W . Учет молекулярного строения вещества при изучении тепловых процессов привел к появлению молекулярно-кинетической теории, которая явилась развитием кинетической теории вещества. Она рассмотривает различные макропроявления систем как результат суммарного взаимодействия огромной совокупности хаотически движущихся молекул.
При этом молекулярно-кинетическая теория использует статистический метод, интересуясь не движением отдельных молекул, а только средними величинами, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц. Представление тепловых процессов на основе понятий статистической термодинамики является шагом к более глубокому проникновению в механизм процессов, протекающих на макроуровне организации материи.
Это знание открывает верующему человеку мудрость Творца и его безграничные инженерные возможности. К числу наук, изучающих элементы мироздания так же на уровне беспорядочного теплового движения молекул и составляющих их атомов, относится химия. Глава 3 ОСНОВЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ХИМИЧЕСКОЙ ФОРМЕ ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИИ Характеристика основных элементов химических систем и их взаимодействия Химия определяется как наука о химических элементах и их соединениях.
Основными элементами химических систем являются атомы, молекулы, химические вещества. В сфере химических наук атомы различных химических элементов играют роль «первокирпичиков». Они стали признаваться делимыми, имеющими внутреннюю структуру лишь с конца XIX века. Определение Канницаро, данное им в 1860 году, гласит, что атом — это наименьшая частица элемента в химических соединениях.
Современное определение атома учитывает его строение. Атом — это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Частица, состоящая из ядра и электронов и имеющая заряд, называется атомным ионом. Данное определение охватывает и некоторые экзотические атомы, например, атом позитрония, который состоит из электрона и его античастицы — положительно заряженного позитрона (который играет роль ядра).
Химический элемент — это вид атомов с определенным зарядом ядра. Например, элемент «кислород» включает атомы О, входящие в состав любых соединений (CuSO 4, CO 2, О3 и т. д.). В настоящее время достоверно известны 109 элементов. Последние три элемента были получены в 1981-1984 годах на ускорителе тяжелых ионов в г. Дармштадте (Германия) с использованием метода, разработанного в Институте ядерных исследований (Дубна).
По предложению немецких физиков эти элементы получат следующие названия: 107— нильсборий (Ns ), в честь великого датского физика Нильса Бора; 108— гассий (Hs ), по латинскому названию земли Гессе, где расположен Дармштадт; 109 — мейтнерий (Mt ), в честь австрийского физика Лизы Мейтнер, одного из авторов идеи деления ядер. Открытие периодического закона, который позволил систематизировать известные химические элементы, явилось также основой для предсказания новых элементов.
За первое десятилетие XIX века было открыто 14 элементов. Рекордсменом среди первооткрывателей являлся английский химик Гемфри Дэви (1778-1829), который за один год с помощью электролиза получил 6 новых простых веществ (натрий, калий, магний, кальций, стронций, барий). К 1830 году число известных элементов достигло 55. Существование такого количества элементов, весьма разнородных по своим свойствам, озадачивало химиков и требовало упорядочения и систематизации элементов.
Очень многие ученые занимались поисками закономерностей в списке элементов и добивались определенного прогресса. Решающую роль для выявления периодичности сыграл первый Международный химический конгресс (1860 г.) после которого стало ясно, что основной характеристикой химического элемента является его атомный вес. Француз Б. Де Шанкуртуа в 1862 году впервые расположил элементы в порядке возрастания атомных весов и разместил их по спирали вокруг цилиндра.
Каждый виток спирали содержал по 16 элементов: сходные элементы, как правило, попадали в вертикальные столбцы, хотя имели место и значительные расхождения. Хотя работа де Шанкуртуа осталась незамеченной, выдвинутая им идея сортировки элементов в порядке возрастания атомных весов оказалась плодотворной. Двумя годами позже английский химик Джон Ньюлендс, руководствуясь этой идеей, разместил элементы в виде таблицы и заметил, что данную закономерность Ньюлендс назвал «законом октав», фактически предвосхитив понятие периода.