Для N молекул вероятность нахождения сразу всех молекул в одной половине объема сосуда (1/2)N ничтожно мала (в 29 грам­мах воздуха, например, содержится число молекул N , равное 6,023x 1023). Такое событие является маловероятным. Нам это и не кажется странным. Странным было бы, если бы в комна­те все молекулы воздуха вдруг в некоторый момент времени собрались бы в одной ее половине, а в другой половине оказа­лось бы безвоздушное пространство.

И если бы мы не успели или не догадались, что надо срочно перепрыгнуть в нужную половину комнаты, то умерли бы от кислородного голодания. Мы знаем, что такое событие, которое на строгом математи­ческом языке называется маловероятным, никогда не случа­ется. Вероятность же того, что все молекулы находятся во всем объеме данного сосуда, максимальна и равна единице.

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.