Конфігурація молекул

При грі в кості число сім випадає частіше, ніж будь-яке інше число, тому що воно утворюється в результаті більшого числа довільних комбінацій інших чисел. Абсолютно з тих же міркувань число молекул, що знаходяться в якомусь даному стані (конфігурації), буде залежати від кількості енергетичних рівнів, що відповідають даній конфігурації і доступних для молекул. Переважатимуть конфігурації, відповідні максимальному числу енергетичних рівнів. Ті ж конфігурації, яким відповідає мінімальне число рівнів, будуть присутні у відносно невеликій кількості, хоча б просто тому, що є певна кінцева ймовірність для заповнення молекулами кожного доступного для них стану. Таким є загальноприйняте тлумачення, що дозволяє з позицій статистичної фізики пояснити розподіл молекул за різним станам (ІЗОМЕРНІ формам). Переважною буде та ізомерна форма, якої (в даному діапазоні енергій) відповідає найбільше число доступних енергетичних рівнів. Іншими словами, оскільки вся енергія системи розподілиться між усіма її молекулами випадковим чином, молекули займуть всі доступні їм енергетичні стану.

У цих умовах найбільш ймовірними будуть ті конфігурації молекул, яким відповідає найбільше число енергетичних рівнів. У той же час в рівній мірі очевидно, що молекули, що зайняли нижні енергетичні рівні, будуть перебувати в найбільш сприятливому становищі, оскільки система в цілому прагне перейти в найбільш низьке можливе для неї енергетичний стан. Тому характер розподілу енергії в популяції молекул буде визначатися дією двох протилежно спрямованих тенденцій: випадковим розподілом молекул по енергетичних рівнях і поступової міграцією індивідуальних молекул в саме нижнє, ще доступне для них енергетичний стан. Якщо ми хочемо використовувати поняття»зміна вільної енергії»для точного визначення найбільш вірогідного стану молекул, то необхідно виявити внесок обох цих факторів у величину AG.

Строго обгрунтувати це співвідношення в дійсності можна лише за допомогою статистичних методів, виклад яких виходить далеко за рамки цієї книги.

Міркування, розглянуті вище, дозволяють інтерпретувати поняття ентропії на молекулярному рівні. Чим більше станів у кожної даної енергетичної галузі доступно для системи, тим вище її ентропія. Із зменшенням числа можливих станів зменшується ентропія. Ця здатність до переходу систем в невпорядковане стан проявляється зазвичай з достатньою виразністю. При збільшенні»безладу»в системі її ентропія сильно зростає, а величина вільної енергії значно зменшується. Тому ми можемо стверджувати, що будь-яка система з плином часу буде спонтанно переходити в менш упорядкований стан. У результаті проходження цього процесу здатність системи до скоєння роботи (у майбутньому) значно зменшиться. По суті, величина ентропії системи визначає якраз ту частину її внутрішньої енергії, яка не може бути перетворена в роботу. Із збільшенням ентропії системи (зменшенням її впорядкованості) стає все більш важким створити умови для подальшого зменшення вільної енергії (тобто отримання корисної роботи). Аналогічні міркування обгрунтовують»теплову смерть»Всесвіту, яка є наслідком першого і другого законів термодинаміки; енергія Всесвіту незмінна, у той час як її ентропія прагне до свого максимального значення. При досягненні максимуму ентропії (в ізотермічних умовах) система більш не здатна до скоєння роботи.

Найбільш часто для ілюстрації того, що зміна ентропії системи в деяких випадках може виявитися достатнім для мимовільного протікання ендотермічної реакції, розглядають процес плавлення льоду при температурі вище 0 ° С.

Посилання на основну публікацію