Гірська порода - термодинамічна система

Геологія

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ

РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦІЇ

МОСКОВСЬКИЙ ГІРСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ІНСТИТУТ

Р Е Ф Е Р А Т

На тему: ГІРСЬКА ПОРОДА - термодинамічної системи

МОСКВА 1998

Термодинаміка ставить за мету вивчення фізичних і хімічних процесівз точки зору виявлення критеріїв можливості або неможливості здійсненняїх у тих чи інших конкретних умовах і пророкування межі протіканняпроцесу до досягнення точки рівноваги.

Для встановлення таких критеріїв термодинаміка вивчає залежністьенергетичних ефектів від умов протікання процесів і кількіснізакономірності переходу енергії однієї форми в іншу.

Однією з важливих передумов можливості застосування методівтермодинаміки в гірничій справі є наявність в геологічних тілахгенетично споріднених груп мінералів, закономірно змінюють один одногов часі, - так званих парагенетичних асоціацій, або парагенезісовмінералів.

термодинамічної системи називається сукупність матеріальних тіл,взаємодіючих між собою і з навколишнім середовищем.

Термодинамічні системи підрозділяються гомогенні та гетерогенні.

До гомогенної термодинамічної системи відноситься хімічний склад іфізичні властивості якої однакові у всіх її частинах або монотонно (безстрибків) змінюються від точки до точки. Прикладом такої системи можуть служитиабсолютно чисті мінерали, розплавлені і сублімовані гірські породи.

гетерогенної це така термодинамічна система, яка складається здвох і більше гомогенних областей. Усередині такої системи є поверхнірозділу фаз, при переході через які хімічний склад і фізичнівластивості речовини змінюються стрибкоподібно.

фазою гетерогенної системи називається гомогенна область, яка можебути відокремлена механічним шляхом.

Будь-яка термодинамічна система складається з однієї і більше компонентів.
Під компонентами розуміється число хімічно чистих елементів, що утворюютьдана речовина.

Мінерали та гірські породи в природному стані і в результатівзаємодії на них різних фізичних полів можуть перебувати, як івода, в трьох станах:

- тверде (залізна руда, вугілля ...)

- рідке (нафта, самородна ртуть, розчини мінералів, вільна і фізично зв'язана вода ...)

- газоподібне (горючі гази ...)

Стан мінералів і гірських порід визначається параметрами стану,які визначаються на інтенсивні та екстенсивні

термодинамічні параметри стану відносять інтенсивні параметри,які визначають стан термодинамічної системи. Основнимитермодинамічними параметрами є абсолютна температура, абсолютнатиск і питомий обсяг (або щільність) тіла.

Температура визначає мимовільний перехід тепла від однієї точкисистеми до іншої.

Абсолютне так

Термодинамічна система може знаходитися в різних співвідношеннях зсередовищем.

нерівноважної стан, це при якому в системі відбувається або можев будь-який момент початися одностороннє спрямована зміна її параметрівможе внаслідок невідповідності їх з параметрами стану середовища.

Своєрідним різновидом нерівноважного є стандартне
(сталі) стан. У ньому система перебуває ніби у спокої, безвидимого зміни її параметрів завдяки впливу зовнішніх по відношеннюдо даної системи процесів.

рівноважним є такий стан системи, при якому діяпроцесів усередині системи призводить до її виходу з рівноваги, повністюкомпенсується протидією процесів, що йдуть у зовнішньому середовищі.

Необхідною умовою рівноваги є рівність відповіднихінтенсивних параметрів і хімічних потенціалів компонентів у всіх частинахсистеми. Існують різні види рівноважних станів:

- стабільна, при якій система стійка як до нескінченно малим, так і до кінцевих змін параметрів її стану, тобто для виведення системи з рівноваги необхідно затратити роботу

- сталий

- рухомий (мобільний)

- нестійке (лабільний)

Таким чином , якщо хоча б один з параметрів стану змінюється, тозмінюється і стан системи, тобто відбувається термодинамічний процес,який представляє сукупність змінних станів. Термодинамічніпроцеси поділяються на рівноважні і нерівноважні.

Рівноважні це такі процеси, при яких система переходитьпослідовно з одного стану рівноваги до іншого. Під системоюрівноваги термодинамічної системи розуміється такий стан, до якоговона прагне, беручи при цьому мінімальні значення загальної енергії. Устані рівноваги параметри системи за відсутності зовнішнього впливузалишаються постійними.

Нерівноважний це такі процеси, які не супроводжуються станомрівноваги. Для цих процесів характерно, що різні частини системимають різні термодинамічні параметри. Рівноважний стан єграничним випадком нерівноважного стану, якщо швидкість прагне донулю.

Теоретично всі термодинамічні процеси є нерівноважних,практично багато хто з них можна вважати рівноважним з певнимнаближенням.

Якщо при рівноважному процесі температура системи залишається постійною,то такий процес називається ізотермічним. Прикладом такого процесує зберігання зріджених газів в підземних сховищах.

Рівноважний процес, при якому постійним є тиск,називається ізобаріческім (Ізобаричний). Прикладом Ізобаричний процесу єпідземна газифікація підземного палива, коли за рахунок гірничого тиску ітиск повітря, що нагнітається в пласт вугілля, загальний тиск у газовихпродуктах згорання залишається постійним.

Якщо при рівноважному процесі залишається постійним обсяг, то такийпроцес називається Ізохоричний. Прикладом Ізохоричний процесу служитьтермічне і електротермічне дроблення великих габаритів гірських порід.

Якщо при рівноважному процесі відсутній теплообмін системи знавколишнім середовищем, то такий процес називається адіабатичним (адіабатні).
У природі таких процесів не існує.

Процеси можуть бути зворотні і незворотні. Якщо термодинамічнасистема повертається в початковий стан, то такий процес зворотний.

Якщо при зворотному процесі система не повертається у вихіднестан, то такий процес називається незворотний. Практично всіпроцеси в природі є незворотними. Будь-незворотній процес можназробити оборотним за рахунок зовнішнього впливу, при цьому в навколишньомусистемі зовнішнього середовища відбудуться незворотні зміни.

Всі незворотні процеси відбуваються до тих пір, поки не встановитьсярівновагу системи, а свідчить про те, що робота здійснюєтьсясистемою тільки в тому випадку, якщо нею не досягнуто рівноважний стан.
У стані рівноваги термодинамічна система не здійснює роботу наднавколишнім середовищем.

Найбільш поширеними в процесах мінералообразованія, як івзагалі в природі, є відкриті системи, які можуть обмінюватися зсередовищем енергією і речовиною.

Дуже рідкісні закриті системи, матеріально ізольовані від зовнішньоїсередовища, але вільно обмінюються з нею енергією.

Якщо деякі параметри системи змінюються з часом, то ми говоримо,що в такій системі відбувається процес. Якщо система виведена зі станурівноваги і представлена сама собі, то згідно з першого вихідногоположенню термодинаміки через деякий час вона знову прийде до вихідногорівноважного стану. Цей процес переходу системи з нерівноважногостану в рівноважний стан називається релаксацією, а проміжокчасу, протягом якого система повертається в початковий станрівноваги, називається часом релаксації. Для різних процесів часрелаксації по-різному: від 10-16 для встановлення рівноважного тиску вгазі до кількох років при вирівнюванні концентрації у твердих сплавах.

Процес називається рівноважним або квазістатичного, якщо всі параметрисистеми змінюються фізично нескінченно повільно, тому що система весь часзнаходиться в стані рівноваги.

Вся термодинамічна система складається з величезного числа частинок.
Енергія цих безперервно рухаються і взаємодіючих частинок називаєтьсяенергією системи.

Повна енергія системи поділяється на зовнішню і внутрішню. У зовнішнєенергію входять енергія руху системи як цілого і потенційна енергіясистеми в полі сил. Вся інша частина енергії системи називається їївнутрішньою енергією.

У термодинаміки не розглядається рух системи як цілого ізміна її потенційної енергії при такому русі, тому енергієюсистеми є її внутрішня енергія. Внутрішня енергія євнутрішнім параметром і, отже, при рівновазі залежить від зовнішніхпараметрів: квазістатичного змін і від температури.

Залежність внутрішньої енергії від температури майже у всіхщо зустрічаються в навколишньому нас природі систем така, що з необмеженимзростанням температури внутрішня енергія також необмежено зростає. Цевідбувається тому, що кожна молекула або будь-який інший елемент
«Звичайної» термодинамічної системи може мати будь-яке велике значенняенергії.

При взаємодії термодинамічної системи з навколишнім середовищемвідбувається обмін енергією. При цьому можливі два різні способи передачіенергії від системи до зовнішніх тіл.

Перший спосіб передачі енергії, пов'язаний зі зміною зовнішніх параметрів,називається роботою, другий спосіб - без зміни зовнішніх параметрів --теплотою, а сам процес передачі - теплообміном. Другий спосіб можливийтільки при абсолютному нулі температури.

Кількість енергії, передане системою зі зміною її зовнішніхпараметрів, також називається роботою, а не кількістю роботи, а кількістьенергії, передане в систему без зміни її зовнішніх параметрів --кількістю теплоти. Ці способи передачі енергії не є рівноцінними,тому що витрачається робота може безпосередньо піти на збільшенняіншого виду енергії (електричної, магнітної, пружною, потенційноїенергії в поле і т.д.). Кількість теплоти без попередньогоперетворення в роботу, може піти тільки на збільшення внутрішньоїенергії системи.

Якщо система не обмінюється з навколишніми тілами ні енергією, ніречовиною, то вона ізольована або замкнута, але обмін енергії відбуваєтьсятільки теплотою; якщо ж система має обмін із зовнішнім світом, то вонавідкрита.

Перший початок термодинаміки пов'язана з законом збереження і перетворенняенергії, тобто є приватним вираженням цього закону і як багато загальнихзакони природи встановлюються дослідним шляхом і носить емпіричний характер.

Одним із доказів справедливості закону збереження енергії іпершого початку термодинаміки була експериментально встановлена Джоулів еквівалентність тепла і роботи в круговихпроцесах.

В хімічної термодинаміки (мінералогічній) з поняття механічноїроботи та роботи взагалі виключається зміна енергії тіла внаслідок йогопереміщення в просторі.

З точки зору кінетичної теорії будови матерії теплотаявляє собою мікрофізіческую форму передачі енергії. Роботаявляє собою макрофізіческую форму передачі енергії. Змінаенергії визначається початковим і кінцевим станом системи і не залежитьвід характеру протікання процесу. Іншими словами кінетична енергія - єфункція стану системи. Теплота і робота не є параметрамистану даної системи, вони не можуть бути присутніми в ній у тому чи іншомукількості. Вони з'являються при переході з одного стану в

інше. У разі постійного тиску зміни ентальпії тепла єекстенсивним параметром.

Як і внутрішня енергія, ентальпія не залежить від шляху протіканняпроцесу і визначається параметрами початкового і кінцевого стану.

Початок термодинаміки встановлює, що внутрішня енергія змінюєтьсятільки під впливом зовнішніх впливів навколишнього середовища.

Теплота, підведена до системи в ізобаріческом процесі, витрачається назміну її ентальпії. Ця властивість теплоти виявив Гесс, сформулювавшизакон, що носить його ім'я: тепловий ефект хімічної реакції не залежить відшляху процесу, а визначається лише станом кінцевих та вихідних речовин.

Тепловим ефектом хімічної реакції - це є кількість теплотищо виділяється або поглинається теплоти за таких умов:

1. система здійснює лише роботу розширення;

2. обсяг і тиск постійні;

3. температура вихідних і кінцевих продуктів однакова;

4. реакції протікають майже до кінця.

Другий закон встановлює напрямок протікання процесу, йогоглибину. Якщо система перейшла з одного стану в інший при постійнійтемпературі, отримавши (втративши) деякий кількості, то зміна ентропіївводиться інша. Властивості ентропії такі, що в довільних процесах
(що протікають без зовнішнього впливу) її збільшення більше наведеноготепла, а при рівновазі воно дорівнює наведеному тепла.

Ентропія характеризує міру марності тепла і міру безладдя всистемі. Величини зміни ентропії характеризує ту частину енергії,яку можна перетворити тільки в тепло і не можна перетворити на кориснуроботу. Система знаходиться в стійкому рівновазі, якщо зміна ентропіїдорівнює нулю.

Висновок.

Використання законів термодинаміки є необхідною складовоючастиною сучасних мінералогічних досліджень. Воно визначило успіхи ввивченні процесів кристалізації магми, закономірностей гідротермальногомінералообразованія явищ метасоматоза і метаморфізму.

З усіх термодинамічних потенціалів найбільш споживані вгеології ентальпія і потенціал Гіббса.

Ентальпія дає можливість підрахувати загальний тепловий ефект реакції припостійний тиск, визначити енергетичну вірогідність протіканняпроцесів, що йдуть за постійного тиску, температурі.

Використання термохіміі в мінералогії - розрахунок енергетичного ефектуповного процесу з урахуванням всіх що беруть участь у ньому речовин.

У природі так само можливі як екзотермічні, так і ендотермічніреакції, що є природним слідстві закону збереження енергії.

Висновок зроблений про те, що за законом зміни потенціалу Тіббса можнасудити про енергетичну вигідності тільки мимовільних геологічнихпроцесів.

Л І Т Е Р А Т У Р А

1. Навчальний посібник з курсу «ХІМІЇ», Гірська порода - термодинамічна система, Іванкова Е.А., Москва 1989 р..

2. Загальна хімія, Глінка Н.Л., видавництво «ХІМІЯ» 1977 г.