Гірська порода – термодинамічна система

МІНІСТЕРСТВО СПІЛЬНОГО І ПРОФЕСІЙНОГО ОБРАЗОВАНИЯ.

РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦИИ.

МОСКОВСЬКИЙ ГІРСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ИНСТИТУТ.

Р Є Ф Є Р, А Т.

На тему: ГІРСЬКА ПОРОДА — ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА.

|Виконав: |Студент групи СПС-2−98 Наумов | | |С.В. | |Перевірив: |Керсанова О.Д. |.

МОСКВА 1998 г.

Термодинаміка ставить за мету вивчення фізичних і хімічних процесів з погляду виявлення критеріїв можливості або неможливості скоєння в тих чи інших умовах і передбачення краю перебігу процесу до точки равновесия.

Для встановлення таких критеріїв термодинаміка вивчає залежність енергетичних ефектів та умовами перебігу процесів ці закономірності переходу енергії однієї форми в другую.

Однією із поважних передумов можливість застосування методів термодинаміки у справі є у геологічних тілах генетично родинних груп мінералів, закономірно сменяющих одне одного у часі, — про парагенетических асоціацій, чи парагенезисов минералов.

Термодинамической системою називається сукупність матеріальних тіл, взаємодіючих між собою й оточуючої средой.

Термодинамические системи поділяються гомогенні і гетерогенные.

До гомогенної термодинамической системі належить хімічний склад парламенту й фізичні властивості якої однакові у всіх її частинах чи монотонно (без стрибків) змінюються від точки до точки. Прикладом такої системи можуть бути абсолютно чисті мінерали, розплавлені і сублимированные гірські породы.

Гетерогенної це такий термодинамическая система, що складається з двох і більше гомогенних областей. Усередині такої системи є поверхні розділу фаз, під час переходу якими хімічний склад парламенту й фізичні властивості речовини змінюються скачкообразно.

Фазою гетерогенної системи називається гомогенна область, яка може бути відділена механічним путем.

Будь-яка термодинамическая система складається з однієї й більш компонентів. Під компонентами розуміється число хімічно чистих елементів, їхнім виокремленням дане вещество.

Мінерали й гірські породи у природній стані й результаті взаємодії ними різних фізичних полів можуть бути, як і вода, у трьох состояниях:

— тверде (залізна руда, уголь…).

— рідке (нафту, самородна ртуть, розчини мінералів, вільна робота як фізично пов’язана вода…).

— газоподібне (горючі газы…).

Стан мінералів і безпеку гірничих порід визначається параметрами стану, визначених на інтенсивні і экстенсивные.

Термодинамическими параметрами стану відносять інтенсивні параметри, які визначають стан термодинамической системи. Основними термодинамическими параметрами є цілковита температура, абсолютне тиск і питома обсяг (чи щільність) тела.

Температура визначає мимовільний перехід тепла від однієї точки системи до другой.

Абсолютна да.

Термодинамическая система може у різних співвідношеннях зі средой.

Неравновесное стан, це з якому системі відбувається чи може будь-якої миті розпочатися одностороннє спрямоване зміна її параметрів може внаслідок невідповідності його з параметрами стану среды.

Своєрідною різновидом неравновесного є стандартне (що встановилися) стан. У ньому система перебуває як у спокої, без видимого зміни її параметрів завдяки впливу зовнішніх стосовно до системи процессов.

Равновесным є така стан системи, у якому дію процесів всередині системи призводить до її виходу з рівноваги, повністю компенсується протидією процесів, які йдуть у зовнішній среде.

Необхідною умовою рівноваги є рівність відповідних інтенсивних параметрів і хімічних потенціалів компонентів в усіх галузях системи. Є різноманітні види рівноважних состояний:

— стабільна, коли він система стійка як до нескінченно малим, і до кінцевим змін параметрів її стану, тобто. висновку системи з рівноваги необхідно затратити работу.

— устойчивое.

— рухливий (мобильное).

— збаламучену (лабильное).

Отже, якщо хоча один із параметрів стану змінюється, то змінюється й загальний стан системи, тобто. відбувається термодинамічний процес, що робить сукупність змінюються станів. Термодинамические процеси поділяються на равновесные і неравновесные.

Равновесные це такі процеси, у яких система переходить послідовно вже з стану рівноваги до іншого. Під системою рівноваги термодинамической системи розуміється такий стан, якого хоче, приймаючи у своїй мінімальні значення загальної енергії. У стані рівноваги параметри системи за відсутності зовнішнього впливу залишаються постоянными.

Неравновесные це такі процеси, які супроводжуються станом рівноваги. Для цих процесів характерно, що різні частини системи мають різні термодинамические параметри. Рівноважний стан є граничним випадком неравновесного стану, якщо швидкість прагне нулю.

Теоретично усе термодинамические процеси неравновесными, практично чимало їх вважатимуться равновесными з певним приближением.

Якщо за равновесном процесі температура системи залишається постійної, такий процес називається изотермическим. Прикладом такого процесу є зберігання скраплених газів у підземних хранилищах.

Рівноважний процес, у якому постійним є тиск, називається изобарическим (изобарным). Прикладом изобарного процесу є підземна газифікація підземного палива, коли, використовуючи рахунок гірського тиску і тиск повітря, нагнетаемого в пласт вугілля, загальне тиск у газових продуктах згоряння залишається постоянным.

Якщо за равновесном процесі постійний обсяг, такий процес називається изохорным. Прикладом изохорного процесу служить термічне і электротермическое роздрібнення великих габаритів гірських пород.

Якщо за равновесном процесі відсутня теплообмін системи з довкіллям, такий процес називається адиабатическим (адиабатным). У природі таких процесів не существует.

Процеси може бути оборотні та незворотні. Якщо термодинамическая систему повертають у вихідне стан, такий процес обратимый.

Якщо за зворотному процесі система має не повертається у вихідне стан, такий процес називається необоротний. Практично всі процеси у природі є необоротними. Будь-який незворотної ситуації можна зробити оборотним з допомогою зовнішнього впливу, причому у оточуючої системі довкілля відбудуться необоротні изменения.

Усі незворотні процеси відбуваються до того часу, доки встановиться рівновагу системи, а свідчить у тому, робота відбувається системою в тому разі, коли нею що немає рівноважний стан. У равновесном стані термодинамическая система має не робить роботу над оточуючої средой.

Найпоширенішими у процесах минералообразования, як і загалом у природі, є відкриті системи, що потенційно можуть обмінюватися зі середовищем енергією і веществом.

Дуже рідкісні закриті системи, матеріально ізольовані від зовнішньої середовища, але вільно обмінюються із нею энергией.

Якщо деякі параметри системи змінюються згодом, ми говоримо, що у такій системі відбувається процес. Якщо цю систему виведено із стану рівноваги і подана сама собі, відповідно до першому вихідному становищу термодинаміки кілька днів вона знову вихідному рівноважному стану. Цей процес відбувається переходу системи з неравновесного стану в рівноважний стан називається релаксацією, а проміжок часу, протягом якого систему повертають у вихідне стан рівноваги, називається часом релаксації. Для різних процесів час релаксації різна: від 10−16 задля встановлення рівноважного тиску в газі за кілька років при вирівнювання концентрації твердих сплавах.

Процес називається равновесным чи квазистатическим, коли всі параметри системи змінюються фізично нескінченно повільно, отже система постійно перебуває у равновесном состоянии.

Уся термодинамическая система складається з величезної кількості частинок. Енергія цих безупинно рухомих і взаємодіючих частинок називається енергією системы.

Повна енергія системи поділяється на зовнішню і внутрішню. У зовнішню енергію входять енергія руху системи як цілого й потенційна енергія системи на полі сил. Уся решта енергії системи називається її внутрішньої энергией.

У термодинаміці не розглядається рух системи як цілого й зміна її потенційної енергії в такому русі, тому енергією системи є її внутрішня енергія. Внутрішня енергія є внутрішнім параметром і, отже, при рівновазі залежить від зовнішніх параметрів: квазистатических змін від температуры.

Залежність внутрішньої енергії від температури майже в усіх можна зустріти у навколишній нас природі систем така, що з необмеженим зростанням температури внутрішня енергія також необмежено зростає. Це тому, кожна молекула чи якийсь інший елемент «звичайній» термодинамической системи може мати будь-яка велика значення энергии.

При взаємодії термодинамической системи з довкіллям відбувається обмін енергією. У цьому можливі два різних способи передачі енергії не від системи до зовнішніх телам.

Перший спосіб передачі енергії, пов’язана із зміною зовнішніх параметрів, називається роботою, другий спосіб — без зміни зовнішніх параметрів — теплотою, а процес передачі - теплообменом. Другий спосіб може бути лише за абсолютному нулі температуры.

Кількість енергії, передане системою зі зміною її зовнішніх параметрів, також називається роботою, а чи не кількістю роботи, а кількість енергії, передане системі без зміни її зовнішніх параметрів — кількістю теплоти. Ці засоби передачі енергії є рівноцінними, оскільки затрачиваемая робота може безпосередньо вдатися до збільшення іншого виду енергії (електричної, магнітної, пружною, потенційної енергії на полі тощо.). Кількість теплоти без попереднього перетворення на роботу, йтися лише з збільшення внутрішньої енергії системы.

Якщо цю систему не обмінюється з оточуючими тілами ні енергією, ні речовиною, вона ізольована чи замкнута, але обмін енергії відбувається лише теплотою; Якщо ж система має обмін з зовнішнім світом, вона открытая.

Перше початок термодинаміки пов’язані з законом збереження та перетворення енергії, тобто. є приватною вираженням цього законом і як багато загальні закони природи встановлюються дослідним шляхом і має емпіричний характер.

Однією з доказів справедливості закону збереження енергії і першого початку термодинаміки була експериментально встановлена Джоулем еквівалентність тепла та роботи у кругових процессах.

У хімічної термодинаміці (мінералогічній) з поняття механічної праці та роботи взагалі виключається зміна енергії тіла внаслідок його переміщення в пространстве.

З погляду кінетичною теорії будівлі матерії теплота є микрофизическую форму передачі енергії. Робота є макрофизическую форму передачі енергії. Зміна енергії визначається початковим і кінцевим станом системи та залежною від характеру перебігу процесу. Інакше кажучи кінетична енергія — є функція стану системи. Теплота і є параметрами стану даної системи, вони можуть бути присутнім на нею тому чи іншому кількості. Вони під час переходу вже з стану в другое. Що стосується постійного тиску зміни энтальпии тепла є екстенсивним параметром.

Як вона та внутрішня енергія, энтальпия залежить від шляху перебігу процесу визначається параметрами початкового й кінцевого состояния.

Початок термодинаміки встановлює, що внутрішня енергія змінюється тільки під впливом зовнішніх впливів оточуючої среды.

Теплота, підведена до системи в изобарическом процесі, витрачається зміна її энтальпии. Це властивість теплоти виявив Гесс, сформулювавши закон, який його ім'я: парниковий ефект хімічної реакції залежить від шляху процесу, а визначається лише станом кінцевих і вихідних веществ.

Тепловим ефектом хімічної реакції - це є кількість теплоти виділеної чи поглощаемой теплоти при наступних условиях:

1. система робить тільки роботу расширения;

2. об'єм і тиск постоянны;

3. температура вихідних і кінцевих продуктів одинакова;

4. реакції протікають майже конца.

Друге початок встановлює напрям перебігу процесу, його глибину. Якщо цю систему перейшла вже з стану до іншого при постійної температурі, отримавши (втративши) деяке кількості, то зміна ентропії вводиться інша. Властивості ентропії такі, що у довільних процесах (що відбуваються без зовнішнього впливу) її прирощення більше наведеного тепла, а при рівновазі воно одно наведеній теплу.

Ентропія характеризує міру марності тепла й вищу міру безладдя в системі. Величена зміни ентропії характеризує ті частини енергії, що можна перетворити лише у тепла і не можна перетворити на корисну роботу. Система перебуває у усталеному рівновазі, якщо зміна ентропії одно нулю.

Заключение

.

Використання законів термодинаміки є необхідною складовою частиною сучасних мінералогічних досліджень. Воно визначило успіхи у вивченні процесів кристалізації магм, закономірностей гидротермального минералообразования явищ метасоматоза і метаморфизма.

З усіх термодинамічних потенціалів найбільш уживані в геології энтальпия і потенціал Гиббса.

Энтальпия дає можливість підрахувати загальний парниковий ефект реакції при постійному тиску, визначити енергетичну ймовірність перебігу процесів, які йдуть при постійному тиску, температуре.

Використання термохимии в мінералогії - розрахунок енергетичного ефекту повного процесу з урахуванням інтересів усіх що у ньому веществ.

У природі одно можливі як экзотермические, і эндотермические реакції, що є природним слідстві закону збереження энергии.

Висновок зроблено у тому, що за законом зміни потенціалу Тиббса можна судити про енергетичної вигідності лише самовільних геологічних процессов.

Л І Т Є Р, А Т У Р А.

1. Навчальний посібник за курсом «ХІМІЇ», Гірська порода — термодинамическая система, Іванкова Е.А., Москва 1989 г.

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