|
Реферат: Глаукониты Ленинградской области (Геология)
Министерство общего и профессионального образования
Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В.Плеханова
(технический университет)
К У Р С О В О Й П Р О Е К Т
По дисциплине: Историческая геология
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Тема:
Название:
Автор: студент гр. РМ-97 __________ / Коржиков Д.Ю./
(подпись) (Ф.И.О.)
Оценка: ___________
Дата: _________________
ПРОВЕРИЛ
Руководитель проекта _____________/ Михайлова Е.Д./
(подпись) (Ф.И.О.)
Санкт-Петербург
1999 год
Министерство общего и профессионального образования
Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В.Плеханова
(технический университет)
Кафедра Исторической и Динамической геологии
УТВЕРЖДАЮ
Зав. кафедрой проф. А.Х. Кагарманов
«_____»______________1999 г.
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Студенту Коржикову Д.Ю. уч. группа ___РМ-97___
(Ф.И.О.) (шифр)
Тема________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
___________________
Исходные данные__________________________________________
____________________________________________________________________________
______________________________________
Тема специальной части___________________________________
_________________________________________________________
_________________________________________________________
Требования к графической части проекта и пояснительной записке содержатся
в Методических указаниях по проектированию.
Руководитель проекта ____________________________________
(должность) (Ф.И.О.) (подпись)
Дата выдачи задания «____»_____________1999 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ.
Стр.
Введение……………………………………………………………………………………………………………
Глава I. Общая хорактеристика района.…………………………………
1. Описание района Ленинградской области……
2. Стратиграфия………………………………………………………………………
2.1. Леэтоеский горизонт O1lt…………………………………
2.2. Волховский горизонт O1vl………………………………
Глава II. Глаукониты их свойства и применение.…………
1. 1. Глауконит………………………………………………………………………………
2. Практическое приминение глауконитов…………
Глава III. Фации глауконитовых песков и глин………………
Глава IV. Термичиский анализ…………………………………………………………
Заключение…………………………………………………………………………………………………………
Список использованных источников………………………………………………
Введение.
Курсовая работа по Исторической геологии проводится с целью
ознакомления студентов с обработкой полевых материалов.
Образцы, для решения поставленной задачи (отобранные на учебно-
геологической практике в Ленинградской области(Рис.1.)), были представлены
кафедрой “Исторической и динамической геологии”. Термические иследования
образцов были проведены в лаборотории “Дифференциально Термический Анализ”
кафедры “Минералогии кристаллографии и петрографии”.
Вколлекции представленной кафедрой четыре оброзца, с двумя из
образцов проведен термический анализ для выявления каких либо различий или
сходств между ними.
[pic]
Глава I. Общая хорактеристика района.
1. Описание района Ленинградской области.
Ленинградская область расположена на южной окраине Балтийского шита, в
северо-западной части Русской платформы.
Породы кристаллического фундамента представлены гранитами,
гранитогнейсами, амфиболитами и обнажаются на Карельском перешейке.
Поверхность Балтийского щита погружается в южном направлении и
перекрывается осадочным чехлом, состоящим из отложений вендского,
палеозойского и антропогенового возраста. Рельеф фундамента осложнен
прогибами и поднятиями различного масштаба, такими, как Ладожский грабен,
Крестецкий прогиб, Локновский вал и т.д. Эти структуры обычно ограничены
разломами, по которым наблюдаются и неотектонические движения, приведшие к
образованию впадин Ладожского и Онежского озер, Финского залива. Местами
погружения фундамента достигают 3 км.
Породы осадочного чехла залегаю? На размытой поверхности фундамента и
слабо наклонены на юг и юго-восток. Строение чехла определяется, главным
образом, колебательными движениями платформы, которые сопровождались
трансгрессиями и регрессиями и обусловили отчетливо выраженную в разрезах
прерывистость осадконакопления. Осадочная толща иногда образует, пологие
складки и осложняется разрывными нарушениями, связанными как с тектоникой,
так и с ледниковой деятельностью (гляциодислокацией)
Локальные структуры палеозоя (Гатчинская, Колпикская, Красно сельская,
Сиверская и др.) схватывают площадь до 35 км . Мелкие складки можно
наблюдать на реках Поповке, Славянке, Ижоре, Саблинке и т.д.
Вдоль южного побережья Финского залива проходит крутой / береговой
уступ – глинт, прослеживающийся в восточном направлении через Пулковские
высота до р. Волхова. Глинт ограничивает с севера Ордовикское плато, в
пределах которого выделяется Ижорская возвышенность о наибольшими высотами
у ст. Можайская (горы Воронья и Ореховая). Ордовикское плато прорезается
долинами многочисленных рек, впадающих в Финский залив или являющихся
притоками р.Невы.
Приневская низменность, располагающаяся между глиптом и Карельским
перешейком, сформирована аллювиальными отложениями Невы, озерными осадками
Ладоги и морскими трансгрессиями Балтийского моря. В рельефе района,
особенно в его северной и северо-восточной частях, широкое участие
принимают ледниковые формы камовые холмы, возвышенности озов, моренные
гряды, «курчавые скалы».
2. Стратиграфия
2.1. Леэтоеский горизонт O1lt
Леэтоеский горизонт представлен глауконитовыми песчаниками и глинами,
залегающими на размытой поверхности диктионемовых сланцев или
непосредственно на оболовых песчаниках тооненской свиты. В нижней части
горизонта песчаники рыхлые, вверх по разрезу они обогащаются карбонатным
цементом и постепенно переходят в глауконитовые известняки. Значительное
количество зерен глауконита придает породам характерный зеленоватый цвет.
Органические остатки представлены раковинами замковых брахиопод,
фрагментами скелетов иглокожих и панцирями трилобитов, позволяющих
датировать возраст вмещающих отложений аренигским ярусом.
Мощность леэтсеского горизонта не превышает 2 м.
2.2. Волховский горизонт O1vl
Волховским горизонтом начинается карбонатная часть разреза ордоаика.
Слагающие горизонт известняки и доломита неоднородны по литологическому
составу и подразделяются на несколько разновидностей. В нижней части
преобладают пестро окрашенные доломитизированные глауконитовые известняки.
Выше развиты желтоватые массивные известняки с прослоями мергелей и глин.
Венчает разрез пачка переслаивания глинистых и доломитизированных
известняков.
Наиболее распространенными органическими остатками являются
головоногие моллюски, брахиоподы и трилобиты. В возрастном отношении
карбонатные породы волховского горизонта, равно как и нижележащие
(леэтсеский горизонт) и перекрывающие (кундаский горизонт) образования,
сопоставляются о аренигским ярусом нижнего ордовика.
Мощность отложений составляет от 1,5 до 6,5 м.
Глава II. Глаукониты их свойства и применение.
1. Глауконит.
ГЛАУКОНИТ (от греч. glaukos - голубовато-зеленый), сложный
калийсодержащий листоватый алюмосиликат, минерал группы гидрослюд подкласса
слоистых силикатов (К, Na, Ca).(Fe3+, Mg, Fe2+,
Al)2[(Al,Si)Si3O10](OH)2·H2O. Зеленые землистые агрегаты. Твердость 2-3;
плотность 2,2-2,9 г/см3. Широко распространен в осадочных породах.
Применяется для уменьшения жесткости воды, удобрения почв (используется для
произ-ва комплексных калийно-фосфорных удобрений), изготовления зеленой
краски защитно-зеленого цвета.
2. Практическое приминение глауконитов.
Глауконит является перспективным полезным ископаемым многопрофильного
применения. Выявлены четыре формы нахождения его в палеогеновых отложениях
пять типоморфных и три генетические разновидности (аллотигенный
дальнеприносной, аллотигенный реликтовый и аутигенный). В аутигенном
глауконите определено более 50 химических элементов, соотношения которых
отражают палеогеографические условия глауконитизации.
Глауконит - минерал, который отмечается целым комплексом уникальных
свойств.
Во-первых, благодаря особенностям кристаллической структуры,
которые предопределяют его способность к катионному обмену, глауконит
издавна использовался для смягчения воды, а позднее и для ее очистки.
Установлена высокая эффективность глауконита при очищении воды от солей
тяжелых металлов, ряда органических и неорганических составов,
радионуклидов. В частности установлено, что активированный глауконит при
фильтрации через него загрязненных вод практически полностью задерживает
состав железа и аммиака, почти на порядок понижает содержимое в воде
нефтепродуктов, в 25-50 раз понижает содержимое
радиоактивных изотопов цезия-137 и стронция-90.
Во-вторых, благодаря достаточно высокому содержимому двуокиси
калия –
6-7%, а пятиокиси фосфора - до 3%, глауконит может использоваться для
получения калийных удобрений, или как естественное удобрение без
переработки. В частности, внесение глауконитовой муки повышает урожайность
ряда зерновых культур и картофеля на 10-20%. Ведутся роботы по созданию
нового природного органо-калийно-фосфорного удобрения на основе
глауконитов.
В-третьих, благодаря насыщенной и стойкой зеленой окраске
глауконит может использоваться как естественный пигмент для производства
зеленых красок. Разработанная технология получения сухих фасадных красок из
глауконитов. Кроме этого, установлена эффективность использования
глауконита в качестве минеральной подкормки в птицеводстве, животноводстве.
при выращивании биомассы хлореллы, выращивании экологическо-чистой
продукции на загрязненных, в том числе радионуклидами, грунтах и для
некоторых иных целей.
Глава III. Фации глауконитовых песков и глин.
Среди глауконитовых фаций преобладают пески (Рис.2.) и алевриты,
иногда входящие в состав фосфоритовых конгломератов; более редки глины, но
они тоже встречаются довольно часто. Иногда глауконитовые илы обогащаются
кальцитом и в ископаемом виде представляют собой глауконитовый известняк,
обычно более или менее глинистый.
Глауконит образуется только в морских бассейнах, но зерна его
достаточно устойчивы, и поэтому во вторичном залегании они встречаются в
пресноводных и даже наземных отложениях. Вследствие этого по присутствию
одних только зерен глауконита в тех или других отложениях нельзя судить о
морском происхождении последних.
Глауконит — водный силикат железа, весьма непостоянного и сложного
состава. Почти каждый исследователь дает свою формулу; некоторые формулы
приведены в работе Л. Н. Формозовой (1949). Обычно глауконит встречается в
виде плотных массивных аморфных зерен зеленого, темнозеленого и буроватого
цвета. Примесь их придает глауконитовым породам зеленоватый цвет
(батиальный зеленый ил, глауконитовый песчаник, зеленоватый глауконитовый
ордовичский известняк).
В современных морях, по данным М. В. Кленовой (1948) и Кюнена (Kuenen,
1950), глауконитовые осадки образуются в области шельфа и верхней части
континентального склона. В абиссальной области они отсутствуют. По данным
Колле (Collet, 1908), средние глубины образования современного глауконита
от 20 до 150 м, в среднем около 70—80 м, но вероятно образование глауконита
и на меньших глубинах, около 10— 20 м. Некоторые исследователи, в том числе
Галлиер (Galliher, 1935), установили наличие глауконита на глубинах 200—400
м.
Ряд современных областей образования глауконита и многие ископаемые
месторождения связаны с сильными донными течениями. Эти течения не только
уносили все тонкие частицы, но иногда даже размывали дно, образуя
несомненные формы размыва. Они настолько ясны, что в геологической практике
(стр. 22—26) их принимали за размыв на поверхности земли. Глауконит в виде
крупных зерен входит в состав грубозернистых песков и даже
мелкогалечниковых конгломератов, часто фосфоритовых.
Весьма возможно, что в таких случаях плотные и массивные глауконитовые
зерна находятся во вторичном залегании, но ряд исследователей, в том числе
Л. Н. Формозова (1949), допускают первичное образование и здесь.
В других случаях глауконит в виде тончайшего химического осадка входит
в состав глинистых и известковых илов, образующихся, наоборот, в условиях
почти полной неподвижности, застойности водной среды. Глауконит, выделяясь
в виде тончайшего осадка, проникает в полости мельчайших организмов
фораминифер и радиолярий, заполняя их и образуя глауконитовые ядра. Такие
ядра неоднократно встречались в современных батиальных илах.
Наконец, многими исследователями принимается образование глауконита за
счет подводных вторичных замещений (гальмиролиза) различных минералов
биотита (Galliher, 1935), полевых шпатов (Takahashi, 1939). Этой точки
зрения придерживается и М. В. Кленова (1948).
В интересной и обстоятельной работе Л. Н. Формозовой (1949) приведено
краткое изложение основных гипотез образования глауконита, общим числом 44.
Она распределяет их на три группы: «... гипотезы органического, вернее,
биохимического происхождения, гипотезы замещения детритных терригенных
минералов и гипотезы химического осаждения из осадков».
Гипотезы первой группы выдвинуты Эренбергом (Ehrenberg, 1863), Мэрреем
и Ренаром (Murray and Renard, 1891), Колле (Collet, 1908). Наиболее
известные гипотезы второй группы выдвинули Кайё (Cayeux, 1892), К. Д.
Глинка (1896), Мэррей и Филиппи (Murray and Philippi, 1908), А. Е. Ферсман
(1913), Хуммель
[pic]
(Hummel, 1923) автор гальмиролиза, К. Н. Савич-Заблоцкий (1927), Галлиер
(Galliher, 1935), Така-хаши (Takahashi, 1939) и Н. И. Архангельский (1941).
Третья группа гипотез, наиболее молодая, поддерживалась Гюмбелем (Gumbel,
1886), Берпем (Berz, 1921), Голдманом (Goldman, 1919, 1922), Хаддингом
(Hadding, 1932), Александером (Alexander, 1934) и советскими учеными Л. В.
Пустоваловым (1933, 1940), М. С. Швецовым (1934), А. Я. Микеем (1936), Г.
И. Бушинским (1938), А. В. Казаковым (1947).
При чтении работы Л. Н. Формозовой (1949) создается впечатление, что
каждая из этих трех групп гипотез исключает друг друга и что единственно
правильными являются гипотезы третьей группы. Вряд ли это так.
Действительно, гипотеза химического образования объясняет наибольшее
количество фактов, но гипотезы первой и второй групп основаны на таком
количестве фактов, что и их реальность несомненна. Правильнее считать, что
хотя химические процессы в образовании глауконита и преобладают, но в ряде
случаев он образуется в результате биохимических процессов и процессов
замещения.
Как уже указывали некоторые исследователи, в образовании многих
скоплений глауконитовых зерен существенную роль играют механические
процессы, деятельность донных течений и волн. В одних случаях зерна
глауконита переносятся с места на место; в других они остаются почти на
месте, но вследствие непрерывного перекатывания получают возможность
нарастания, подобно зернам оолитов. Такой точки зрения придерживается Л. Н.
Формозова (1949) по отношению к изученному ею Кызыл-Сайскому месторождению.
Еще раз подчеркнем сходство в образовании глауконитов и фосфоритов. Для
последних известны химические, пластовые и желваковые месторождения,
связанные с вымыванием и перекатыванием. Месторождения глауконитов также
бывают пластовыми и желваковыми, точнее зерновыми, причем в образовании
второго типа месторождений такое же значение имеют механические процессы —
движения воды. Сходство образования подчеркивается и частым их совместным
нахождением.
Интересно, что в тесной связи с месторождениями глауконита нередко
встречаются битуминозные и горючие сланцы. Эта связь объясняется сходством
условий образования горючих сланцев и пластовых глауконитов.
Основное условие образования глауконита заключается в медленном
накоплении осадков и в наличии некоторого количества органических веществ.
Источником железа служат изверженные породы. Поэтому глауконит вдоль
берегов, сложенных изверженными породами, образуется в больших количествах.
Детали этого процесса до сих пор неясны, но сущность его состоит в
продолжительном взаимодействии железосодержащего ила, разлагающихся
органических веществ и кислорода, содержащегося в воде.
Присутствие органического вещества является причиной развития
глауконита в областях встречи холодных и теплых течений, где происходит
массовая гибель организмов. Такими областями являются восточное побережье
Северной Америки, у Ньюфаундленда; Игольная банка у юго-восточной Африки;
восточное побережье Японии и т. п. Таким образом, глауконит указывает: 1)
на довольно значительные глубины; 2) хорошо развитые течения и 3) медленное
накопление осадков.
Связь с областями массовой гибели животных является основной причиной
совместного нахождения глауконита с фосфоритами, хотя по своему генезису
эти два минерала не связаны друг с другом и могут образовываться
независимо.
В отложениях прошлого глауконит широко распространен. Глаукониты юрских и
нижнемеловых отложений центральной части Русской платформы детально описаны
в работе Л. И. Горбуновой (1950), носящей, в основном, минералогический
характер. Для Подмосковного бассейна она выделяет три типа этого минерала.
Первый тип — глауконит песчаных фаций, обычно связанный с мелководными
фосфоритовыми фациями. Он темнозеленого цвета и крупнозернистый.
Второй тип — глауконит более глубоководных алевритовых глин. Он имеет
менее насыщенный желто-зеленый цвет и более мелкозернист.
Третий тип — глауконит карбонатных монтморилонитовых пели-товых глин,
обладающий весьма слабой зеленовато-желтой окраской («бесцветный»), еще
более тонкозернистый. Этот тип, установленный А. В. Казаковым, описывается
впервые.
Л. И. Горбунова (1950) связывает все три типа с постепенно
увеличивающимися глубинами, но более вероятна обусловленность их морскими
течениями. Независимо от глубины, там, где течения достигают значительной
скорости, отлагается глауконит первого типа. Возможно, он представляет
собой перемытые течениями фации глауконитов второго и третьего типов.
Второй тип образуется там, где течения, хотя и развиты, но слабые. Третий
тип связан с застойными областями, в которых течения полностью отсутствуют,
чаще всего с иловыми впадинами На поверхности шельфа.
Описание глауконитовых пород и месторождений, кроме названных авторов,
дано В. С. Малышевой (1930), П. П. Пилипенко (1935), С. Д. Рабинович и Н.
В. Рснгартен (1944). Состав глауконитов описан Гендри-ксом (Hendricks,
1941) и Шнейдером (Schneider, 1927).
Глава IV. Термичиский анализ
Анализ проводился на кафедре «миниралогии кристаллографии и
петрографии», в лаборотории дифференциально-термического анализа, на
установке «АТА1» под руководством и наблюдением Смоленского В. В.
(заведующего лабороторией “ДТА”).
При подготовке образцов к Деффиренциально термическому анализу они в
начале дробились, просеивались, обрабатывались уксусной кислотой для
удоления лишних примисей которые могли бы затруднить анализ, а также проба
оделялась от породы спомощью иголочки под биналупой.
Сущность термического аналтза заключается в изучении поведения
минерала при его непосредственном нагреве. Кривые полученные при
дифференциально термическом анализе (рис.3.),(рис.4.) хорактеризуются
максимумами эндотермических и экзотермических реакций.
Эндотермические реакции – происходят с поглощением дополнительного
тепла.
Экзотермические реакции – происходят при выдилениях дополнительного
тепла.
Таблица №1. Эталонные реакции (для глауканитов).
|t°C |Реакции |
| 100 - 200°С |(-) Удаление H2O |
| 350°С |(+) Переход FeІ+ в Feі+ |
| 500 - 700°С |(-) Выдиление гидроксильной воды |
| 900 - 1000°С |(-) Выдиление второй порции воды, связанной с |
| |гидроксилами, и образование гематита |
Проведённый дифферинцеально термический анализ показал очень хорошо
заметные отличия между оброзцами, глауконитового песчаника и глауконитового
известняка, отоброных из разных толщ. Эти отличия видны на полученных
кривых (рис.3. глауконитовый песчанник и рис.4. глауконитовый известняк).
Как видно из диограм первый этап, этап выпаривания Н2О (-) при t°
100 - 200°С наблюдается в обеих пробах на обеих кривых, а далее начинаются
значительные расхождения.
На втором этапе по эталону при (+) t°350°С должен быть переход двух
волентного железа в трех волентное этот переход зафексирован только на
рисунке 3., а на рисунке 4. при t°350°С процесс проходит без каких либо
изминений, следовательно в глауконитовом известнике железо уже было
представленно в трёх волентном виде. Есть такое предположение что
глауконитовый песчаник образовался в более кислой среде чем глауконитовый
известняк.
Далее третий этап при t°500 - 700°С происходит выдиление гидроксильной
воды этот процесс присутствует на обеих кривых, но на рисунке 4 он вырожен
слабее, значит глауконитовый известняк был образован в более глинестой
среде и содержит глинистые примиси.
И наконец четвёртый заключительный этап при t° 900 - 1000°С должно
быть выделение второй порции воды, связанной с гидроксилами, и образование
гематита этот процесс отсутствует в обеих случиях, тоесть глауконит згарает
и при згарании не выделяет гематита. Но при (-) t° 800°C, как видно из
кривой на рисунке 4, происходит процесс выделения карбонатов, а на кривой
рисунка 3 этот процесс не наблюдается.
[pic]
Заключение
Реферат на тему: Горная порода - термодинамическая система
МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
МОСКОВСКИЙ ГОРНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ
Р Е Ф Е Р А Т
На тему: ГОРНАЯ ПОРОДА – ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
|Выполнил: |Студент группы СПС-2-98 Наумов |
| |С.В. |
|Проверил: |Керсанова О.Д. |
МОСКВА 1998 г.
Термодинамика ставит целью изучение физических и химических процессов
с точки зрения выявления критериев возможности или невозможности совершения
их в тех или иных конкретных условиях и предсказания предела протекания
процесса до достижения точки равновесия.
Для установления таких критериев термодинамика изучает зависимость
энергетических эффектов от условий протекания процессов и количественные
закономерности перехода энергии одной формы в другую.
Одной из важных предпосылок возможности применения методов
термодинамики в горном деле является наличие в геологических телах
генетически родственных групп минералов, закономерно сменяющих друг друга
во времени, - так называемых парагенетических ассоциаций, или парагенезисов
минералов.
Термодинамической системой называется совокупность материальных тел,
взаимодействующих между собой и с окружающей средой.
Термодинамические системы подразделяются гомогенные и гетерогенные.
К гомогенной термодинамической системе относится химический состав и
физические свойства которой одинаковы во всех ее частях или монотонно (без
скачков) изменяются от точки к точке. Примером такой системы могут служить
абсолютно чистые минералы, расплавленные и сублимированные горные породы.
Гетерогенной это такая термодинамическая система, которая состоит из
двух и более гомогенных областей. Внутри такой системы имеются поверхности
раздела фаз, при переходе через которые химический состав и физические
свойства вещества изменяются скачкообразно.
Фазой гетерогенной системы называется гомогенная область, которая может
быть отделена механическим путем.
Любая термодинамическая система состоит из одной и более компонентов.
Под компонентами понимается число химически чистых элементов, образующих
данное вещество.
Минералы и горные породы в естественном состоянии и в результате
взаимодействия на них различных физических полей могут находиться, как и
вода, в трех состояниях:
- твердое (железная руда, уголь…)
- жидкое (нефть, самородная ртуть, растворы минералов, свободная и
физически связанная вода…)
- газообразное (горючие газы…)
Состояние минералов и горных пород определяется параметрами состояния,
которые определяются на интенсивные и экстенсивные
Термодинамическими параметрами состояния относят интенсивные параметры,
которые определяют состояние термодинамической системы. Основными
термодинамическими параметрами является абсолютная температура, абсолютное
давление и удельный объём (или плотность) тела.
Температура определяет самопроизвольный переход тепла от одной точки
системы к другой.
Абсолютное да
Термодинамическая система может находиться в различных соотношениях со
средой.
Неравновесное состояние, это при котором в системе происходит или может
в любой момент начаться одностороннее направленное изменение её параметров
может вследствие несоответствия их с параметрами состояния среды.
Своеобразной разновидностью неравновесного является стандартное
(установившиеся) состояние. В нем система находится как бы в покое, без
видимого изменения её параметров благодаря воздействию внешних по отношению
к данной системе процессов.
Равновесным является такое состояние системы, при котором действие
процессов внутри системы приводит к её выходу из равновесия, полностью
компенсируется противодействием процессов, идущих во внешней среде.
Необходимым условием равновесия является равенство соответствующих
интенсивных параметров и химических потенциалов компонентов во всех частях
системы. Существуют различные виды равновесных состояний:
- стабильная, при которой система устойчива как к бесконечно малым,
так и к конечным изменениям параметров её состояния, т.е. для вывода
системы из равновесия необходимо затратить работу
- устойчивое
- подвижное (мобильное)
- неустойчивое (лабильное)
Таким образом, если хотя бы один из параметров состояния изменяется, то
изменяется и состояние системы, т.е. происходит термодинамический процесс,
который представляет совокупность изменяющихся состояний. Термодинамические
процессы разделяются на равновесные и неравновесные.
Равновесные это такие процессы, при которых система переходит
последовательно из одного состояния равновесия в другое. Под системой
равновесия термодинамической системы понимается такое состояние, к которому
она стремится, принимая при этом минимальные значения общей энергии. В
состоянии равновесия параметры системы при отсутствии внешнего воздействия
остаются постоянными.
Неравновесные это такие процессы, которые не сопровождаются состоянием
равновесия. Для этих процессов характерно, что различные части системы
имеют различные термодинамические параметры. Равновесное состояние является
предельным случаем неравновесного состояния, если скорость стремится к
нулю.
Теоретически все термодинамические процессы являются неравновесными,
практически многие из них можно считать равновесными с определенным
приближением.
Если при равновесном процессе температура системы остается постоянной,
то такой процесс называется изотермическим. Примером такого процесса
является хранение сжиженных газов в подземных хранилищах.
Равновесный процесс, при котором постоянным является давление,
называется изобарическим (изобарным). Примером изобарного процесса является
подземная газификация подземного топлива, когда за счет горного давления и
давление воздуха, нагнетаемого в пласт угля, общее давление в газовых
продуктах сгорания остается постоянным.
Если при равновесном процессе остается постоянным объем, то такой
процесс называется изохорным. Примером изохорного процесса служит
термическое и электротермическое дробление крупных габаритов горных пород.
Если при равновесном процессе отсутствует теплообмен системы с
окружающей средой, то такой процесс называется адиабатическим (адиабатным).
В природе таких процессов не существует.
Процессы могут быть обратимые и необратимые. Если термодинамическая
система возвращается в исходное состояние, то такой процесс обратимый.
Если при обратном процессе система не возвращается в исходное
состояние, то такой процесс называется необратимый. Практически все
процессы в природе являются необратимыми. Любой необратимый процесс можно
сделать обратимым за счет внешнего воздействия, при этом в окружающей
системе внешней среды произойдут необратимые изменения.
Все необратимые процессы происходят до тех пор, пока не установится
равновесие системы, а свидетельствует о том, что работа совершается
системой только в том случае, если ею не достигнуто равновесное состояние.
В равновесном состоянии термодинамическая система не совершает работу над
окружающей средой.
Наиболее распространенными в процессах минералообразования, как и
вообще в природе, являются открытые системы, которые могут обмениваться со
средой энергией и веществом.
Очень редкие закрытые системы, материально изолированные от внешней
среды, но свободно обмениваются с ней энергией.
Если некоторые параметры системы меняются со временем, то мы говорим,
что в такой системе происходит процесс. Если система выведена из состояния
равновесия и представлена самой себе, то согласно первому исходному
положению термодинамики через некоторое время она снова придет к исходному
равновесному состоянию. Этот процесс перехода системы из неравновесного
состояния в равновесное состояние называется релаксацией, а промежуток
времени, в течении которого система возвращается в исходное состояние
равновесия, называется временем релаксации. Для разных процессов время
релаксации различно: от 10-16 для установления равновесного давления в
газе до нескольких лет при выравнивании концентрации в твердых сплавах.
Процесс называется равновесным или квазистатическим, если все параметры
системы меняются физически бесконечно медленно, так что система все время
находится в равновесном состоянии.
Вся термодинамическая система состоит из огромного числа частиц.
Энергия этих непрерывно движущихся и взаимодействующих частиц называется
энергией системы.
Полная энергия системы разделяется на внешнюю и внутреннюю. Во внешнюю
энергию входят энергия движения системы как целого и потенциальная энергия
системы в поле сил. Вся остальная часть энергии системы называется её
внутренней энергией.
В термодинамике не рассматривается движение системы как целого и
изменение её потенциальной энергии при таком движении, поэтому энергией
системы является её внутренняя энергия. Внутренняя энергия является
внутренним параметром и, следовательно, при равновесии зависит от внешних
параметров: квазистатических изменений и от температуры.
Зависимость внутренней энергии от температуры почти у всех
встречающихся в окружающей нас природе систем такова, что с неограниченным
ростом температуры внутренняя энергия также неограниченно растет. Это
происходит потому, что каждая молекула или какой-либо другой элемент
«обычной» термодинамической системы может иметь любое большое значение
энергии.
При взаимодействии термодинамической системы с окружающей средой
происходит обмен энергией. При этом возможны два различных способа передачи
энергии от системы к внешним телам.
Первый способ передачи энергии, связан с изменением внешних параметров,
называется работой, второй способ – без изменения внешних параметров –
теплотой, а сам процесс передачи – теплообменом. Второй способ возможен
только при абсолютном нуле температуры.
Количество энергии, переданное системой с изменением её внешних
параметров, также называется работой, а не количеством работы, а количество
энергии, переданное системе без изменения её внешних параметров –
количеством теплоты. Эти способы передачи энергии не являются равноценными,
так как затрачиваемая работа может непосредственно пойти на увеличение
другого вида энергии (электрической, магнитной, упругой, потенциальной
энергии в поле и т.д.). Количество теплоты без предварительного
преобразования в работу, может пойти только на увеличение внутренней
энергии системы.
Если система не обменивается с окружающими телами ни энергией, ни
веществом, то она изолированная или замкнутая, но обмен энергии происходит
только теплотой; если же система имеет обмен с внешним миром, то она
открытая.
Первое начало термодинамики связано с законом сохранения и превращения
энергии, т.е. является частным выражением этого закона и как многие общие
законы природы устанавливаются опытным путем и носит эмпирический характер.
Одним из доказательств справедливости закона сохранения энергии и
первого начала термодинамики была экспериментально
установленная Джоулем эквивалентность тепла и работы в круговых
процессах.
В химической термодинамике (минералогической) из понятия механической
работы и работы вообще исключается изменение энергии тела вследствие его
перемещения в пространстве.
С точки зрения кинетической теории строения материи теплота
представляет собой микрофизическую форму передачи энергии. Работа
представляет собой макрофизическую форму передачи энергии. Изменение
энергии определяется начальным и конечным состоянием системы и не зависит
от характера протекания процесса. Иными словами кинетическая энергия – есть
функция состояния системы. Теплота и работа не являются параметрами
состояния данной системы, они не могут присутствовать в ней в том или ином
количестве. Они появляются при переходе из одного состояния в
другое. В случае постоянного давления изменения энтальпии тепла является
экстенсивным параметром.
Как и внутренняя энергия, энтальпия не зависит от пути протекания
процесса и определяется параметрами начального и конечного состояния.
Начало термодинамики устанавливает, что внутренняя энергия изменяется
только под влиянием внешних воздействий окружающей среды.
Теплота, подведенная к системе в изобарическом процессе, расходуется на
изменение её энтальпии. Это свойство теплоты обнаружил Гесс, сформулировав
закон, носящий его имя: тепловой эффект химической реакции не зависит от
пути процесса, а определяется лишь состоянием конечных и исходных веществ.
Тепловым эффектом химической реакции – это есть количество теплоты
выделяемой или поглощаемой теплоты при следующих условиях:
1. система совершает только работу расширения;
2. объем и давление постоянны;
3. температура исходных и конечных продуктов одинакова;
4. реакции протекают почти до конца.
Второе начало устанавливает направление протекания процесса, его
глубину. Если система перешла из одного состояния в другое при постоянной
температуре, получив (потеряв) некоторое количества, то изменение энтропии
вводится другая. Свойства энтропии таковы, что в произвольных процессах
(протекающих без внешнего воздействия) её приращение больше приведенного
тепла, а при равновесии оно равно приведенному теплу.
Энтропия характеризует меру бесполезности тепла и меру беспорядка в
системе. Величена изменения энтропии характеризует ту часть энергии,
которую можно превратить только в тепло и нельзя превратить в полезную
работу. Система находится в устойчивом равновесии, если изменение энтропии
равно нулю.
Заключение.
Использование законов термодинамики является необходимой составной
частью современных минералогических исследований. Оно определило успехи в
изучении процессов кристаллизации магм, закономерностей гидротермального
минералообразования явлений метасоматоза и метаморфизма.
Из всех термодинамических потенциалов наиболее употребительны в
геологии энтальпия и потенциал Гиббса.
Энтальпия дает возможность подсчитать общий тепловой эффект реакции при
постоянном давлении, определить энергетическую вероятность протекания
процессов, идущих при постоянном давлении, температуре.
Использование термохимии в минералогии – расчет энергетического эффекта
полного процесса с учетом всех участвующих в нем веществ.
В природе равно возможны как экзотермические, так и эндотермические
реакции, что является естественным следствии закона сохранения энергии.
Вывод сделан о том, что по закону изменения потенциала Тиббса можно
судить об энергетической выгодности только самопроизвольных геологических
процессов.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Учебное пособие по курсу «ХИМИИ», Горная порода – термодинамическая
система, Иванкова Е.А., Москва 1989 г..
2. Общая химия, Глинка Н.Л., издательство «ХИМИЯ» 1977 г.
| |
