Основні поняття і закони хімічної термодинаміки.

Для того щоб зрозуміти, які сили рухають геохімічним процесом, потрібно звернутися до поняття енергія. Енергія – це все навколо нас; маса речовини – це акумульована енергія і тільки частина її трансформується під час хімічних перетворень. Такі трансформації енергії описуються термодинамікою.

Поняття енергія у нас звичайно асоціюється із температурою. Температура як властивість навколишного середовища і нас самих відома нам завжди на фізіологічному рівні. Таке розуміння відображається у визначенні, відомому нам із курсу фізики: "температура" - це міра нагрітості тіла і фактично є прийнятим у термодинаміці. За нульовий рівень нагрітості прийнято абсолютний нуль Кельвіна (–273.15°C), як одиницю виміру - градус Цельсія.

Друге поняття - теплота, традиційно в розмовній мові також пов'язується із температурою. Це є помилковим уявленням. "Температура" і "теплота" відносяться до різних категорій. Теплота - це форма передачі енергії, а форму передачі не вимірюють, а визначають. Можна виміряти тільки кількість переданої енергії. Виявляється, поняття теплоти ми не можемо вивести без попереднього обговорення того, що ми розуміємо під терміном "енергія". Але дати точне визначення енергії досить важко. В науці, особливо в природничій, багато термінів несуть змістовне навантаження, але не можуть бути чітко сформульовані. Енергію можна виразити кількісно ( в джоулях (Дж) чи калоріях (кал)) і для спеціалістів цього достатньо. Нам же перш за все потрібно зрозуміти зміст цього поняття. Енергію можна було б визначити, як здатність системи здійснювати роботу над навколишнім середовищем або ж здатність навколишнього середовища здійснювати роботу над системою, але ми ще не формулювали, що ми розуміємо під поняттями "робота" і "система". Можна висловитись більш конкретно: енергія - це міра матеріального руху в усіх його проявах. Але таке формулювання мало зрозуміле.

Тому просто будемо вважати, що будь-які зміни можуть здійснюватись тільки в результаті перерозподілу енергії. Тобто енергія виступає як свідчення, і як кількісно оцінюваний фактор будь-яких змін. Зміни можуть бути самі різні і здійснюватись різними способами: можна деформувати, нагрівати, охолоджувати, намагнічувати, електризувати тіла, заставляти їх текти, пропускати через них тепло, електричний струм і т.п. Внаслідок обміну енергією речовина (мінерал, порода, розчин) переходять із одного стану в інший. Нам потрібно навчитись оцінювати і вираховувати цей фактор і з його допомогою розшифровувати можливі шляхи формування і перетворення мінералів.

С

Геохімічна система описується законами

• Хімічної термодинаміки

• Рівноважної

• Нерівноважної

• Хімічної кінетики

• Теорії тепломасопереносу

Опис геохімічної системи

• Феноменологічний

• Термодинамічний

• Кінетичний

• Динамічний

аме перетворення енергії в речовині літосфери є як причиною так і наслідком всіх геохімічних процесів. Енергія в таких процесах може набувати багатьох форм – тепла, гравітаційної, кінетичної, електромагнітної, хімічної, що можуть трансформуватися одна в іншу.

Для того щоб використовувати закони термодинаміки в геохімії ми повинні навчитися абстрагуватися, виділяти головне в тому об’єкті, що досліджуємо, виділяти геохімічну систему. Геохімічна система – складова частина певного процесу. Процес - це зміна, перетворення того, що існувало ( мінерал, породу, розчин, розплав і т.п.) в новий об'єкт. Процес супроводжується потоками енергії. Передача енергії, в тому числі тепла, може здійснюватись тільки конкретно: від одного об’єкту до іншого, у певну масу (об’єм) речовини або назовні, від неї. Тому необхідно ввести поняття "система".

Система - сукупність матеріальних тіл, що мають границю поділу із навколишнім середовищем. Необхідно розділяти поняття «природна система» та «термодинамічна система». Природна система (для нас геологічна чи геохімічна) звичайно географічно локалізована, має певні розміри (сотні метрів чи кілометрів) на поверхні і на глибину і складена різноманітними комбінаціми порід, мінералів, флюїдів. Ми говоримо, що процес відбувається в системі і можемо передбачити майбутній стан системи. Для природних систем ми можемо дати характеристику швидкості процесу, повільно чи швидко змінюється температура, рухаються флюїди, відбуваються мінеральні перетворення.

Коли ж ми вивчаємо термодинаміку природних процесів, що перш за все ґрунтується та розрахункових моделях і спрямована на краще розуміння геологічної системи, то співвідносимо розрахунки не із реальною системою, що є нескінченно складною, а із термодинамічною моделлю реальної системи – термодинамічною системою. Термодинаміка оперує потоками енергії в систему або із системи через її границю.

Рис. 3.1. Модель прибережної зони моря. Показане розміщення трьох, описаних в тексті, природних систем.

Ця границя може бути природною, але частіше ми її проводимо умовно, тобто поняття системи визначається конкретним завданням, що стоїть перед дослідником. Для прикладу, розглянемо прибережну зону моря, схематично зображену на рис. 3.1. Ми можемо розглядати її як єдину систему, або ж поділити на ряд простих систем, деякі із яких виділені на рисунку. Система (а) охоплює повітря над водою та верхній шар морської води і може бути виділена, якщо ми цікавимося газообміном між океаном і атмосферою (для прикладу нам потрібна відповідь на питання – скільки CO₂ виділиться в атмосферу, якщо морська вода нагріється на 1°C?). Система (b) включає тільки морську воду і бде нас цікавити, якщо ми будемо розглядати зміни складу морської води (наприклад, реакції між розчиненими компонентами, що приносяться із континенту і океанічною водою). Система (с) виділятиметься нами для розгляду діагенезу - процесів взаємодії осаду на морському дні із розчином, що міститься між мінеральними частинками осаду. Варто звернути увагу, що в усіх описаних випадках система на рисунку обмежена кубом, для її опису розмір куба не істотний. Ми описуємо систему через масу або молі компонентів в системі, кількість яких може змінюватися через границі із оточенням системи.