Горная порода - термодинамическая система

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.