Термодинамика геохимических процессов

Геологический факультет, кафедра геохимии; к. 712, 939-20-34

Борисов Михаил Васильевич, профессор

Аннотация

Дисциплина «Термодинамика геохимических процессов» направлена на овладение современными методами исследования природных объектов и геохимических процессов на основе принципов термодинамики. Приводятся основные понятия и законы термодинамики, рассматриваются экспериментальные и расчетные методы получения и оценки термодинамических констант, обсуждается влияние температуры и давления на состояние геохимических систем, даются методики расчета и построения диаграмм состояния, анализируются современные методы расчета равновесного состава сложных геохимических систем и принципы численного моделирования на ЭВМ геохимических процессов, приводятся примеры термодинамических моделей гидротермальных, экзогенных, космохимических и технологических процессов.

На практических занятиях рассматриваются методики и способы решения конкретных геохимических задач, анализируются домашние задания. По курсу необходимо решить 14 расчетных заданий.

Контрольные вопросы

1. Возможности и ограничения термодинамики равновесных процессов при анализе природных систем.
2. Система. Типы систем. Компоненты. Фазы. Свойства систем. Законы термодинамики.
3. Энтропия. Способы определения. Методы оценки.
4. Стандартное состояние. Стандартная свободная энергия вещества. Изменение свободной энергии реакции как функции стандартной свободной энергии и текущих значений активностей.
5. Зависимость энтальпии, энтропии и свободной энергии реакции от температуры. Свободная энергия образования вещества. Учет фазовых переходов.
6. Возможные варианты приближений при расчетах зависимости константы равновесия реакции от температуры.
7. Способы представления температурной зависимости теплоемкости. Функция Шомейта.
8. Приведенная энергия Гиббса и свободная энергия Гиббса. Принцип соответствия энтропий ионов.
9. Учет влияния давления на константу равновесия. Реакции с участием твердых фаз. Возможные допущения при расчетах при повышенных Т и Р.
10. Определение константы диссоциации при условии, что изменение изотермической сжимаемости равно нулю и константе.
11. Оценка констант диссоциации при повышенных Т и Р. Основные тенденции изменения рК при повышении Т и Р.
12. Летучесть и коэффициент летучести. Экспериментальное определение. Уравнение Тэйта.
13. Методы экспериментального определения коэффициентов активности электролитов. Средний ионный коэффициент активности и коэффициенты активности индивидуальных ионов. Допущение Мак Иннеса.
14. Теория Дебая-Хюккеля. Уравнения теории Дебая-Хюккеля и пределы их применимости. Понятие о модели природного раствора.
15. Ионная сила раствора. Применимость уравнений теории Дебая-Хюккеля при повышенных температурах. Представление о среднем расстоянии сближения ионов.
16. Связь между концентрационными и термодинамическими константами равновесия. Способы эстраполяции на нулевую ионную силу.
17. Конгруэнтная и инконгруэнтная растворимость соединений. Принципиальный вид трехкомпонентной диаграммы растворимости с конгруэнтно (инконгруэнтно), растворяющимися соединениями.
18. Способы изображения составов в трехкомпонентных системах. Принципиальный вид диаграммы и анализ поведения фигуративной точки при испарении в трехкомпонентной системе с несколькими инконгруэнтно растворяющимися соединениями.
19. Устойчивость минералов как функция парциального давления газов. Возможности и ограничения при применении диаграмм парциальных давлений в геохимии.
20. Основные соотношения термодинамических функций при анализе окислительно-восстановительных реакций. Стандартный водородный потенциал. Диаграммы Eh-pH.
21. Понятие о геологической, физико-химической и математической моделях. Классификация существующих алгоритмов для расчета равновесий в многокомпонентных гетерогенных системах.
22. Исходная информация для расчета равновесий в многокомпонентных гетерогенных системах на ЭВМ. Возможности и ограничения термодинамического моделирования при анализе природных процессов.

Литература

Основная:
1. Борисов М.В., Шваров Ю.В. Термодинамика геохимических процессов. М., МГУ, 1992, 254 с.
2. Крайнов С.Р., Шваров Ю.В., Гричук Д.В....Борисов М.В. и др. Методы геохимического моделирования и прогнозирования в гидрогеологии. М., Недра, 1988, 254 с.
3. Жариков В.А. Основы физической геохимии. М., МГУ-Наука, 2005, 654 с.
4. Инструкция пользователя пакета программ HCh. МГУ, 2009. – http://www.geol.msu..ru/deps/geochems/soft/index.html

Дополнительная:
1. Карпов И.К. Физико-химическое моделирование на ЭВМ в геохимии. Новосибирск, Наука, 1981, 248 с.
2. Борисов М.В. Геохимические и термодинамические модели жильного гидротермального рудообразования. М.: Научный мир, 2000, 360 с.
3. Гричук Д.В. Термодинамические модели субмаринных гидротермальных систем. М.: Научный мир, 2000, 304 с.
4. Термодинамическое моделирование в геологии. Под ред. И.Кармайкла, Х.Ойгстера. М., Мир, 1992, 534 с.
5. Шваров Ю.В. Алгоритмизация численного равновесного моделирования динамических геохимических процессов. Геохимия, 1999, № 6,646-652.
6. Шваров Ю.В. HCh: новые возможности термодинамического моделирования геохимических систем, предоставляемые Windows//  Геохимия, 2008, № 8, 898-903.
7. Бычков А.Ю. Геохимическая модель современного рудообразования в кальдере Узон (Камчатка). М., ГЕОС, 2009, 124 с.