Теплоємність

Теплоємність – кількість теплоти, потрібна для того, щоб збільшити температуру речовини на 1 градус. Ця теплота визначається при постійному об’ємі C_V або ж при постійному тиску C_P.

Третій закон термодинаміки (постулат Планка): ентропія правильно утвореного кристалу чистої речовини при абсолютному нулі (-273.15°С) дорівнює нулю.

У визначенні Д.В.Ґібса третій закон термодинаміки формулюється наступним чином:

Абсолютна ентропія любої речовини складається із двох частин:

• Конфігуративна ентропія (S_c), що залежить від кількості атомів в системі та їх взаємного розміщення в просторі. Чим складніша система, тим більша невизначеність її стану, тим більша ентропія. Збільшення сортів атомів веде до зростання ентропії. Зростання варіантів взаємного розміщення різних атомів (зростання невпорядкованості системи) також призводить до зростання ентропії. Конфігуративна ентропія – ентропія невпорядкованості.

• Теплова (калориметрична) ентропія (S_T). Атом, що знаходиться в вузлі гратки, безперервно коливається (осцилює) навколо свого рівноважного стану. Амплітуда та напрямок осциляцій залежить від температури та сорту атома; амплітуда осциляцій зростає із температурою. Збільшення температури призводить до зростання невизначеності стану системи – зростання ентропії.

Вільна енергія Ґібса – енергія хімічних зв’язків, кристалічної гратки, енергії, затраченої на впорядкування, енергії дефектів структури, поверхневої енергії

5.Охарактеризуйте основні типи геохімічних процесів за участю водних розчинів, наведіть приклади(див.лекція 6)

6.Поведінка хімічних елементів в ході об’ємного розчинення

7.Поведінка хімічних елементів в ході фракційного розчинення (плавлення)

8.Поведінка хімічних елементів у процесі Релєївської кристалізації

9.Поняття геохімічного резервуару; основні характеристики геохімічного резервуару.Охарактеризуйте декілька типів геохімічних резервуарів.(див. лекція 15)

10.Поясніть зміну вільної енергії за формування твердих розчинів

11.Поясніть значення Великого вибуху для розуміння розподілу хімічних елементів у Всесвіті

Початок всього – Великий Вибух (13.75±0.15 млрд. років тому)

Великий вибух (англ. Big Bang) - космологічна теорія початку розширення Всесвіту, перед яким Всесвіт знаходився в сингулярному стані.

За сучасними уявленнями, спостережуваний нами зараз Всесвіт виник з деякого початкового "сингулярного" стану і відтоді безперервно розширюється і охолоджується.

Екстраполяція спостережуваного розширення Всесвіту назад в часі приводить при використанні загальної теорії відносності і деяких інших альтернативних теорій гравітації до нескінченної щільності і температури в кінцевий момент часу у минулому. Більше того, теорія не дає ніякої можливості говорити про що-небудь, що передувало цьому моменту (тому, що наша математична модель простору-часу у момент Великого вибуху втрачає застосовність: при цьому теорія зовсім не заперечує можливість існування чого-небудь до Великого вибуху), а розміри Всесвіту тоді дорівнювали нулю - вона була стиснена в точку. Цей стан називається космологічною сингулярностью і сигналізує про недостатність опису Всесвіту класичною загальною теорією відносності. Наскільки близько до сингулярности можна екстраполювати відому фізику, є предметом наукових дебатів, але практично загальноприйнято, що допланківскую епоху розглядати відомими методами не можна. Багато учених напівжартома-напівсерйозно називають космологічну сингулярность "народженням" (чи "створенням") Всесвіту. Неможливість уникнення сингулярности в космологічних моделях загальної теорії відносности була доведена разом з іншими теоремами про сингулярності Р. Пенроузом і С. Хокингом у кінці 1960-х років. Її існування є одним із стимулів побудови альтернативних і квантових теорій гравітації, які прагнуть вирішити цю проблему.

Згідно з відомими обмеженнями по застосовності сучасних фізичних теорій, найбільш раннім моментом, що допускає опис, вважається момент планківської епохи з температурою приблизно 1032 K (Планківська температура) і щільністю близько 1093 г/см³ (Планківська щільність). Ранній Всесвіт був високооднорідним і ізотропним середовищем з надзвичайно високою щільністю енергії, температурою і тиском. В результаті розширення і охолодження у Всесвіті сталися фазові переходи, аналогічні конденсації рідини з газу, але стосовно елементарних часток.

Приблизно через 10 − 35 секунд після настання планківської епохи (Планківський час - 10 − 43 секунд після Великого вибуху, в цей час гравітаційна взаємодія відокремилася від інших фундаментальних взаємодій) фазовий перехід викликав експоненціальне розширення Всесвіту. Цей період дістав назву Космічної інфляції. Після закінчення цього періоду будівельний матеріал Всесвіту був кварк-глюонною плазмою. Із часом температура впала до значень, при яких став можливий наступний фазовий перехід, званий баріогенезисом. На цьому етапі кварки і глюони об'єдналися в баріони, такі як протони і нейтрони. При цьому одночасно відбувалося асиметричне утворення як матерії, яка переважала, так і антиматерії, які взаємно анігілювали, перетворюючись на випромінювання.

Подальше падіння температури привело до наступного фазового переходу - утворення фізичних сил і елементарних часток в їх сучасній формі. Після чого наступила епоха нуклеосинтезу, при якій протони, об'єднуючись з нейтронами, утворили ядра дейтерію, гелия- 4 і ще декількох легких ізотопів. Після подальшого падіння температури і розширення Всесвіту наступив перехідний момент, при якому гравітація стала домінуючою силою. Через 380 тисяч років після Великого вибуху температура знизилася настільки, що стало можливим існування атомів водню (до цього процеси іонізації і рекомбінації протонів з електронами знаходилися в рівновазі).

Після ери рекомбінації матерія стала прозорою для випромінювання, яке, вільно поширюючись в просторі, дійшло до нас у вигляді реліктового випромінювання.

Ядра гідрогену. гелію та декількох легких ізотопів утворилися в першу хвилину Великого Вибуху.

Подальший ряд хімічних елементів від C до Fe формується шляхом термоядерного синтезу в надрах зірок. Витрачання атомів певного елементу в ході термоядерних геакцій прийнято називати горінням (наприклад, горіння гідрогену, гелію, карбону і т.п.)

12.Поясніть, чому на кривій поширення елементів спостерігаються виразні максимуми групи Fe

13.Поясніть, чому на кривій поширення елементів спостерігаються виразні максимуми C і O

14.Поясніть, чому поширення хімічних елементів у Всесвіті зменшується з ростом заряду ядра

15.Принцип збереження маси в геохімічних процесах

Процеси звітрювання – це поєднання диференціації і змішування. Змішування порід і водних розчинів призводить до руйнування граніту і формування кварц-глинистого осаду, що співіснує із водним розчином, в якому знаходяться всі хімічні елементи, властиві граніту. Всі компоненти граніту перерозподіляються між кварцом, глинистими мінералами і водним розчином. Якщо ми приймемо що водний розчин до взаємодії не містив елементів, що входять у склад граніту, тоді можна сказати, що знаючи концентрацію елемента i в кожному із новоутворених мінералів та в розчині ( ) та частку мінералів та розчину в складі системи f_j, можна розрахувати початкову концентрацію компонента i в граніті. Кількість хімічного елементу в такій системі не збільшується і не зменшується, вона тільки перерозподіляється між фазами системи. Це і є принцип збереження маси в геохімічній системі.

Звичайно масу системи і сумарний склад системи приймається за 1 (або є 100%). Якщо розглянемо осад, що утворився при звітрюванні граніту, то керуючись рівняннями, наведеними вище та принципом збереження мас можна розрахувати вміст основних компонентів в кожній із фаз – кварцом та глинистими мінералами. Кремнезем (SiO₂) і глинозем (Al₂O₃) розподіляється між цими двома мінеральними фракціями, фракціонуються. Проаналізуйте вирази.