地球化学热力学与地球化学动力学

07.10.2020
第3章 地球化学热力学
12
07.10.2020
第3章 地球化学热力学
13
3. 状 态 函 数
也称为热力学函数，表征和确定体系状态的宏观性 质。状态函数只对平衡状态的体系有确定值，对于 非平衡状态的体系则无确定值。 状态函数的变化值与系统的始态和终态有关。
热力学状态函数：热力学能（内能）U；焓（H）； 熵（S）和自由能（G）。
07.10.2020
第3章 地球化学热力学
15
0.3 地球化学热力学体系的特点
① 一个热力学体系，它处于地壳（岩石圈） 的热力学条件下，由于地壳（岩石圈）各个部 分的热力学条件差异而不断地变化。 ② 多数地球化学体系是开放体系，少数接近 封闭体系。
Fra Baidu bibliotek
07.10.2020
第3章 地球化学热力学
16
③ 地球化学体系的不可逆性和不平衡性是 绝对的。但在自然界不少作用过程往往又是 有向着平衡方向进行的趋势，也可以局部地， 暂时地达到动态平衡，在形式上呈现相对稳 定状态；
07.10.2020
第3章 地球化学热力学
2
热力学第三定律指出绝对零度是不可能达到的。
热力学定律以及三个基本状态函数温度、内能和熵 构成了完整的热力学理论体系。
为了在各种不同条件下讨论系统状态的热力学特性， 还引入了一些辅助的态函数，如焓、亥姆霍兹函数 （自由能）、吉布斯函数等。
从热力学的基本定律出发，应用这些态函数，经过 数学推演得到系统平衡态的各种特性的相互联系， 这就是热力学的方法，也是热力学的基本内容。
状态和转换，判断地球化学过程的方向和限
度，也就是说地球化学研究的体系是否处于
平衡态的问题。
07.10.2020
第3章 地球化学热力学
8
地球化学过程的方向 地球化学过程的限度 地球化学过程的热力学条件
07.10.2020
第3章 地球化学热力学
9
0.2 热力学相关的术语或名词
07.10.2020
第3章 地球化学热力学
④ 多数变质作用过程；缓慢的岩浆结晶过 程，基本上是平衡体系或接近平衡体系.
07.10.2020
第3章 地球化学热力学
17
0.4 地球化学动力学
热力学讨论了化学反应的方向和限度，从而解决了 化学反应的可能性问题。但实践表明，在热力学上 判断极有可能发生的化学反应，实际上却不一定发 生。 化学反应还存在一个可行性问题。因此，要全面了 解化学反应的问题，就必须了解化学变化的反应途 径——反应机理，必须引入时间变量。 研究化学反应的速率和各种影响反应速率的因素， 这就是化学动力学要讨论的主要内容。
其目的是用热力学原理定量研究地质问题。Bowen的博 士论文在该研究所完成，由于他将实验岩石学用于火 成岩起源研究，取得了瞩目的成果，并在尔后的40年 中领导着这一领域的发展。同一时期，由Goldschmit在 挪威完成的博士论文，标志着热力学在变质岩研究中 的成功应用。
07.10.2020
第3章 地球化学热力学
对地球及其成因的认识有了长足的进步。
➢热力学在地质学问题上的最初运用，见于van’t Hoff从
1896~1909年所做的一系列实验研究，用来解释德国二 叠纪盐矿床的成因，他的研究成果在定性说明蒸发岩 矿床中所见的矿物顺序和矿物组合方面获得了成功。
➢1907年华盛顿卡内基研究所设立了地球物理实验室，
5
继van’t Hoff, Bowen, Goldchmit等的开创性工作之 后，热力学理论和方法在地球化学领域中的应用越 来越深入和广泛。沉积、火成、变质、风化等地质 过程中出现的地球化学反应，常常被近似地看作是 一个多相多组分系统的热力学平衡问题。然而地球 化学过程本身往往是热力学不可逆、不平衡的，有 的甚至是远离平衡的。
07.10.2020
第3章 地球化学热力学
14
4. 热和功
1. 热： 体系与环境之间因温度不同而交换 或传递的能量称为热； 表示为Q。
规定：体系从环境吸热时， Q为正值； 体系向环境放热时，Q为负值。
2. 功： 除了热之外，其它被传递的能量叫 做功;表示为W。
规定：环境对体系做功时，W为正值； 体系对环境做功时，W为 负值
第4章 地球化学热力学和 地球化学动力学
热力学
热力学是研究热现象中物质系统在平衡时的性质和建 立能量的平衡关系，以及状态发生变化时系统与外界 相互作用（包括能量传递和转换）的学科。 热力学的完整理论体系是由三个基本定律以及相应的 基本状态函数构成的， 热力学三定律是热力学的基本理论。 热力学第一定律反映了能量守恒和转换时应该遵从的 关系，它引进了系统的态函数——内能。热力学第一 定律也可以表述为：第一类永动机是不可能造成的。 热力学第二定律指出一切涉及热现象的宏观过程是不 可逆的。它阐明了在这些过程中能量转换或传递的方 向、条件和限度。
10
1. 系统与环境
被人为划定作为研究对象的物质叫系统，又叫体 系或物系。在体系周围和体系密切相关的就是环 境环境。 系统和环境有时无明显的界限,根据需要而定 根据系统与环境关系将系统分类:
07.10.2020
第3章 地球化学热力学
11
2. 状态与过程
当系统的温度、压力、体积、物态、物质 的量、相态、各种能量等等一定时，称系 统处于一个状态（state） 系统从一个状态（始态）变成另一个状态 （终态），称发生了一个过程（process） 等温过程、等容过程和等压过程。
因此，用平衡态热力学理论描述这类过程有很大局 限性。而且热力学只能确定系统的某一个始态和终 态以及系统反应的方向，但反应的路径则无法确定。 因此，要解决反应路径的详细机制必须借助反应动 力学理论。
07.10.2020
第3章 地球化学热力学
6
0绪 言
0.1. 地球化学热力学概念 0.2. 热力学相关的术语或名词 0.3. 地球化学热力学体系的特点 0.4. 地球化学动力学产生的背景
07.10.2020
第3章 地球化学热力学
7
0.1. 地球化学热力学概念
☻ 什么叫地球化学热力学？
☻热力学是研究宏观物体过程的能量变化、过
程的方向与限度的规律。
☻地球化学热力学则是热力学在地球化学中的
应用，涉及化学反应的热效应、化学反应的
方向与限度、化学平衡等内容。
☻地球化学热力学是研究地球化学体系的能量
热力学理论是普遍性的理论，对一切物质都适用， 这是它的特点。
07.10.2020
第3章 地球化学热力学
3
热力学—主要解决化学反应中的三个问题： ① 化学反应中能量的转化； ② 化学反应的方向性； ③ 反应进行的程度
07.10.2020
第3章 地球化学热力学
4
➢20世纪，地球化学家将热力学用于地质过程，使人们