Termodinamica De La Earth

Tema 1

Introducción y definición de conceptos básicos. Físico-química. Termodinámica y procesos geológicos. Conceptos fundamentales. Sistemas. Estados de equilibrio, estacionario y transiente. Procesos reversibles e irreversibles. Variables y funciones de estado. Grados de libertad. Fases y Componentes.

1. Introducción

En este curso vamos a estudiar la aplicación de la Termodinámica a las diferentes reacciones químicas que tienen lugar en los diversos ambientes geológicos. Se puede decir que la Termodinámica es la rama de las ciencias físicas que estudia los diferentes niveles energéticos y las transferencias de energía entre sistemas así como entre diferentes estados de la materia (líq., sol., gas.). Es una poderosa herramienta aplicable a diversos problemas del mundo físico (fig. 1.1), dentro de campos tan diversos como la Física, Química, Biología y Ciencias de la Tierra (Geología, Oceanografía, Meteorología).

Una reacción química involucra una distribución de átomos de una estructura o configuración determinada a otra, por lo general, acompañado de un cambio energético. Algunos ejemplos de transformaciones físicas y reacciones son:

• Transformación [H2Osólida  H2Olíquida]. En esta reacción, el agua presenta por lo menos dos formas distintas o fases que cambian espontáneamente dependiendo de las condiciones ambientales.

• Mezcla de agua y sal. En esta reacción la sal (NaCl) se disuelve en el agua, que adquiere un sabor salado. Pero, ¿es posible hacer reversible esta reacción?

• Transformación [Cdiamante (cúbico)  Cgrafito (hexafonal)]. Este es un tipo de cambio espontáneo e irreversible en condiciones ambientales.

• Reacción [4Fe3O4 + O2 = 6Fe2O3]. En condiciones oxidantes, la magnetita se transforma espontáneamente en hematite.

• Reacción [CaCO3 + H2CO3 = Ca2+ + 2HCO3]. La disolución de calcita se produce espontáneamente en zonas kársticas.

• Reacción [CaAl2Si2O8 + Na+ + Si4+ = NaAlSi3O8 + Ca2+ +Al3+]. La sustitución iónica de calcio por sodio ocurre espontáneamente en la serie de las plagioclasas al disminuir la temperatura en un magma en cristalización.

Estos sencillos ejemplos nos permitirán tener una noción general de los cambios físicos y químicos, para poder entender ejemplos posteriores en que los cambios energéticos no son tan obvios

Físico Química

Escala Campos de Estudio Organización del Sistema

Termodinámica Clásica Estado de Equilibrio

Termodinámica

Química Estado Estacionario

Termodinámica Irreversible

Macroscópica Estado Transiente

Dinámica de Fluidos

Microscópica Cinética Química Mecánica Estadística

Ultramicroscópica Mecánica Cuántica

Figura 1.1.- Relación entre la Termodinámica la Físico-química y los campos de estudio. La aplicación de la Termodinámica a las diferentes reacciones químicas que tienen lugar en los diversos ambientes geológicos es el campo de la Termodinámica Química

La Termodinámica Clásica está basada en el estado de equilibrio y procesos reversibles

enfoque macroscópico

(sólo mediciones de T, P, etc.)

no se requiere un conocimiento de la estructura molecular o atómica!!!!

transformaciones físicas y reacciones químicas

redistribuciones atómicas y moleculares que conllevan

cambios energéticos medibles a escala macroscópica

Modelos “teóricos”, donde se definirá lo que “debería” o “podría” ocurrir

Mediante el estudio de los cambios energéticos asociados a las reacciones químicas, podremos responder las siguientes preguntas de VITAL INTERÉS en Geología:

• ¿Qué factores controlan los cambios (reacciones) que observamos en la naturaleza?

• ¿Porqué algunas reacciones van en dos direcciones mientras que otras tan solo lo hacen en una una?

• ¿Qué minerales pueden coexistir en equilibrio bajo determinadas condiciones de Temperatura, Presión y Composición?

[P,T,X]  [mxs]

• ¿Qué condiciones de equilibrio pueden estabilizar una determinada asociación mineral?

[mxs] ]  [P,T,X]

La Termodinámica nos va a permitir decidir por qué una fase es más estable que otra y cuáles son los procesos que podrían ocurrir y en qué sentido.

2. Termodinámica y Procesos Geológicos

Podemos ver algunos ejemplos de reacciones y procesos geoquímicos que se irán desarrollando a lo largo del presente curso.

a) Procesos ígneos.-

Cristalización de magmas (fundido silicatado a T  500 – 1200ºC y P  10kb). Por cristalización fraccionada, enfriamiento, asimilación, etc., el magma dará lugar a las rocas ígneas.

Geotermobarometría.

b) Procesos Hidrotermales.-

Solubilidad de minerales, estudio de inclusiones fluidas

c) Procesos sedimentarios.-

Meteorización química, reacciones de disolución precipitación

(CaCO3(s)  Ca2+ CO3=); diagénesis

d) Procesos metamórficos.-

Transformaciones en estado sólido con evoluciones de un sistema hacia condiciones de mayor equilibrio al variar P-T-X

Cuarzo + Grossularia  Anortita + Wollastonita

SiO2(S) + Ca3Al2Si3O12(s)  CaAl2Si2O8(s) + 2CaSiO3(s)

Reacciones con pérdida de agua:

Cuarzo + Kaolinita  Pyrofilita + Agua

SiO2(S) + Al2Si2O5(OH)4(s)  Al2Si4O10(OH)2(s) + H2O(l)

O reacciones de desvolatilización:

Calcita + Cuarzo  Wollastonita + Dióxido de C

CaCO3(s) + SiO2(S)  CaSiO3(s) + CO2(g)

3. Conceptos Fundamentales

Sistemas

Sistema termodinámico es una porción de materia separada del resto del universo observable por límites bien definidos.

Nota: los sistemas se definen según la conveniencia del observador, y los límites del sistema se eligen para permitir al investigador aplicar la Termodinámica de acuerdo a sus necesidades.

Universo

Límites del sistema

La elección de un sistema u otro es ambigua y dependerá del interés de nuestra investigación (de ahí la importancia de la escala), pero existen unas características comunes a todos lo sistemas. Cualquier sistema elegido está limitado por (o en contacto con) otras partes del universo con el que puede intercambiar energía y materia. Estos tipos de sistemas se conocen como “sistemas abiertos”. Podemos simplificar el universo estableciendo tres tipos de sistemas termodinámicos que nos permitirán analizar los sistemas naturales. Estos tres tipos de sistemas se definen fundamentalmente en función de los diferentes tipos de sus “paredes”, puesto que serán éstas las que controlen (conceptualmente) el flujo de materia y energía hacia dentro y hacia fuera de estos sistemas.

Sistema Abierto, que permite el intercambio tanto de materia como de energía a través de sus fronteras. Los sistemas pueden ser abiertos a una única especie química o a varias.

Materia

Sistema

Abierto Fuente térmica

Sistema Cerrado, que tienen las paredes de tal naturaleza que permiten la transferencia de energía pero no así de materia. Son sistemas con composición y masa fija, pero con diferentes niveles de energía.

Fuente térmica

Sistema Aislado que presentan paredes o límites rígidos (no permiten la transferencia de energía mecánica), perfectamente aislados (no existe flujo de calor) e impermeables a la materia. Presentan una energía y masa constantes, puesto que nada entra ni sale de ellos. Los sistemas con paredes perfectamente aislados se denominan sistemas adiabáticos. En la naturaleza no existen los sistemas perfectamente asilados, puesto que no es posible la existencia de límites tan rígidos e impermeables. Sin embargo, este tipo de sistemas es de gran importancia, puesto que las reacciones que en ellos ocurren (o que podrían ocurrir) son las que no pueden liberar o absorber calor o cualquier otro tipo de energía.

Fuente térmica

En la naturaleza, la mayoría de los sistemas son abiertos (e.g. cámaras magmáticas). Sin embargo, es posible y conveniente modelizarlos como si fuesen sistemas cerrados, es decir, considerarlos como de composición fija e ignorar cualquier cambio posible en la composición global del sistema. De hecho, nosotros vamos a trabajar básicamente con sistemas cerrados. Los modelos termodinámicos de sistemas abiertos son posibles, pero lo más cercano que vamos a estar de los sistemas abiertos es considerar la distribución de sustancias entre dos fases en un sistema cerrado. En este caso, cada fase separada será capaz de cambiar de composición y podrá considerarse como un sistema abierto; en otras palabras, dos subsistemas abiertos dentro de un sistema global cerrado.

Una de las

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