Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.geol.msu.ru/deps/engeol/rus/ProgTerm.doc Дата изменения: Thu Apr 27 18:16:45 2006 Дата индексирования: Tue Oct 2 01:19:53 2012 Кодировка: koi8-r

ТЕРМОДИНАМИКА ГРУНТОВ

Геологический факультет МГУ, кафедра инженерной и экологической геологии,
тел 939-35-87.
Автор - проф. Королев Владимир Александрович.
Курс читается в 9 семестре для студентов специальности "Гидрогеология и
инженерная геология" (специализация грунтоведение и искусственный
литогенез) и для магистрантов обучающихся по магистерской программе
"Грунтоведение и искусственный литогенез".
Объем курса - 42 часа, лекций - 28 часов, семинарские занятия - 14 часов.
Форма контроля Текущий контроль заключается в собеседовании на практических
занятиях и индивидуальной сдаче задач по практикуму. Курс завершается
зачетом
Аннотация. Цель курса - изучение грунтов и их массивов методами
термодинамики. Задачи курса - научить студентов применять методы
термодинамики для решения различных инженерно-геологических задач.
Курс состоит из 4 разделов. Первый посвящен истории, методам и
методологическим основам термодинамики, ее применению в разных разделах
геологии. В нем рассматриваются основные понятия, законы и методы
термодинамики равновесных и неравновесных процессов применительно к грунтам
и другим инженерно-геологическим системам. Во втором разделе
рассматривается термодинамика компонентного состава грунтов, как
гетерогенных систем. Третий раздел посвящен термодинамическому рассмотрению
процессов тепло- и массопереноса и базируется на теории термодинамики
необратимых процессов. В четвертом разделе рассматривается применение
термодинамики к изучению закономерностей и оценке физико-механических
свойств грунтов и их прогнозу в различных термодинамических условиях.
Практические занятия по курсу состоят в выполнении индивидуальных заданий
студентами по той или иной задаче. Выполнение расчетов проводится на ЭВМ по
готовым программам под руководством преподавателя. Самостоятельная работа
состоит из подготовки к лекционным и практическим занятиям, выполнения
домашних заданий.

Содержание курса

Введение

Проблема энергетики процессов геологической среды. Грунты и их массивы
как термодинамические системы.
История применения методов термодинамики в геологии. Современное
состояние применения термодинамики в инженерной геологии: методы
термодинамики в грунтоведении, технической мелиорации пород, механике
грунтов, инженерной геодинамике, региональной инженерной геологии.
Объект и задача термодинамики грунтов. Методологические основы
термодинамики грунтов. Роль и задачи термодинамики грунтов при решении
инженерных и эколого-геологических проблем. Связь термодинамики грунтов с
инженерно-геологическими дисциплинами, геокриологией, гидрогеологией,
почвоведением, физической и коллоидной химией и т.д.

1.Методологические основы термодинамики грунтов
Основные понятия и определения. Термодинамическая система и
геологическая среда. Виды инженерно-геологических термодинамических систем;
изолированная, неизолированная, закрытая, открытая, гомогенная,
гетерогенная. Фазы и компоненты систем.
Количественное содержание компонентов, примеры различных шкал
компонентов. Обобщенные координаты и обобщенные потенциалы инженерно-
геологических систем. Закон сохранения обобщенных координат.
Взаимодействие между объектами инженерно-геологических систем. Поля
плотностей обобщенных потенциалов; однородное поле, неоднородное,
стационарное, нестационарное. Движущие силы процессов. Понятие обобщенной
работы. Виды работ в инженерно-геологических системах.
Законы термодинамики и их применение в инженерной геологии. Первый
закон, термодинамики. Внутренняя энергия инженерно-геологической системы.
Второй закон термодинамики. Понятие энтропии, направленность процессов в
инженерно-геологической системе. Третий закон термодинамики.
Метод термодинамических потенциалов и его применение в инженерной
геологии. Свободная энергия Гельмгольца, энтальпия, энергия Гиббса.
Соотношения взаимности Максвелла. Условия равновесия инженерно-
геологической системы.
Основы применения теории неравновесной термодинамики в инженерной
геологии. Баланс обобщенных координат, их источники и стоки. Производство
энтропии. Линейное соотношение потоков и сил. Соотношения взаимности
Онзагера. Особенности применения термодинамики при изучении инженерно-
геологических систем разных иерархических уровней.

2. Термодинамика состава и структуры грунтов

Термодинамика фазового и компонентного состава грунтов. Термодинамика
твердых, жидких, газовых фаз. Треугольная диаграмма

фазового состава грунта. Применение правила фаз Гиббса к грунтам;

особенности фазовых составов основных типов грунтов. Термодинамические
закономерности поверхностей раздела в грунтах.
Термодинамика воды в грунтах. Термодинамический потенциал воды в
грунте. Методы его определения. Закономерности формирования потенциала
влаги в грунтах. Термодинамика гидратации-дегидратации. Взаимосвязь
фазового состава, структуры грунтов и содержания в них энергетических форм
воды.
Термодинамика растворимости компонентов грунта, газов, твердых
компонентов. Константа равновесия растворимости. Произведение
растворимости. Математическое моделирование растворения в грунтах с помощью
ЭВМ.
Термодинамика ионного обмена в грунтах. Константа обмена. Уравнения
ионного обмена. Определение направленности реакций ионного обмена в грунте.
Моделирование на основе термодинамики состава и массообмена компонентов
грунта с помощью ЭВМ.
Структура грунта, как отражение термодинамических условий его
образования. Термодинамика структурных связей. Влияние термодинамических
факторов, на процессы структурообразования.

3. Термодинамика процессов переноса в грунтах

Теплоперенос в немерзлых грунтах. Калорические и теплофизические
свойства грунтов. Температурные и тепловые поля немерзлых грунтов.
Закономерности теплопереноса. Закон теплопроводности, краевые условия.
Критерии подобия в теплопереносе. Моделирование теплообмена и методы
расчёта основных параметров тепловых процессов в грунтах с помощью ЭВМ.
Термодинамика массопереноса в грунтах. Изотермический и
неизотермический влагоперенос в ненасыщенных дисперсных грунтах.
Коэффициенты влагопереноса, влагопроводности, паропроводности,
диффуззивности, термовлагопереноса и др. и методы их определения в
грунтах. Термодинамика диффузии и осмоса в грунтах. Молекулярная термо- и
бародиффузия солей. Эффективный коэффициент диффузии. Математическое
моделирование диффузионного равновесия в грунтах.
Термодинамика электропроводности и электрокинетических процессов в
грунтах. Взаимосвязь электрокинетических явлений и их характеристика на
основе неравновесной термодинамики. Электрокинетические коэффициенты и
методы их определения.

4. Термодинамика физико-механических процессов в грунтах

Термодинамика упругого и неупругого деформирования. Работа и мощность
деформирования. Методы оценки энергетических параметров деформирования.
Термодинамика одномерной сжимаемости грунтов. Термодинамика просадочности
лессов.
Термодинамика реологических процессов в грунтах. Кинетические и
термодинамические закономерности ползучёсти и релаксации. Влажностно-
температурно-временная аналогия. Термокинетические закономерности
ползучести грунтов.
Термодинамика прочности и разрушения. Энергетические проблемы и теории
прочности. Температурно-временная зависимость прочности. Критерии
разрушения. Термодинамические критерии прочности и методы их определения в
грунтах. Термокинетическая теория прочности грунтов. Прогноз прочности
грунтов для различных термодинамических условий.

Практические занятия

Задача 1. Анализ изменения фазового состава грунта с помощью диаграммы
фазового состава
Задача 2. Расчет и моделирование на ЭВМ равновесий растворимости в грунтах.

Задача 3. Расчет и моделирование на ЭВМ ионного обмена в грунтах.
Задача 4. Расчеты на ЭВМ параметров теплопереноса в грунтах.
Задача 5. Расчет на ЭВМ коэффициентов диффузии ионов в грунтах.
Задача 6. Расчет и моделирование на ЭВМ диффузионного равновесия солей в
ненасыщенных грунтах.
Задача 7. Моделирование на ЭВМ влагопереноса в ненасыщенных грунтах.
Задача 8. Расчет на ЭВМ параметров термовлагопереноса в грунтах.
Задача 9. Расчеты на ЭВМ термокинетических параметров прочности грунтов и
прогноз длительной прочности.

Литература
А.Основная:

1. Королев В.А. Термодинамика грунтов./ Уч. пособие. - М., Изд-во МГУ,
1997, - 168 с.
2. Базаров И.П. Термодинамика, - М., Высш. шк. 1983.-344с.
3. Булатов Н.К., Лундин А.Б. Термодинамика необратимых физико-химических
процессов. - М., Химия, 1984 - 336с,
4. Булах А.Г. Методы термодинамики в минералогии. - Л. Недра, 1974 - 184.
с.
5.Дмитриев А.П., Гончаров С.А. Термодинамические процессы в горных породах,
М., Недра,1983, -312с.

Б. Дополнительная

1. Воронин А.Д. Структурно-функциональная гидрофизика почв. - М., изд-во
МГУ, 1984, - 202 с.
2. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. - М.,. Высшая шк.-
1978, - 447 с.
3. Вялов С.С Термодинамические аспекты механики мерзлых грунтов. - М.,
Наука, 1988.
4. Глобус А.М. Физика неизотермического внутрипочвенного влагообмена. -
Л., Гидрометеоиздат, 1983, - 280 с.
5. Лыков А.В. Тепломассобмен. Справочник. - М., Энергия, 1971, - 560 с.
6. Моделирование процессов засоления и осолонцевания почв. - М., Наука,-
1980.