Агрегатное состояние вещества земли кратко
Обновлено: 02.07.2024
Изучение химического состава Земли и ее внутреннего строения представляет весьма трудную задачу. Если о структуре недр планеты можно судить по распространению сейсмических волн, то определение химического состава Земли требует прямого изучения образцов вещества различных геосфер. В настоящее время прямому исследованию доступны лишь породы земной коры до глубины 15–20 км, а также излившиеся на поверхность продукты вулканических извержений. изучение состава внутренних геосфер невозможно без учета термодинамических условий (высоких температур и давления) и их влияния на свойства вещества. С учетом этих условий в геологии господствуют две точки зрения в вопросе о составе внутренних оболочек Земли. Первая была высказана точка зрения о гетерогенном составе внутренних геосфер. Вещество верхней мантии представлено ультраосновными породами, а ядро имеет железоникелевый состав. позже была высказана идея об однородном строении Земли. Сторонники этой точки зрения полагают, что у всех геосфер планеты имеется силикатный состав. Резкая смена физических свойств на границах геосфер связывается с фазовыми переходами вещества, которое при высоких давлениях и температурах может приобретать свойства жидкостей и металлов.
Земная кора.Вещество земной коры, которая сложена различными горными породами, находится в твердом состоянии, так как температура здесь не достигает точки плавления (рис. 7). Однако на глубинах 15–20 км внутри земной коры сейсмологи отмечают участки (напоминающие астеносферный слой), с которыми, вероятно, и связано формирование магматических очагов гранитной магмы.
Мантия Земли. Эта геосфера является самым крупным элементом планеты. Она занимает 83% ее объема и составляет около 66% ее массы. По геофизическим данным в ее составе выделяется несколько границ раздела, залегающих на глубинах 410, 950 и 2700 км. Вещество мантии находится в твердом кристаллическом состоянии, через него проходят как продольные, так и поперечные волны. И только в слое В выделяются слои с пониженными скоростями сейсмических волн, (астеносфера), в которой вещество может быть в аморфном стекловидном или даже в расплавленном (до 10%) состоянии.
Геофизические данные последних лет указывают на неоднородность и расслоенность астеносферы и наличие очагов магмы, которые возникают на различных уровнях астеносферного слоя.
Состав мантии сложный и неоднородный в различных слоях. Прямые, но неполные данные имеются лишь о составе слоя В, он распространен до глубин 400 км. К этим данным относятся: 1) отдельные выходы на поверхность континентов ультраосновных магматических пород, главным образом перидотитов; 2) наличие включений ультраосновных пород в базальтовых лавах вулканов; 3) состав пород, собранных путем драгирования в океанских зонах разломов; 4) состав пород, слагающих алмазоносные кимберлитовые трубки на континентах; 5) состав каменных метеоритов (рис. 11). Важное значение имеют экспериментальные исследования минералов и горных пород при высоких температурах и давлениях. Основываясь на всех этих данных, большинство исследователей считают, что верхняя мантия состоит из ультраосновных магматических пород – перидотитов. Их главными минералами являются оливин, пироксены и гранаты. Гранатовые перидотиты – главные породы слоя В верхней мантии. Их свойства соответствуют основным геофизическим показателям: плотности, скорости распространения сейсмических волн, которые отмечаются ниже границы Мохоровичича. Особенно важное значение имеют данные по кимберлитовым алмазоносным трубкам, где, помимо гранатового перидотита, имеются включения эклогитов. По составу эклогит близок к основной глубинной магматической породе габбро, но характеризуется высокой плотностью (3,35 – 4,2 г/см 3 ) и скоростью распространения сейсмических волн. Такое уплотнение основных пород возможно только при больших давлениях, которые наблюдаются на глубине 40 км и более. По современным данным, алмазоносные эклогиты и алмазосодержащие гранатовые перидотиты попали в кимберлитовые трубки с глубин не менее 150 и даже 200 км.
В слое С верхней мантии (слой Голицына) – области наиболее быстрого нарастания скорости сейсмических волн и давления – происходят фазовые превращения вещества. Это доказывается и экспериментальными данными. Так, обычный кварц с плотностью 2,53 г/см 3 при больших давлениях переходит в более плотную модификацию – стишовит с плотностью 4,25 г/см 3 . Уплотнение и изменение структуры может произойти и с железисто-магнезиальными силикатами. Предполагается, что с увеличением глубины в слое С и в нижней мантии возможен распад всех железисто-магнезиальных силикатов на простые окислы, характеризующиеся плотнейшей упаковкой. В качестве примера можно привести распад магнезиального минерала форстерита:
| Mg2[SiO4] → 2MgO + SiO2. |
| форстерит периклаз стишовит |
Таким образом, при распаде силикатов на окислы могут образовываться МgО (периклаз), Аl2O3 (корунд), Fе2О3 (гематит), ТiO2 (рутил), SiO2 (стишовит) и др.
Несколько иное объяснение дает В.А.Магницкий (1965). Он предполагает, что в слое С и нижней мантии происходит переход от преобладающего ионного типа связей к ковалентным связям. Для примера берется тот же форстерит Мg2[SiО4]. При переходе в ковалентную связь ионные радиусы Мg 2+ (0,074 нм) увеличивается до 0,14 нм, а О 2– (0,136 нм) уменьшается до 0,055 нм. В этом случае расстояние Мg – О изменяется от 0,21 до 0,195 нм, что приводит к увеличению плотности до 18%.
Ядро. Центральная геосфера Земли, занимает около 17% ее объема и составляет 34% ее массы. Ядро состоит из большого, жидкого внешнего ядра, через которое не проходят поперечные сейсмические волны, и малого твердого внутреннего (рис.12), что четко выделяется по сейсмическим данным. Ядро Земли имеет большую плотность и высокую металлическую электропроводность. Исходя из этого уже давно была высказана мысль, что ядро состоит из железа с примесью никеля. При этом проводилась аналогия с железными метеоритами. Таким образом, резкая граница между мантией и ядром объясняется изменением состава вещества. Однако экспериментальные исследования показали, что при давлении, существующем у границ ядра, плотность железа очень большая. Она намного превышает расчетные величины средней плотности Земли. По современным данным плотность земного ядра на 10% ниже плотности железоникелевого сплава при температурах и давлениях, которые имеются в ядре. На основании этого высказывается предположение, что кроме никелистого железа в ядре должны быть какие-то легкие элементы, к которым могут быть отнесены кремний или сера. В настоящее время многие исследователи склоняются к тому, что ядро состоит в основном из железа с примесью никеля и серы. Не исключается возможность присутствия и других элементов (или кислорода, или кремния). Вместе с тем существуют и другие точки зрения о составе и состоянии вещества внешнего ядра Земли. Так, предполагается, что внешнее ядро состоит (наиболее вероятно) из окисла железа (FеО), которое испытывает не только плавление, но и фазовый переход в более плотную металлическую фазу. Такие фазовые переходы при давлениях 1×1011 Па были установлены для окислов экспериментальным путем (Л.Ф. Верещагин и др.). При этом наблюдалась внезапная перестройка атомов в новую структуру высокой плотности и большой энергии связи между атомами.
Химический состав Земли.При определении химического состава нашей планеты большое значение имеют исследования химического состава пород луны и метеоритов, падающих на Землю. Эти данные можно использовать только при предположении о близости химического состава исходного вещества планет группы.
| Элементы | Химический состав, вес% | |||
| Г. Холл, 1970 | Р. Ганапати и Э. Андерс, 1974 | Дж. Смит, | По Дж.Моргану и Э.Андерсу, 1980 | |
| O | 30,25 | 28,5 | 31,3 | 30,12 |
| Fe | 29,76 | 35,87 | 31,7 | 32,07 |
| Mg | 15,69 | 19,21 | 13,7 | 13,90 |
| Si | 14,72 | 14,34 | 15,1 | 15,12 |
| S | 4,17 | 1,84 | 2,91 | 2,92 |
| Ni | 1,65 | 2,04 | 1,72 | 1,82 |
| Ca | 1,64 | 1,93 | 2,28 | 1,54 |
| Al | 1,32 | 1,77 | 1,83 | 1,41 |
| Na | 0,30 | 0,158 | – | 0,12 |
С учетом состава и свойств метеоритов и образцов с луны, а также геофизических данных о внутреннем строении нашей планеты рассчитан средний химический состав Земли (табл.1). Приведенные в табл.1 элементы распространены в основном в виде химических соединений, в самородном состоянии встречаются (из перечисленных) только железо и сера.
приводимых выше средних значений и его неизменности вглубь Земли, тона глубине 100 км температура должна быть равна 3000 или 2000 С. Однако это существенно расходится с фактическими данными. Именно на этих глубинах периодически зарождаются магматические очаги, из которых изливается на поверхность лава, имеющая максимальную температуру 1200— 1250 С. Учитывая этот своеобразный геологический термометр, некоторые авторы В. А.Любимова, В.А. Магницкий) считают, что на глубине 100 км температура не может превышать С. При более высоких температурах породы мантии были бы полностью расплавлены, а это противоречит фактически известной скорости прохождения поперечных сейсмических волн.
Таким образом, средний геотермический градиент прослеживается до некоторой относительно небольшой глубины от поверхности (20 — 30 км, а дальше он должен уменьшаться. Но даже водном и том же месте изменение температуры с глубиной происходит неравномерно. Особенно хорошо это видно на примере Кольской сверхглубокой скважины. При заложении данной скважины рассчитывали на геотермический градиент 10 Сна км и, следовательно, на проектной глубине (15 км) надо было ожидать температуру порядка 150 С. Однако такой градиент наблюдался только до глубины
3 км, а далее он стал увеличиваться. На глубине 7 км температура оказалась равной Сна глубине 10 км — Сна глубине 12 км —
220 С. Предполагается, что на проектной глубине температура должна составлять 280 °С.
Интересные данные изменения температур зафиксированы по скважине, заложенной в Северном Прикаспии. Она располагается в районе более высокого эндогенного режима. На глубине 500 м температура оказалась равной 42,2 Снам, нам, нам °С.
Какой надо ожидать температуру на значительно больших глубинах в мантии и ядре Поданным В. Н.Жаркова, детальные исследования фазовой диаграммы Mg2Si04— Fe2Si04 позволили определить реперную температуру на глубине, соответствующей первой зоне фазовых переходов (400 км, те. перехода оливина в шпинель. Температура здесь, согласно расчетам указанных авторов, оказалась равной (1600 ±50) °С.
Вопрос о дальнейшем распределении температур в мантии ниже слоя В ив ядре Земли еще не решен. Высказываются различные точки зрения. Несмотря на дискуссионность вопроса, можно предположить, что температура с глубиной продолжает нарастать, но при этом геотермический градиент снижается и возрастает размер геотермической ступени. Предполагают, что температура в ядре Земли находится в пределах 4000 — 5000 °С.
Агрегатное состояние вещества Земли. Вещество литосферы находится в твердом кристаллическом состоянии. Это позволяет считать, что существующие здесь температуры не достигают точек плавления горных пород. Однако местами и внутри земной коры сейсмологи отмечают наличие отдельных низкоскоростных линз, напоминающих астеносферный слой, с которыми скорее всего связаны коровые магматические очаги. По сейсмическим данным, вещество мантии Земли, через которую проходят как продольные, таки поперечные сейсмические волны, находится в эффективно-твердом состоянии. При этом вещество нижней части слоя В и слоев Си, по-видимому, находится в кристаллическом состоянии, так как существующее в них давление препятствует плавлению. И только в астеносфере слоя В с пониженными скоростями сейсмических волн температура приближается к точке плавления. Предполагается, что вещество в астеносферном слое может находиться в аморфном стекловидном состоянии, а часть даже быть расплавленной. Геофизические исследования последних лет свидетельствуют о том, что в астеносфере имеются неоднородности, а сама астеносфера расслоена. В частности, об этом свидетельствуют также очаги магмы, возникающие на различных уровнях астеносферного слоя.
В каком же качестве находится вещество в ядре Земли Ввиду того что переход от мантии к ядру сопровождается резким снижением скоростей продольных сейсмических волна поперечные волны, распространяющиеся только в твердой среде, в него не входят, большинство исследователей считают, что вещество внешнего ядра находится в жидком состоянии, а внутреннее ядро, по косвенным данным, считается твердым.
Средний химический состав Земли. Для определения химического состава Земли и ее оболочек используют данные о метеоритах, представляющих собой наиболее вероятные образцы протопланетного материала, из которого сформировались планеты земной группы и астероиды. К настоящему времени хорошо изучено вещество многих выпавших наземную поверхность в разное время ив различных частях метеоритов. По составу выделяют метеориты трех типов железные, состоящие главным образом из никелистого железа (90 % Fe) с небольшой примесью кобальта и фосфора железока
менные (сидеролиты, состоящие из железа и силикатов каменные, или аэролиты, состоящие главным образом из железисто-магнези
альных силикатов и включений никелистого железа.
Наибольшее распространение имеют каменные метеориты — около 65 % всех находок, железные и железокаменные. Каменные метеориты подразделяют на две группы 1) хондриты с мелкими округлыми зернами — хондрами (90 %); 2) ахондриты, не содержащие хондр. Состав каменных метеоритов близок к ультраосновным магматическим породам. Поданным М. Ботта, в них около 12 % железоникелевой фазы.
На основании анализа состава различных метеоритов, а также сведений, полученных в результате экспериментальных геохимичес-
54
Таблица. Средний химический состав Земли (по Г. В. Войткевичу, 1986) массовое содержание элементов, %)
Эле
менты
По
А. Ферсману,
1932
По
В. Рамамурти и Р. Холлу,
1970
По
Р. Ганапати и Э. Андерсу,
1974
По
Дж.Смитту,
1979
По
Дж. Моргану и Э. Андерсу, О 30,75 28,50 31,30 30,12
N a
0,52 0,30 0,158 0,085 0,12
M g
11,50 15,70 19,21 13,7 АР К 0,013 С а 1,54 1,93 2,28 Т 0,093 0,08
Сг
0,26
-
0,478 0,416 М п 0,047 0,075
Fe
37,04 29,30 35,87 31,70 32,07
N i
2,96 1,65 2,04 1,72 1,82
ких и геофизических данных и термодинамических расчетов, ряд исследователей предложили оценку валового элементного состава Земли, которая представлена в табл. 3.1, составленной Г. В. Войтке- вичем.
Как следует из табл. 3.1, повышенное распространение характерно только для четырех важнейших элементов — О, Fe, Si, Mg, в сумме составляющих 91 %. В группу менее распространенных элементов входят Ni, S, Са, А. Остальные элементы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева имеют второстепенное значение.
Фигуру Земли называют геоидом. О глубинном строении Земли судят по распространению продольных и поперечных сейсмических волн, которые, проходя сквозь земные недра, испытывают преломление, отражение и затухание, что свидетельствует о расслоенности Земли Внешними оболочками Земли являются атмосфера, гидросфера и земная кора. Выделяют три главные внутренние оболочки литосферу, мантию и ядро. Мантия разделяется на верхнюю — до глубины 900 км
и нижнюю, которая распространяется до глубины 2900 км. Ядро Земли разделяется на внешнее — до глубины 5120 км и внутреннее — до глубины 6371 км. Внутренняя теплота Земли связана с распадом радиоактивных элементов — урана, тория, калия, рубидия и др.
Контрольные вопросы. Каковы форма и размеры Земли. Какие существуют методы изучения внутреннего строения Земли. Каково строение внешних оболочек Земли. Каково внутреннее строение Земли. Каким границам соответствуют разделы Мох о ров и ч и чаи Г утен берга?
6. Какова средняя плотность Земли и как она распределяется по глубинам. Что такое геотермический градиент иге отер ми ческа я ступень. Как изменяются тепловой потоки температуры с глубиной. Пока к им данным определяется средний химический состав Земли. В каком агрегатном состоянии находится вещество в земных недрах ?
Литература
Войткевин Г. ВО снов ы теории происхождения Земли. М ., 1988.
Жарков В. Н Внутреннее строение Земли и планет. М ., 1978.
Магницкий В. А Внутреннее строение и физика Земли. М ., 1965.
Рингвуд А. Е Состав и происхождение Земли. М ., Глава СТРОЕНИЕ ЗЕМНОЙ КОРЫ, МАНТИИ И ЯДРА bb4Л. Строение земной коры
Земная кора, располагающаяся выше границы Мохо, слагается всеми известными горными породами — магматическими, осадочными и метаморфическими. Как в пределах континентов, таки под дном морей и океанов выделяются подвижные участки и относительно устойчивые площади земной коры. На континентах к устойчивым областям относятся обширные как низменные, таки возвышенные равнины — платформы Таковыми являются Восточно-Ев
ропейская, Сибирская, Северо-Американская, Южно-Американс
кая, Африканская, Австралийская, Антарктическая платформы. В пределах платформенных областей располагаются устойчивые участки — щиты (Балтийский, Украинский, Алданский, Канадский, Бразильский и др, представляющие собой области, в пределах которых выходят на дневную поверхность древние кристаллические горные породы. К подвижным поясам относятся молодые горные сооружения, такие как Альпы, Карпаты, Динариды, Кавказ, Памир, Гималаи, Анды, Кордильеры. Структуры, присущие материкам, не
Всего их бывает 5.
Твёрдое,аморфное,жидкое,газообразное и плазма.
Газообразное и плазму сразу отсеиваем. Скорее надо выбирать одно из трёх - твёрдое,аморфное или жидкое. ну понятное дело что земля не однородна.Кора твёрдая,магма фиг знает какая местами такая местами такая,мантия тоже непонятно какая.Ядро вроде жидкое.А атмосфера газобразная,но атмосферу можно наверное не учитывать,так как её масса по сравнению с массой земли я думаю очень мала.
Ну вобщем в среднем по массе земля какая?И и ещё интересно какая она в среднем по обьёму.
Эдгар, интересный вопрос. был бы, если не было точных определений.
агрегатное состояние бывает у ВЕЩЕСТВА, а планета - это физическое ТЕЛО.
это как про картину Монэ спросить "а какого она цвета?"
Эдгар, поправлюсь, планету таки можно отнести к определённому типу: газовый гигант, каменная планета (может быть и целиком расплавленной, наверное, как раскалённые экзопланеты-их тоже каменными называют), железные планеты (только ядро), планета-океан (водный или аммиачный-главное, чтобы плотность паров намного меньше, чем у жидкости, иначе-газовый гигант), горячие юпитеры, коричневые карлики
Сергей, ну как бы вот вобщем есле допустим минимальная глубина океана составляет 120 пикометров(молекула воды в поперечнике),а максимальная 11022 метров.но в среднем глубина океана составляет 3711 метров.
Сергей, Я думаю у картины тоже может быть цвет.Направляем на картину идеальный белый свет,затем ловим отражёный от картины свет и опрелделяем средний цвет.
Эдгар, ооо. Давно неслышно вас. Опять готовите какую либо теорию? Рад бы помочь, но я в теориях нуб. Рад что вы опять тут
Однозначно жидкое. Во первых, подавляющую долю объема планеты составляет мантия, это расплавленный (жидкий) хризопраз. Сверху тонкая корка литосферы, плиты которой находятся в постоянном движении, и вцелом планета флюктуирует, как всякая летящая в пространстве жидкая капля, подчиняясь приливным волнам вследствие гравитационных сил Солнца, Луны, Юпитера и в меньшей степени соседних планет.
Во вторых, если посмотреть по степени удаления орбит планет от солнца, самый твердый и плотный -Меркурий, а дальние - Юпитер, Нептун и тд, газовые. Венера, Земля,марс гдето посередине значит, ближе к жидкому состоянию должны быть.
Когда я размышляю о феномене жизни (клетке, организме), представляя что это все суть формы жидкости, возникшие на жидкой планете, многое становится на свои места
Екатерина, Планеты: Меркурий, Венера, Земля, Луна, Марс - относятся к планетам твёрдым, только различаются они по свойственности атмосфер и внутренних составов. А в принципе, все планеты солнечной системы можно отнести к группе твёрдых планет, так как они образованы, по разным, но закономерным , вариантам образования из одного и того же состава первичной материи. Первичной материей является та самая "тёмная материя", как мы её называем. Процесс образования "тёмной материи" так же происходит по закономерным событиям в истоках "чёрной дыры", как мы её называем, и в истоках ядра галактики, в том месте, где расположено ярко светящее ядро галактики. Но это не факт, это личное предположение.
Внутри каждого космического объекта, который смог приобрести шарообразную форму, находится ядро — причем иногда не простое, а многослойное. На громадной глубине даже самые привычные вещества вроде железа приобретают необычные свойства — разрастаются в гигантские кристаллы, становятся жидкими или начинают генерировать электрический ток. Внешнее и внутреннее ядро Земли прекрасно демонстрирует все эти аномалии — а еще оно стало первым в истории защитником жизни на планете.
Путь к ядру
Изучать ядро достаточно непросто — поверхность Земли и его верхнюю кромку разделяют 2900 километров. Непросто пробуриться на такие глубины — чем ниже опускаться под землю, тем выше растет температура. В Кольской скважине, которая пока остается самой глубокой, на глубине в 12 километров накал достигал 220°C! Уже при таких температурах сложно работать не только электронике, но и самой аппаратуре — ведь ее надо как-то опустить в скважину, а потом вынуть обратно.
Кольская сверхглубокая скважина
И даже преодолев литосферу, надо как-то пробиться сквозь раскаленную пластичную мантию. В двухтысячных годах был рассчитан проект, позволяющий зонду размером с небольшую дыню достичь ядра. Правда, в нем есть пара слабых мест — для того, чтобы добраться до ядра, нужно было взорвать несколько ядерных бомб, залить туда море раскаленного металла и изобрести такой материал, который мог бы выдержать температуру в 2–3 тысячи градусов по Цельсию! Но на бумаге все выглядело чудесно: вместе с потоком раскаленного железа зонд мог бы достичь ядра Земли всего за неделю.
Однако в ученых остался метод, позволяющий достаточно точно рассчитать плотность и объем ядра Земли — сейсмография. Колебания, исходящие от поверхностных слоев планеты — вибрации землетрясений или импульсы ядерных взрывов — распространяются не только по поверхности Земли, но и уходят глубоко в недра. Там они преломляются, увеличивая свою скорость прохождения — как преломляются световые волны, проходя через стекло или воду. Именно по тому, как изменяется сейсмическая волна при прохождении через планету, ученые сумели получить точные физические параметры ядра.
Схема движения сейсмических волн в теле Земли
Структура и характеристики ядра
Путь к знаниям долгий и тернистый, но плоды их сладки. На сегодняшний день достоверно известны следующие физические характеристики ядра Земли:
- Температура ядра Земли в центральной точке может доходить до 6000 градусов Цельсия — это столько же, как на поверхности Солнца! Но в отличие от светила, энергией глубины питают не ядерные реакции, а гравитация. Точнее, ее сжатие — давление в ядре превышает атмосферное в 3,5 миллиона раз, достигая отметки в 360 гигапаскаль. Хотя процессы атомного распада в глубинах Земли происходят, их вклад не столь большой. Да и без громадного сжатия они были бы вялотекущими и не столь продуктивными.
Классические основные сферы Земли
- Ядро Земли достигает 7000 километров в поперечнике — это больше не только Луны, но и Марса! Оно занимает не так много места внутри нашей планеты — около 15% объема — но зато его масса в 1,932 × 10 24 килограмм составляет 30% от всей массы Земли.
- Оказывается, что разные слои ядра вращаются в разные стороны. Сегодня считается, что внешнее жидкое ядро вращается вокруг своей оси с востока на запад, а внутреннее — с запада на восток, при этом еще и быстрее Земли. Впрочем, разница не очень значительная — за год оно опережает планету всего на четверть градуса
Внешнее ядро
Самый первый слой ядра, который непосредственно контактирует с мантией — это внешнее ядро. Его верхняя граница находится на глубине 2,3 тысячи километров под уровнем моря, а нижняя — на глубине 2900 километров. По составу оно ничем не отличается от нижележащих оболочек — давления гравитации попросту недостаточно для того, чтобы раскаленный металл затвердел. Зато его жидкое состояние является главным козырем Земли в сравнении с другими внутренними планетами Солнечной системы.
Как работает геодинамо
Дело в том, что именно жидкая часть ядра ответственна за возникновение магнитного поля Земли. Как наверняка известно читателю, магнитосфера служит щитом планеты против заряженных частиц открытого космоса и солнечного ветра. Они даже более опасны, чем излучение — частицы способны вывести из строя не только живые организмы, но и электронику. Биологи считают, что именно активное магнитное поле стало залогом выживания первобытных одноклеточных существ.
Как именно генерируется магнитное поле? Его порождает вращение жидкого железа и никеля в ядре. Магнитные свойства металлов тут ни при чем — это исключительно динамический эффект. А еще внешнее ядро подогревает мантию — причем в отдельных местах настолько сильно, что восходящие потоки магмы достигают даже поверхности, вызывая извержения вулканов.
Внутреннее ядро
Внутри жидкой оболочки находится внутреннее ядро. Это твердая сердцевина Земли, диаметр которой составляет 1220 километров — такой же размер у Харона, спутника-напарника Плутона. Эта часть ядра очень плотная — средняя концентрация вещества достигает 12,8–13г/см 3 , что в два раза больше густоты железа, и горячая — накал достигает знаменитых 5–6 тысяч градусов по Цельсию.
Высокое давление в центре Земли заставляет металл затвердевать при температурах, превышающих точку его кипения. При этом формируются необычные кристаллы, которые отличаются устойчивостью даже в обычных условиях. Считается, что внутреннее ядро представляет собой лес из многокилометровых кристаллов железа и никеля, которые направлены с юга на север. Для того чтобы проверить эту теорию, японские ученые потратили десять лет на создание особой алмазной наковальни — только в ней можно добиться такого давления и температуры, как в центре нашей планеты.
Еще во время начальных исследований ядра при помощи сейсмических волн, геологи заметили необычное отклонение колебаний внутри ядра по направлению с востока на запад. Так как из-за своего вращения Земля шире на экваторе, чем на полюсах, сперва на это не обратили внимание. Но последующее изучение выявило, что центральная часть ядра может быть всего лишь очередной оболочкой.
Механизм формирования ядра
Ядром обладают все планеты Солнечной системы, как и полноценные, так и карликовые — от величественного газового гиганта Юпитера до отдаленной и холодной Седны. Параметры ядра разнятся от объекта к объекту — так, у Меркурия ядро занимает 60% массы и 80% объема планеты, когда радиус ядра Луны составляет скромные 350 километров от 1735 километров общего радиуса спутника.
Тем не менее создание ядра любого космического тела, даже звезды, обязано одному интересному гравитационному явлению — дифференциации недр. Когда планеты только начинают формироваться из газовых туч вокруг молодой звезды, их вещество собирается вокруг первичных ядер: больших камней, сгустков льда или пыли. Когда молодая планета набирает достаточную массу, в действие вступает гравитация, втягивающая массивные элементы вроде железа к центру объекта — тем самым более легкие вещества, как вот кремний или кислород, выталкиваются на поверхность.
Земля во время активной аккреции в представлении художника
Во время этих перемещений выделяется громадное количество энергии, из-за которой планета расплавляется, а гравитация придает ей характерную сферическую форму. Тем самым процесс перемещения тяжелых веществ ускоряется. Астероиды, масса которых недостаточна для плавления, так и остались кучками пыли и камней, сбитыми вместе.
А все тяжелые элементы, которые ушли вглубь — в первую очередь железо и никель — сформировали центр планеты. Ядро Земли прошло весь долгий путь от пыли на орбите новорожденного Солнца до многослойного металлического шара — и сегодня оно греет и защищает нашу планету изнутри.
Наливаете стакан сока и добавляете туда лед, моете стакан водой, а потом можно еще паром обдать, чтобы стакан был совсем чистым. В этом процессе трижды используется вода, но в разных агрегатных состояниях. Давайте разбираться, в каких.
О чем эта статья:
Агрегатные состояния вещества
Чтобы разобраться с тем, какими бывают агрегатные состояния, предлагаю по ходу чтения статьи заполнять таблицу.
Агрегатные состояния
Свойства
Расположение молекул
Расстояние между молекулами
Движение молекулы
Лед, вода и водяной пар — это все три агрегатных состояния одного вещества. Лед — твердое состояние, вода — жидкая, пар — газообразное. Для каждого вещества существует три состояния.
Твердое состояние
Его очень легко представить — это любой предмет, который мы встречаем в жизни. В этом состоянии тело сохраняет форму и объем. Расстояние между молекулами, приблизительно равно размеру самих молекул, которые, в свою очередь, расположены очень структурированно.
Такая структура называется кристаллической решеткой — из-за четкой структуры молекулам сложно двигаться, и они просто колеблются около своих положений равновесия.
Заполняем нашу табличку
Агрегатные состояния
Свойства
Расположение молекул
Расстояние между молекулами
Движение молекулы
сохраняет форму и объем
в кристаллической решетке
соотносится с размером молекул
колеблется около своего положения в кристаллической решетке
Жидкое состояние
В этом состоянии сохраняется объем, но не сохраняется форма. Например, если перелить молоко из кувшина в стакан, то молоко, имевшее форму кувшина, примет форму стакана. Кстати, в корове у молока тоже была другая форма.
Расстояние между молекулами в жидком состоянии чуть больше, чем в твердом, но все равно невелико. При этом частицы не собраны в кристаллическую решетку, а расположены хаотично. Молекулы почти не двигаются, но при нагревании жидкости делают это более охотно.
Вспомните, что происходит, если залить чайный пакетик холодной водой — он почти не заваривается. А вот если налить кипяточку — чай точно будет готов.
Агрегатные состояния
Свойства
Расположение молекул
Расстояние между молекулами
Движение молекулы
сохраняет форму и объем
в кристаллической решетке
соотносится с размером молекул
колеблется около своего положения в кристаллической решетке
близко друг к другу
малоподвижны, при нагревании скорость движения молекул увеличивается
Газообразное состояние
В жизни мы встречаем газообразное состояние вещества, когда чувствуем запахи. Запах очень легко распространяется, потому что газ не имеет ни формы, ни объема (он занимает весь предоставленный ему объем), состоит из хаотично движущихся молекул, расстояние между которыми больше, чем размеры молекул.
Агрегатные состояния
Свойства
Расположение молекул
Расстояние между молекулами
Движение молекулы
сохраняет форму и объем
в кристаллической решетке
соотносится с размером молекул
колеблется около своего положения в кристаллической решетке
близко друг к другу
малоподвижны, при нагревании скорость движения молекул увеличивается
занимают предоставленный объем
больше размеров молекул
хаотичное и непрерывное
На самом деле, есть еще четвертое — плазма. Звучит, как что-то из научной фантастики, но это просто ионизированный газ — газ, в котором помимо нейтральных частиц есть еще и заряженные. Ионизаторы воздуха как раз строятся на принципе перехода из газообразного вещества в плазму.
С агрегатными состояниями разобрались, ура! Но до сих пор неясно, каким образом у каждого вещества их целых три, и как одно переходит в другое. Для этого узнаем, что такое фазовые переходы.
Фазовые переходы: изменение агрегатных состояний вещества
При изменении внешних условий (например, если внутренняя энергия тела увеличивается или уменьшается в результате нагревания или охлаждения) могут происходить фазовые переходы — изменения агрегатных состояний вещества.
Фазовые переходы интересны тем, что все живое не Земле существует лишь благодаря тому, что вода умеет превращаться в лед или пар. С кристаллизацией, плавлением, парообразованием и конденсацией связаны многие процессы металлургии и микроэлектроники.
На схеме — названия всех фазовых переходов:
Переход из твердого состояния в жидкое — плавление;
Переход из жидкого состояния в твердое — кристаллизация;
Переход из газообразного состояния в жидкое — конденсация;
Переход из жидкого состояния в газообразное — парообразование;
Переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое — сублимация;
Переход из газообразного состояния в твердое, минуя жидкое — десублимация.
График фазовых переходов
Если взять процесс превращения льда в воду, воды — в пар, и обратные действия, то мы получим очень информативный график.
Разбираемся по шагам.
Сначала взяли лед, конечно, при отрицательной температуре, потому что при нуле лед начинает плавиться. Нагрели лед до температуры плавления (до 0 градусов Цельсия).
После того, как лед нагрелся до температуры плавления, он начинает плавиться. В точке B это еще лед, а в точке C — уже вода. Плавление происходит при постоянной температуре и тем дольше длится, чем больше масса плавящегося вещества. Еще этот процесс зависит от свойств самого вещества, но об этом немного позже.
Расплавленное вещество уже в жидком состоянии снова начинает нагреваться, и температура увеличивается, пока не достигает температуры кипения. В данном случае нагревается вода — это значит, что ее температура кипения равна 100 градусам Цельсия.
- DE — кипение (парообразование) воды
При 100 градусах вода кипит, пока не выкипит целиком. В данном случае процесс, как и плавление, происходит при постоянной температуре. Но парообразование нельзя путать с испарением, потому что парообразование происходит при конкретной температуре, а испарение — при любой .
Далее полученный пар нагревается, но путем нагревания невозможно дойти до другого фазового перехода — можно пойти только обратно.
Первый шаг в обратную сторону — охлаждение до температуры кипения.
Дойдя до температуры кипения (в данном случае 100 градусов), пар начинает переходить в жидкое состояние. Этот процесс также происходит при постоянной температуре.
Сконденсировавшись, вода охлаждается, пока не начнет замерзать.
Кристаллизуется (замерзает) вода при той же температуре, что и плавится лед — 0 градусов. Кристаллизация также происходит при постоянной температуре.
После кристаллизации лед охлаждается.
С нагреванием и охлаждением все совсем просто — мы либо передаем теплоту телу (веществу), и оно идет на увеличение температуры, либо тело отдает тепло и охлаждается.
В остальных процессах температура не меняется. Это связано с тем, что количество теплоты не всегда зависит от температуры. Формулы для всех процессов выглядят так:
Нагревание
Охлаждение
Q — количество теплоты [Дж]
c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг · ˚C]
m — масса [кг]
tконечная — конечная температура [˚C]
tначальная — начальная температура [˚C]
Плавление
Кристаллизация
Q — количество теплоты [Дж]
λ — удельная теплота плавления вещества [Дж/кг]
m — масса [кг]
Парообразование
Конденсация
Q — количество теплоты [Дж]
L — удельная теплота парообразования вещества [Дж/кг]
m — масса [кг]
Онлайн-уроки физики в Skysmart не менее увлекательны, чем наши статьи!
Решение задач по фазовым переходам
С теорией разобрались — а теперь давайте практиковаться!
Задачка раз. Температура медного образца массой 100 г повысилась с 20 °С до 60 °С. Какое количество теплоты получил образец? Удельную теплоёмкость меди считать равной 380 Дж/(кг · °С)
Сначала нужно перевести массу в килограммы:
Q = 380 · 0,1 · (60 − 20) = 1520 Дж
Ответ: образец получил 1520 Дж
Задачка два. Какое количество теплоты необходимо для плавления 2,5 т стали, взятой при температуре плавления? Удельная теплота плавления стали λ = 80 кДж/кг. Теплопотерями пренебречь.
Сначала нужно перевести массу в килограммы и удельную теплоту в Дж/кг:
80 кДж/кг = 80 000 Дж/кг
Q = 80 000 · 2500 = 200 000 000 Дж = 200 МДж
Ответ: для плавления 2,5 т стали необходимо 200 МДж теплоты.
Сублимация и десублимация
Мы уже рассказали про такие процессы, как сублимация и десублимация.
- Переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое — сублимация (возгонка);
- Переход из газообразного состояния в твердое, минуя жидкое — десублимация.
Примерчики из жизни🤓
Про белье. Попробуйте повесить белье сушиться на улицу в мороз. Поскольку вода замерзает из-за низких температур, белье должно вернуться домой в виде большого айсберга, но этого не происходит — оно возвращается абсолютно сухим. В данном процессе произошла возгонка молекул воды (сублимация).
Про принтеры. Цветные принтеры (только не лазерные) печатают путем сублимации. Вот как это работает: частицы краски быстро переходят из твердого состояния в газообразное и оседают на бумаге — так получается цветная картинка.
Рисуночки на окнах. Если вы решите проехаться на автобусе в холодную погоду — увидете на стеклах чудесные узоры. Из-за огромной разницы температур между улицей и автобусом, мы можем наблюдать процесс десублимации в виде красивых рисунков на стеклах. Иней образуется похожим способом — резкое похолодание приводит к десублимации воздуха.
Влажность воздуха: испарение и конденсация
Такие процессы, как испарение и конденсация, становятся более логичными и простыми, если их рассмотреть на примере влажности воздуха.
Влажность воздуха говорит нам о том, сколько в воздухе содержится водяного пара. Любое количество пара в воздух не запихнешь, поэтому, во-первых, его там очень мало, а во-вторых, при избыточном количестве водяного пара происходит конденсация — это когда образуется роса.
Допустим, зимой при температуре −20 градусов в 1 литре воздуха содержится 1 миллиграмм пара. Относительная влажность в таком случае равна 100% — испарения не будет, больше пара в этот воздух уже не запихнешь. Но если мы тот же воздух поместим в помещение с температурой +20 градусов, то в него может испариться уже до 17 миллиграмм пара. Значит, что его влажность будет равна 1/17 = 6%. Человеку комфортнее всего находиться при значении влажности 40–50%.
Как влажность влияет на человека
Для человека влажность очень важна, потому что мы состоим из воды на 90%. Если окружающей среде нечего испарять, она будет испарять нас. Поэтому при низкой влажности мы чувствуем сухость во рту, а при высокой — волосы впитывают влагу, разбухают и начинают виться. На этом принципе построены некоторые гигрометры — приборы для измерения влажности. Они так и называются — волосяные гигрометры. Только внутри не человеческий волос, а конский, но принцип от этого не меняется.
При высокой влажности холод и тепло воспринимаются более чувствительно. Это связано с потливостью человека при высокой температуре. Такой механизм помогает нам бороться с жарой, но при высокой влажности пот не может испариться. При испарении пота мы теряем избыточное тепло, а в данном случае этого не происходит.
При низкой влажности происходит нечто похожее. Как ни странно, в мороз мы тоже потеем (намного меньше, но все-таки это происходит). Если влажность на улице низкая, то пот испарится из-под куртки и нам будет комфортно, а при высокой влажности — он там задержится и будет проводить тепло наружу, забирая у нас драгоценные Джоули тепла. Поэтому зимой в Петербурге холоднее, чем в Москве.
Влажностью можно управлять. Существуют мешочки с шариками адсорбентами, которые кладут в коробки с обувью, чтобы впитать лишнюю влагу. Чтобы окна не запотевали, можно насыпать в рамы соль, которая также впитает влагу. А если вам наоборот нужно больше влаги — берем увлажнитель воздуха (классная вещь!): он добавляет в воздух водяной пар.
Читайте также: