地球成长与构造形成的热力学分析,本文是关于热力学类毕业论文题目范文跟热力学和热力学分析和地球成长有关毕业论文开题报告范文.
热力学论文参考文献：
摘 要：地球生成于热星云物质,在地球成长过成中星云物质不断汇集于原始地球,地球不断增大,增大的同时,各种能量转化为热能,致使成长中的地球不断升温.地球一边成长一边升温,升温必将发生热运动,热运动促成原始地球物质不断地“自组织”的物理化学运动,从而产生物质分异,圈层演化、大陆海洋的形成.持续不断的热运动引起大陆的联合与裂解及海洋的扩张与地台活化等,而这些无不与热运动、热力做功相关联.
关键词：地球运动动力；大陆漂移；海底扩张；热力学第一定律；热力学第二定律
doi:10.16083/j.cnki.1671-1580.2018.07.049
中图分类号：P641.2 文献标识码：A 文章编号：1671—1580（2018）07—0179—05
海底扩张,大陆漂移以及地台活化等,源于何因？学界并无定论,但地球动力各有主张,各有道理.但各种地球动力学说几乎均绕过地球内部是热的、高温的这一实际状况,而忽视热运动的方向与热运动而引起的对外做功.热运动做功是否是引起海底扩张、大陆漂移、地台活化等的动力,通过对地球形成过程热运动的分析,主张构造运动均缘于热运动.目前有一些学者的大地构造的研究已指向了热运动的作用,下面就从地球的起源开始分析这一热力学过程的连续运动.
一、热力学理论简述
在讨论地球热力学运动中,主要涉及热力学第一、二定律及热循环过程和粒子受热的运动变化.热力学第一定律：热力学系统由某一状态经过任意过程到达另一状态时,系统内能的增量等于在这个过程中外界对系统所做功和系统所吸收的热量的总和.数学表达式为：
U2-U1等于Q-A或dQ等于dU+dA ………………… （1）式中：U……内能,Q……热量,A……功.热力学第二定律：
不可能从单一热源吸取热量,其完全变为有用功而不产生其他影响.它有一个直接推论称为克拉佰龙方程,它反应了相变的规律,表达式为：
式中：l 为相变潜热,T 为温度,ν 为物质比容,p为压强.
循环过程：一系统由平衡态出发,经历任意的一系列过程又回到原来的平衡态的整个变化过程,叫做循环过程.
循环过程有正循环和逆循环之分.图1 中,p 为压强,V为比容,沿abcda 循环为正循环,系统对外界做功,反之为逆循环,外界对系统做功.对于图1及式（1）可用图2形象表示.
粒子间作用关系：热力学研究表明,温度降低或升高形成矿物粒子间作用力发生变化,粒子势能发生变化.粒子间作用力分为四类.在一些况下势能可表述为：Ep 等于Am /rm -An /rn ,Am,An,m,n 的大小由晶体的结构和作用力性质决定.作用力大小F 等于-dEp/dr .对此粒子之间作用力和势能可用图3 表示.在图3 中当温度为T2 时粒子运动范围在r1 和r2 之间运动,平衡位置为-r2 ；当温度为T1 和T3时平衡位置为-r1 和-r3 ,温度上升粒子在图3 中平衡位置向右,而远离平衡位置r0 ,否则向左.热流传输有五种：辐射、传导、对流、声子、激子.
二、对目前地球研究情况的简述
（一）地球的起源及陨石
地球的起源与整个太阳系的起源相联系,地球是从太阳系星云诞生的,是由较重元素组成的星子聚集、增生吸积凝结作用形成.有非均匀和均匀聚集模型两种模型,均强调地球的升温,岩矿均已熔融.陨石是来自地球以外的太阳系中其他天体的样品,与地球成分相仿.
（二）地球动力学假说
地球动力学假说有很多：地球收缩说,地球彭胀说,地球脉动说,地球自转说,重力分异说,重力作用说,涌流构造说,层块构造热涌说,热点—地幔柱说,星际作用说等.
（三）地球的结构、密度、压力及温度地球内部结构,以布伦的地球分为地壳厚0～33km,地幔厚约2900km,地核半径约3470km 的方案广为大家接受、认可.
图4 为温度变化规律,从中可以看出,由地表到地心温度逐渐升高,至地核处温度高于3000k.图5 中显示了地球视密度随深度的变化规律,地核处有一密度大跃升.
图6 是压力随深度的变化规律图.地球内的压力从地表到3000km,压力基本上是线性增大,约3000km 附近有一转折.在图示的交点处压力已到140 万个大气压,实际情况与这个数值相符的话地核已是超固态,原子已“压碎”,压出的电子形成“电子气”.
（四）地球的年龄及满足地球动力学的条件
有学者提出原始太阳系星云温度高达2000k,地球最初为一个大火球.44 亿年以CO2 为主的大气,温度500 度～ 600 度.地球年龄为45.52 亿年,西澳大利亚的太古宇沉积岩的碎屑锆石中有44 亿年～42 亿年的年龄,附近沉积变质岩系中发现有生物变质而成的有机碳.对地球形成后1.52～3.52 亿年如何演化至少现在还没发现地质记录,也就意味着地球是热的,甚至可能是熔融态.
马宗晋等（2003 年）提出的地球动力假说至少要满足三个条件：1.能对全球的构造特征及其空间规律、构造演化过程做出解释；2.所依赖的动力因子既有足够的能量,其作用方式又能合理地说明构造变形场的特征；3.符合物理学—化学性质.结合这三个条件以地球曾经发生熔融为前提条件的话,比及前述的动力学模型,热力学也许能对全球动力探究是个有益的不错的选项.所以下面以原始星云是热的为前提,叙述地球成长过程.
三、地球成长过程及热力学运动
（一）地球的成长过程
通过对前面两种模型比对认为：当某一较大星子对其附近星子的引力作用强时,引起附近星子撞向这一较大星子,使这一星子引力更大,对其附近星子作用力更强,撞向这颗星子数量随时间推移将更密集和更多；到一定时间后撞向地球的星子达到高峰,尔后随时间推移撞向地球的逐渐减少,其陨石撞击地球的过程可能如图7 所示,图8 显示了地球增长的这一过程.这一过程与太阳系力学平衡有关,是一复杂的天体力学过程.
（二）地球成长过程的热力学过程
1.地球成长过程的增热过程
在发生第一颗星子撞击后,原始地球因以下四种情况生热：（1）放射性生热；（2）部分引力位能转换为地球内部热能；（3）一部分重力位能转换成地球内部热能；（4）地球的旋转动能转换成内部热能.这些能量促使原始地球温度高于原始星云.
当原始星云物质如图7,随时间不断向原始地球撞击,原始地球将随时间的增加、撞击原始地球陨石的增多,原始地球持续升温、半径增大,如图8；粒子间距离也增大,易挥发性元素进入太空.但先形成的地球内部会低于后形成地球外部,依据第二定律外部热量将通过辐射、传导、对流、声子、激子向内传输；同时向低温的外太空辐射能量,形成原始地球由外而内,由低变高,其温变化规律推测应与图4 相类似,其视密度、压力也将类似于图5、6.当到达图7 中图式的A点,原始地球升温到最高,如图8所示.
2.地球成长过程的物理化学运动过程
陨石形成于一种环境且各种陨石成分的不同,熔融后在地球这种环境原子要打破原有存在状态,将重新“自组织”,易挥发物质形成原始大气,“新矿物”依据重力平衡：轻者上浮,重者下沉,最初的分异伴随第一次撞击就开始了.熔融态比重小的并相近的不同矿物通过自组织布于原始地球表面,比重大的矿物居置其下,从而形成最初的“壳、幔、核”.这种过程随陨石的持续增加而持续更新,到图7 所示的A点达到高峰.
从第一次陨石撞击地球开始,由于原始地球与外太空存在温差,因而形成地球内部为供热,外部为降温,同时陨石分布原始地球的不均,因而存在横向温度的不均,所以融态的地球形成一个类似图1、2 的热力循环系统.物质的循环,其上升的地方可见其上升流,图9 大方框内即是,上升流加速比重小的物质上浮,视密度大下沉,当上升流上升到一定程度后温度开始降低,温度降低一直持续到进入视密度为d1 下部,然后开始升温,逐渐形成下降流,下降流图10 小方框即是,下降流持续升温直至升温回到大方框内,完成环流.依据第一定律升温熔融物质循环必对外做功,做功的结果漂浮物“壳”将受力变形,循环的物质在“壳”下不断俯冲,致使“壳”向多个中心汇聚形成很多“陆”.而图9 中处于视密度d1间的是另一种“壳”,至此最初的“大陆”“板块”“俯冲”“扩张”运动形成.这种热运动在原始地球上有很多很多,并且随陨石的不断增多,上述热运动将越剧烈,到图7 显示的A 点到达高峰.图9 中d1 <d2 <d3 .在上述过程中密度大的物质向地心方向运动,从而形成密度外低内高的圈层密度分布,其压力分布也类似.上面的上升流就形成目前说的地幔柱,下降处即形成冷地幔柱.
随撞击地球的陨石增多,地球半径就不断增大,地球内部压力不断增大,到某一半径时,根据克拉珀龙方程地心将出现固相（压力小于140 万个大气压）；地心固相大小随原始地球半径增大而增大,当地球半径再增大到一定程度,压力超过140 万个大气压,原始地心将出现超固态相,地球增长过程的物质相态如图8 所示.至此,成长中的原始地球已成长为有大气的由地心向外依次为：超固态相,固态相,液态相.
四、降温过程地球的热力分析
陨石减少到图7 示的A点,由于陨石还较多,保持一段时间后,温度将开始下降.降温的开始意味着粒子向平衡位置运动,如图3 所示.降温根据克拉柏珑方程必然引起相变.
（一）降温初期的热力学过程
如图7 所示,撞击地球的陨石达到A后,在这一阶段,撞击地球的陨石仍是多而密集,降温并不明显甚至是保持陨石撞击数量最多时达到的最高温度,而在这一阶段快结束时出现明显的温度降低.明显的温度降低,原始的地球大气要做出“自组织”调整,因而易挥发物质开始回到地球表面,大气压力下降.地球表面由此向平静转变,根据目前地球大陆为硅铝层,地球的表层的矿物应当以铝硅酸盐为主.处于地球表面的铝硅酸盐通过辐射、传导、对流、声子、激子传热,逐渐以辐射为主向外输送能量,失去能量后的硅铝酸盐表层黏度变大,硅铝酸盐逐渐出现塑性,如图10 所示,内部固相进一步向地表靠近,温度降至Tk .
（二）降温中期的热力学过程
在图10 中对处于图示中期阶段,以地球的降温为主要,在某个时间点壳层出现固相,内部固相进一步向地表靠近.由于地球圆周运动的作用,作用的结果黏度最小的岩浆处于赤道及其附近,这可能是地球温度不均的一个原因,另就此阶段陨石已非常少,但也会造成温度的不均及内部高温,必然持续地造成图9 所示的热力运动,这时已不如初期剧烈.但却使得硅铝层面积进一步减小,硅铝物合并进一步加强,硅镁物出露进一步加大,在图9 的大方框内可能还见融态物上涌,出框后很快即见塑性,不久就见固性.
（三）降温终期的热力学过程
在图10 降温终期,原始地球表面固相厚度更进一步加厚,内部固相圈向地球表面方向进一步发展,直至出现目前地球的构造形态.尽管温度的降低岩矿都已成为固相,但地球内热运动并没有停止,在径向上存在地温梯度,在弧面上存在温度不均,因此热运动依然存在,只不过图9 所示的热运动不再剧烈明显,只是在大时间尺度上可观察到.而内部热流的传输,由内而外声子、激子、对流逐渐减弱直至失去作用,而对于辐射、传导也将逐步减弱,它们的作用在不同阶段而不同.
五、降温后的地球热运动及动力
美国一个研究地球内部结构的学术团队,在核慢边界发现致密团块结构,见图11.其中有两块,分别位于太平洋和大西洋的底部,尺寸都在大陆级别,厚度近800km.他们认为：新发现的结构,几乎和地球的年龄非常接近,很可能是地球形成初期的残留物.并推断,这些巨大结构的存在很可能左右着地球的地质运动,与火山和板块运动等相联系.图12 是他们发表的另一图,在其图上可看到类图10 所示的流线,若此即为,那么有理由推断这些团块就相当于图2 所示的锅炉,因此可推断热力做功塑造了地球构造.图9 仅是一示意图,根据图12 实际做功热力流线要比其复杂得多,洋壳应当是热力循环的一部分.
而引起这些运动的力,可进一步从分子内部做分析,对一个氢分子而言,分子直径的量级10-10m ,其键长小于这个量级,键力大小据库伦定律为F 等于Gq2/r2 .当其受热后分子将克服F 等于Gq2/r2 分子增大,增大量为dr ,键力变为F′等于Gq2/(r +dr)2 ,两力差F′-F ,这个力差为受热向外膨胀的力,膨胀仍限制在保持分子大小不变,这个力差产生的应力估算应为(F′-F)/(πr2/4) ,以微分方式估算为-8Gq2/(πr5)dr ,以r 等于10-10m ,当dr 为r 的1/10,1/100,1/1000 时,q 等于1.6×10-19C ,应力分别为5.87×102Gpa ,5.87 ×102Gpa ,5.87 Gpa .对多原子分子来说,在升温时,对外应力应不小于上述值.
六、地球的热力运动做功证据
海底扩张以及岛弧下的俯冲带及大洋中脊是热力做功最好的证明.大洋中脊一般位于水下2.5km ～ 2.7 km ,高度是2 km ～ 3 km ,大洋中脊地壳厚度是2 km ～ 6 km ,宽度是1500 km ～ 2000 km ,大洋中脊裂谷一般宽度是20 km ～ 50 km ,深度是1 km ～ 3 km .大洋中脊相当于图9 所示方框内上部凸起部分.大洋中的岛弧,如日本岛弧,琉球岛弧,阿留申岛弧,等等,其下已被证明有洋壳俯冲,这一部分相当于图9示的被硅铝层掩盖部分.
七、结语
地球自形成开始,热运动即伴随,地球的演化历史不如说是地球热运动的历史.所以热运动也许对开展地球构造及地球动力学研究会是一个不错的选项.同时也当承认,即便是冷的原始星云,只要生热达到一定的温度,本文所论述的热力过程一定发生.当然不排除上述研究得不当.
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汇总：上文是一篇关于热力学和热力学分析和地球成长方面的热力学论文题目、论文提纲、热力学论文开题报告、文献综述、参考文献的相关大学硕士和本科毕业论文.
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