Se a gravidade no centro da Terra é zero, por que elementos pesados como o ferro estão lá?

Esqueça a força. Força é um pouco irrelevante aqui. A resposta para esta questão está em energia, termodinâmica, pressão, temperatura, química e física estelar.

A energia potencial e a força andam de mãos dadas. A força gravitacional em algum ponto dentro da Terra é a taxa na qual a energia potencial gravitacional muda em relação à distância. Força é o gradiente de energia. A energia potencial gravitacional está em seu nível mais baixo no centro da Terra.

É aqui que a termodinâmica entra em jogo. O princípio da energia potencial total mínima é uma consequência da segunda lei da termodinâmica . Se um sistema não estiver em seu estado de energia potencial mínima e houver “um caminho para esse estado, o sistema tentará seguir esse caminho. Um planeta com ferro e níquel (e outros elementos densos) igualmente misturados com elementos mais leves não é a condição de energia potencial mínima. Para minimizar a energia potencial total, o ferro, níquel e outros elementos densos devem estar no centro de um planeta, com elementos mais leves fora do núcleo.

Deve haver um caminho para esse estado de energia potencial mínimo, e é aqui que a pressão, a temperatura e a química entram em jogo. São elas que criam as condições que permitem à segunda lei da termodinâmica diferenciar um planeta. Como contra-exemplo, o urânio é bastante denso, mas ainda assim o urânio está empobrecido no núcleo da Terra, ligeiramente empobrecido no manto da Terra e fortemente aumentado na crosta terrestre. A química é importante!

O urânio é bastante reativo quimicamente. Tem uma forte afinidade para se combinar com outros elementos. O urânio é um litófilo (” amante da rocha ” ) elemento de acordo com a classificação Goldschmidt de elementos. Na verdade, o urânio é uma ” elemento incompatível ” , que explica a abundância relativa de urânio na crosta terrestre.

Níquel, cobalto, manganês e molibdênio, junto com os metais mais raros e preciosos, como ouro, irídio, ósmio, paládio, platina, rênio, ródio e rutênio, são bastante inertes quimicamente, mas se dissolvem prontamente em ferro fundido. Estes (junto com o próprio ferro) são os elementos siderófilos (amantes do ferro). Na verdade, o ferro não é tão siderofílico quanto os metais preciosos. Ele enferruja (fazer o ferro é um pouco litofílico) e se combina prontamente com o enxofre (tornando o ferro um pouco calcofílico).

É aqui que a pressão e a temperatura entram em jogo. A pressão e a temperatura são extremamente altas dentro da Terra. A alta pressão e a alta temperatura forçam o ferro a abrir mão de suas ligações com outros compostos. Portanto, agora temos ferro e níquel puros, além de vestígios de metais preciosos, e a termodinâmica deseja muito que esses elementos densos se acomodem em direção ao centro. As condições agora estão certas para que isso aconteça, e foi exatamente o que aconteceu logo após a formação da Terra.

Finalmente, há a física estelar. A Terra teria um minúsculo núcleo de elementos raros, mas densos, se o ferro e o níquel fossem tão raros quanto o ouro e a platina. Não é esse o caso. Ferro e níquel são elementos surpreendentemente abundantes no universo. Há uma tendência geral de elementos mais pesados serem menos abundantes. Ferro (e em menor grau, níquel) são duas exceções a esta regra; veja o gráfico abaixo. Ferro e níquel são onde o processo alfa na física estelar para. Tudo mais pesado que o ferro requer processos exóticos, como o s-processo ou aqueles que ocorrem em uma supernova para criá-los. Além disso, as supernovas, particularmente as supernovas do tipo Ia, são produtoras prolíficas de ferro.Apesar de suas massas relativamente pesadas, ferro e níquel são elementos bastante abundantes em nosso universo envelhecido.

_{(fonte: virginia.edu )}

Comentários

• A imagem, pelo menos começando com $ \ mathrm {Sn} $, tem números atômicos (ou nomes de elementos) desordenados.
• Isn ‘ Será que o que é rotulado como Sn deve ser Cd? Acho que as outras estão ok.
• Essa ‘ é uma imagem da Wikipédia. Eu tenho o que paguei. Tin (Sn) deve ser simplesmente deslocado para ‘ s após o índio (In) em vez de antes dele.
• Onde está essa figura na Wikipedia?
• @PeterMortensen – en.wikipedia.org/wiki/File:SolarSystemAbundances.png . Eu ‘ vou substituir essa imagem wiki por uma mais confiável.

Existem duas quantidades diferentes para distinguir: a força gravitacional e o poço gravitacional. No centro da Terra, a força gravitacional é zero, mas o poço gravitacional é mais profundo. Os elementos pesados tendem a migrar para o ponto mais baixo do poço gravitacional, então eles estão no centro, embora a força seja zero lá.

Se eu deixar cair uma bola aqui na superfície da Terra, ela irá acelerar para baixo em cerca de $ 10 \, \ mathrm {m / s ^ 2} $ Isso ocorre porque a força gravitacional o puxa para baixo. A força gravitacional puxa as coisas em direção ao centro da Terra. Conforme você sobe cada vez mais, a força gravitacional fica mais fraca. Se você subir em um prédio alto, a força gravitacional diminui alguns milésimos de um por cento, mas se você for para o espaço, digamos até a lua, ela fica muito mais fraca, eventualmente ficando tão fraca que você mal pode notar mais.

Conforme você desce na Terra, a força gravitacional fica mais forte porque você está se aproximando das coisas pesadas no centro da Terra. No entanto, se você descer milhares de milhas ( muito mais longe do que temos a tecnologia para ir hoje), a força gravitacional começará a ficar mais fraca porque a maior parte da massa da Terra está acima de você agora e não está mais puxando você para baixo em direção ao centro. Assim, a força gravitacional atinge o máximo em direção ao centro, depois começa a desaparecer. Bem no centro, a força gravitacional é zero porque há uma massa igual puxando você de todos os lados, e tudo se cancela. Se você construísse uma sala lá, poderia flutuar livremente. Isso é o que significa dizer que a gravidade é zero no centro da Terra.

No entanto, o poço gravitacional é uma história diferente. Trata-se de quanta energia seria necessária para escapar da Terra. Se você está na superfície da Terra, isso é cerca de 60 milhões de Joules por quilograma. À medida que você sobe, fica cada vez menor e, se você for muito longe, efetivamente cai para zero quando você está longe o suficiente a atração gravitacional da Terra é insignificante.

Conforme você desce mais fundo na Terra, você fica cada vez mais fundo no poço gravitacional. Mesmo quando você está nas profundezas da Terra e a atração gravitacional não é muito forte, descer ainda mais afunda você no poço gravitacional da Terra.

A força gravitacional e o poço gravitacional estão relacionados. A força é a velocidade com que o poço se aprofunda. Quando você entrar profundamente na Terra, mas não exatamente no centro, a força gravitacional é pequena. Isso significa que se mover mais para baixo o coloca mais fundo no poço gravitacional, mas apenas gradualmente. A inclinação do poço é rasa lá, mas ainda está ficando mais profunda .

A grosso modo, os elementos em um planeta como a Terra tentarão minimizar sua energia gy. Eles fazem isso mergulhando o mais profundamente possível no poço gravitacional, porque quanto mais fundo eles vão no poço, mais baixa sua energia. As partes profundas do poço se enchem, porém, porque nem tudo pode caber bem no centro. A energia é minimizada colocando o material pesado, como o ferro, no centro, e o material mais leve no alto.

Esta está longe de ser uma descrição perfeita da Terra porque é o que acontece no equilíbrio e em temperatura zero, e isso “não é a Terra, mas é uma aproximação grosseira decente do que acontece na Terra.

Então sua resposta é que a força gravitacional é zero no centro, mas a energia gravitacional é mais baixa lá , e coisas pesadas vão para onde a energia gravitacional é mais baixa, então é por isso que o centro da Terra é principalmente de coisas pesadas.

Aqui está um experimento de pensamento interessante.

Imagine que você tem um poço de elevador para o centro da Terra que, por alguma razão estranha, não afeta o campo gravitacional da Terra e não “t inundar com magma.

Ok, agora na superfície da Terra pegue uma garrafa, meio cheia com óleo e meio cheia com água.A água é mais densa do que o óleo, então a força da gravidade na água é maior do que a força da gravidade no óleo … então a água afunda e o óleo flutua no topo.

Agora, desça o poço do elevador. A gravidade é mais fraca ou mais forte aqui? Bem, para a nossa garrafa de óleo isso realmente não importa. Qualquer que seja a gravidade, ela ainda produz uma força maior na água do que no óleo, então a água sempre afundará.

Em termos de materiais flutuando ou afundando em relação a outros materiais, não importa onde a gravidade é forte ou fraca, o que importa é apenas a direção da gravidade.

Então, por que a Terra não é uma grande esfera de materiais em camadas por densidade? Bem … em grande parte é. O ferro (7.870 kg / m ^ 3) é mais denso que o magma (~ 2.500 kg / m ^ 3) é mais denso que a água (1000 kg / m ^ 3) é mais denso do que o nitrogênio (~ 1 kg / m ^ 3) … e essa é a ordem em que você geralmente os encontra.

E quanto às exceções? Por que há ouro (19.300 kg / m ^ 3) e ferro na crosta terrestre … Sugiro a postagem de David Hammen.

Tentarei dar uma resposta muito aproximada para sua mãe (conforme solicitado), assumindo a Terra esférica e várias outras aproximações. Não sou especialista em geofísica ou física estelar. e se você quiser detalhes ou maior precisão, sugiro que dê uma olhada em outras respostas, como a de David Hammen e outros.

Sobre a gravidade

Primeiro, com relação à gravidade. Existe gravidade no centro da Terra, e se não, por que algo deveria ser atraído para lá?

Um exercício básico ao estudar a gravidade é calcular a força da gravidade dentro de uma concha esférica vazia de matéria (como o borracha de uma bola de basquete). A resposta é: não há gravidade produzida pela concha esférica dentro da concha, embora haja gravidade externa produzida pela concha.

Se você considerar agora uma shere cheia de matéria, terá um raio de 6.371 km ( como a terra), e um ponto a 5000 km do centro, você pode decompor em uma esfera completa de raio de 5000 km e uma concha esférica ao redor dela com 1371 km de espessura. A concha esférica não causa gravidade, portanto, toda a gravidade que há para ser observada é aquela produzida pela esfera de raio de 5000 km.

Isso é realmente verdadeiro para qualquer raio, de modo que, no centro de Terra, ou seja, com um raio de 0 km, não há mais nada para produzir gravidade, pois toda a matéria está na “casca”.

Mas isso não importa muito, pois há alguma gravidade em direção ao centro assim que você se distanciar do centro, por mais fraco que seja quando perto do centro, de modo que com o tempo, a matéria mais pesada tenderá a afundar, ou seja, ao centro.

Então há a questão do que é mais pesado.

O que é feito da Terra

A matéria original no universo (não voltando ao Big Bang) é composta principalmente de elementos muito leves, principalmente hidrógeno. As estrelas se formam por acréscimo dessa matéria sob forças gravitacionais e começam a fundi-la (reação nuclear) em elementos mais pesados e a produzir energia que percebemos (parcialmente) como luz. Eles tendem a produzir muitos elementos como o ferro (e outros que ficam ao redor do “meio” da mesa dos elementos, porque estes têm o núcleo atômico mais estável do qual pouca energia pode ser extraída, de modo que as estrelas morrem (de várias maneiras) quando eles transformaram sua matéria em tais elementos. A explosão final de algumas estrelas (supernovas) produz elementos mais pesados, mas não em tão grande quantidade. Isso explica (de forma grosseira) por que o ferro (e alguns outros elementos) tende a estar disponível em maior quantidade .

Por que a matéria não é estratificada por densidade.

Mais uma vez, não sou um especialista, pois há uma variedade de fenômenos em ação. Aqui estão dois exemplos.

Na verdade, como pelo menos parte do planeta é um tanto fluido, pode-se esperar que os componentes pesados afundem. Mas há muito calor produzido dentro do planeta, devido em particular à radioatividade, e esse calor produz convecção (e portanto, deriva). Convecção significa movimento, movimento de matéria. Isso é mais aspecto dinâmico.

Outro fenômeno é que os elementos químicos raramente são puros. Eles se combinam física ou quimicamente para fazer compostos que possuem propriedades físicas diferentes. Um composto formado por um elemento pesado e um leve pode ser bastante leve e fazer o componente pesado flutuar em direção à superfície do planeta, a parte mais leve desempenhando o papel de uma bóia. Portanto, embora o urânio seja muito mais pesado do que o ferro, os compostos de urânio com elementos mais leves podem ser encontrados na superfície do planeta ou muito perto dela. O fenômeno depende muito da capacidade dos diferentes tipos de elementos mais pesados de se combinarem com os mais leves.

Você também deve levar em consideração que a Terra levou muito tempo para se formar e a importância dos diferentes fenômenos pode ter mudado ao longo do curso de sua formação.

Pegue um copo dágua e duas bolinhas do mesmo tamanho, uma de ferro e outra de alumínio. Ambos chegarão ao fundo, finalmente, mas devido à flutuabilidade, o ferro se assentará primeiro.

A Terra foi descoberto que tinha um núcleo interno sólido distinto de seu núcleo externo líquido em 1936,

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Acredita-se que ela consista principalmente de uma liga de ferro-níquel e tenha aproximadamente a mesma temperatura da superfície do Sol: aproximadamente 5700 K (5400 ° C).

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Acredita-se que o núcleo interno da Terra O crescimento lento do núcleo externo líquido na fronteira com o núcleo interno esfria e se solidifica devido ao resfriamento gradual do interior da Terra (cerca de 100 graus Celsius por bilhão de anos). Muitos cientistas esperavam inicialmente que, como o núcleo interno sólido foi originalmente formado por um resfriamento gradual do material fundido e continua a crescer como resultado desse mesmo processo, o núcleo interno seria considerado homogêneo. Foi até sugerido que o núcleo interno da Terra poderia ser um único cristal de ferro. No entanto, essa previsão foi refutada por observações que indicam que, de fato, há um grau de desordem dentro do núcleo interno. Os sismólogos descobriram que o núcleo interno não é completamente uniforme, mas em vez disso contém estruturas de grande escala, de modo que as ondas sísmicas passam mais rapidamente por algumas partes do núcleo interno do que por outras. Além disso, as propriedades da superfície do núcleo interno variam de lugar para lugar em distâncias tão pequenas quanto 1 km. Esta variação é surpreendente, uma vez que as variações laterais de temperatura ao longo da fronteira do núcleo interno são conhecidas por serem extremamente pequenas (esta conclusão é confiantemente restringida por observações de campo magnético). Descobertas recentes sugerem que o próprio núcleo interno sólido é composto de camadas, separadas por uma zona de transição com cerca de 250 a 400 km de espessura. Se o núcleo interno cresce por pequenos sedimentos congelados que caem em sua superfície, algum líquido também pode ficar preso nos espaços dos poros e parte desse fluido residual ainda pode persistir em um pequeno grau em grande parte de seu interior.

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A Terra O núcleo interno é uma bola de ferro sólido do tamanho de nossa lua. Esta bola é cercada por um núcleo externo altamente dinâmico de uma liga de ferro-níquel líquido (e alguns outros elementos mais leves), um elemento altamente viscoso manto e uma crosta sólida que forma a superfície onde vivemos.

Ao longo de bilhões de anos, a Terra esfriou de dentro para fora, fazendo com que o núcleo de ferro derretido congelasse parcialmente e se solidificasse. O núcleo interno foi subsequentemente crescendo a uma taxa de cerca de 1 mm por ano conforme os cristais de ferro congelam e formam uma massa sólida.

O calor liberado conforme o núcleo esfria flui do núcleo para o manto e para a crosta terrestre por meio de um processo conhecido como convect íon. Como uma panela com água fervendo em um fogão, as correntes de convecção movem o manto quente para a superfície e enviam o manto frio de volta ao núcleo. Este calor que escapa alimenta o geodinamo e, juntamente com a rotação da Terra, gera o campo magnético.

Portanto, vemos que o núcleo interno sólido se construiu lentamente do núcleo externo líquido . É no núcleo externo que as composições diferenciam os elementos mais pesados que precipitam do líquido no campo gravitacional, que surge do núcleo interno.

Extrapolando de Observações do resfriamento do núcleo interno, estima-se que o núcleo interno sólido atual se formou há aproximadamente 2 a 4 bilhões de anos a partir do que era originalmente um núcleo inteiramente fundido. Se verdadeiro, isso significaria que o núcleo interno sólido da Terra não é uma característica primordial que estava presente durante a formação do planeta, mas uma característica mais jovem que a Terra (a Terra tem cerca de 4,5 bilhões de anos).

Vejamos então o período em que o núcleo interno e externo eram líquidos. Quanto mais próximo do centro do campo gravitacional, menor a força gravitacional, mas ainda assim o volume para a massa * teria o mesmo papel no líquido, concentrando o mais pesado no centro, formando as primeiras sementes para o núcleo conforme o sistema esfriava.

por que o núcleo não é dominado pelos elementos mais pesados (elementos mais pesados que o ferro)?

Agora, o motivo pelo qual o núcleo é ferro / níquel é devido à curva de energia de ligação dos elementos.

Energia de ligação por núcleo de isótopos comuns

O acúmulo de elementos mais pesados nos processos de fusão nuclear nas estrelas é limitado aos elementos abaixo do ferro, uma vez que a fusão do ferro subtrairia a energia em vez de fornecê-la. O Ferro-56 é abundante em processos estelares e com uma energia de ligação por núcleo de 8,8 MeV, é o terceiro nuclídeo mais fortemente ligado. Sua energia de ligação média por nucleon é excedida apenas por 58Fe e 62Ni, o isótopo de níquel sendo o mais fortemente ligado dos nuclídeos.

É aí que a fusão para sendo energeticamente favorável. No modelo do Big Bang, em que uma sopa primordial termina nas criações por fusão de núcleos, o modelo para no topo da curva.

Síntese nuclear para elementos pesados procede em explosões de supernovas:

Elementos acima do ferro na tabela periódica não podem ser formados nos processos normais de fusão nuclear nas estrelas. Até o ferro, a fusão produz energia e, portanto, pode prosseguir. Mas como o ” grupo do ferro ” está no pico da curva de energia de ligação, a fusão dos elementos acima do ferro absorve drasticamente a energia. (O nuclídeo 62Ni é o nuclídeo mais fortemente ligado, mas não é tão abundante quanto o 56Fe nos núcleos estelares, então a discussão astrofísica geralmente se concentra no ferro.) Na verdade, o 52Fe pode capturar um 4He para produzir 56Ni, mas esse é o último passo na cadeia de captura de hélio.

Dado um fluxo de nêutrons em uma estrela massiva, isótopos mais pesados podem ser produzidos por captura de nêutrons. …

Em conclusão:

As camadas contendo os elementos pesados pode ser explodido pela explosão da supernova e fornecer a matéria-prima de elementos pesados nas nuvens de hidrogênio distantes que se condensam para formar novas estrelas.

Porque o elementos mais pesados são muito mais raros e vindos de uma etapa secundária, como uma explosão de uma estrela, as condições específicas da formação de nossa estrela, o sol, e as criações dos planetas ao seu redor mostram que a terra tem elementos mais pesados do que ferro acumulados em um segundo nível para a matéria original que se aglutinou em seu núcleo. As abundâncias são muito pequenas

os elementos naturalmente radioativos mais pesados , tório e urânio, perfazem 8,5 partes por milhão e 1,7 partes por milhão, respectivamente. Alguns dos elementos mais raros também são os mais densos; estes são os metais do grupo da platina, incluindo ósmio a 50 partes por trilhão, platina a 400 partes por trilhão e irídio a 50 partes por trilhão.

e seria não pode ser detectado com os métodos sismográficos que estudam o núcleo interno e externo.

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• volume para massa para todos os elementos pode ser visto aqui

A lei de Newton afirma que o centro da concha esférica sente gravidade zero. Portanto, o centro muito minúsculo (na verdade, o próprio ponto) da Terra sente gravidade zero (da própria Terra). Pense nisso desta forma, em todas as direções para onde você olha há a mesma massa puxando radialmente de distância – a força da gravidade se equilibra a zero. Agora mova 100 milhas em qualquer direção a partir do centro. Você agora tem cem milhas de matéria não mais na casca exercendo uma atração desequilibrada – a gravidade entra em vigor e a separação das coisas começa a acontecer lugar com o material mais denso caindo para dentro e o material mais leve flutuando para cima. Quanto mais você se afasta do centro, maior se torna a força desequilibrada da gravidade e mais rápida a separação ocorre. Observe que ter tração gravitacional zero no centro não significa pressão zero. A pressão de todas as forças desequilibradas aumenta, apesar das variações na atração gravitacional. Portanto, o centro da Terra não sente atração gravitacional, mas sente a maior pressão, tudo devido à simetria esférica.

Acho que uma resposta simples é que a força boyant é a principal responsável por elementos pesados afundarem no centro da terra. Por exemplo, um porta-aviões flutua na água porque o navio tem muito espaço dentro dele. Portanto, se você enchesse este espaço com água e o pesasse, descobriria que o peso do navio sem a água é menor que a quantidade de água que ele desloca ou o peso da água. Isso o torna mais leve que a água e flutua. Os elementos pesados têm mais átomos em uma determinada quantidade de espaço do que os elementos mais leves, então os elementos pesados afundam enquanto os mais leves flutuam no topo e assim por diante.Uma maneira fácil de pensar sobre o centro da Terra é que se você se encontrasse lá, todas as direções partindo do centro seriam para cima e a força seria a mesma em todas as direções, então eles se cancelariam, deixando você sem peso.

Tenho apenas 14 anos e tentarei responder à pergunta com base no meu entendimento.

Primeiro de tudo, a gravidade, sendo uma força e, portanto, um vetor, se cancelaria no núcleo, pois não só depende da magnitude da força relativa, mas também da direção dela, ou seja, um vetor indo para cima se cancelaria com um vetor indo para baixo , e assim por diante. Mas …

Se fôssemos esculpir uma concha para nós mesmos no centro da terra (consulte o teorema da concha), sentiríamos ausência de peso dentro da concha até estarmos nele. Isso representaria gravidade zero. De acordo com sua pergunta, se o núcleo fosse feito de elementos mais pesados, isso afetaria apenas a força gravitacional que experimentamos fora do t shell.

Portanto, não faria diferença se o núcleo fosse feito de ferro ou tungstênio. O núcleo é feito do que é e daquela natureza. Você deve estar familiarizado com a história da Terra, como ela foi formada. A gravidade não teria nenhum efeito com o que nosso núcleo era composto.

Mas o verdadeiro problema seria do campo magnético. O ferro é um ímã excelente (quando magnetizado ou encontrado como um ímã). Foi e é o único sustentador do nosso campo magnético. Não sei sobre muitos outros elementos, mas um elemento mais pesado certamente não seria capaz de sustentar nosso campo magnético. Se pudesse, seria muito forte ou muito fraco para conter a “radiação cósmica” do sol. fracas, as radiações nos dizimariam. Se muito fortes, o mesmo aconteceria.

Uma lei fundamental da física afirmada por Newton é que todas as partículas se atraem, porém é tão pequeno (A Constante Gravitacional) que só podemos ver a força da gravidade para corpos celestes (os planetas e estrelas, e assim por diante). Portanto, no núcleo, experimentaríamos a gravidade, mas não na casca que criaríamos, onde o teorema da casca se aplicaria.

Então, em resumo, a natureza fez nosso núcleo e não podemos mudá-lo. Nunca experimentamos (e espero que nunca ocorram) uma mudança na composição do núcleo. Quanto à pergunta, acredito não haveria qualquer efeito sobre a gravidade no núcleo se os elementos que o compõem fossem diferentes. Mas certamente poderia tornar a atração gravitacional que experimentamos diferente. Pode até tornar nosso planeta habitável.

Espero que ajude.

Comentários

• Sua resposta parece resumir-se ao declaração ” Portanto, não ‘ importaria se o núcleo fosse feito de ferro ou tungstênio. O núcleo é formado pelo que é e por essa ‘ natureza. ” que é uma desculpa completa e não ‘ t abordar a pergunta real em tudo.
• @BrandonEnright Não, esta resposta não é tão superficial. O raciocínio é como ” nenhum ferro no núcleo = > nenhum campo magnético = > sem vida = > contradição; portanto, deve haver ferro no núcleo “. No entanto, de acordo com a teoria do Dínamo , o ferro não é necessário; qualquer líquido eletricamente condutor serviria. Isso inclui tungstênio, água e hidrogênio metálico .