Warum wird tief in der Erde fest zu flüssig? [Duplikat]

Von beginnt mit einem Knall :

Die Erde hat einen flüssigen äußeren Kern, einen festen äußeren Mantel und einen festen inneren Kern! Daher hat die Erde die schwersten und dichtesten Elemente in ihrem Kern, und woher wir wissen, dass ihr äußerer Kern eine flüssige Schicht ist.

[...] Wie alle Elemente hängt es sowohl vom Druck als auch von der Temperatur des Eisens ab, ob Eisen fest, flüssig, gasförmig oder „anders“ ist.

Eisen ist jedoch viel komplizierter als viele Elemente, an die Sie vielleicht gewöhnt sind. Sicher, es kann, wie oben gezeigt, eine Vielzahl von kristallinen festen Phasen annehmen, aber wir interessieren uns nicht für diese Normaldrücke, die im obigen Diagramm gezeigt werden. Wir gehen den ganzen Weg hinunter in den Kern der Erde, wo der Druck millionenfach höher ist als auf Meereshöhe.

Während dieses Diagramm enorme Drücke zeigt – bis zu 120 GigaPascal, während der innere Kern Drücke von geschätzten 330-360 Gpa erfährt. Die obere durchgezogene Linie stellt die Grenze zwischen geschmolzenem Eisen (oben) und festem Eisen (unten) dar.

Mit 330 GigaPascal ist eine enorme Temperatur erforderlich, die mit der auf der Sonnenoberfläche vergleichbar ist, um Eisen zu schmelzen. Dieselben Temperaturen halten Eisen jedoch bei niedrigeren Drücken leicht in seiner flüssigen Phase, während bei höheren Drücken Eisen einen Feststoff bildet.

Das bedeutet, dass, wenn die Erde im Laufe der Zeit abkühlt, ihre Innentemperatur sinkt, während ihr Druck konstant bleibt. Mit anderen Worten, als sich die Erde zum ersten Mal bildete, war es sehr wahrscheinlich, dass der gesamte Kern flüssig war, und während sie weiter abkühlt, wächst der innere Kern weiter! Da festes Eisen eine höhere Dichte als flüssiges Eisen hat, zieht sich die Erde dabei leicht zusammen

Fazit von UCSB ScienceLine :

Je tiefer man in die Erde vordringt, desto mehr steigt die Temperatur und der Druck. Obwohl der innere Kern sehr heiß ist, ist er fest, weil er sehr hohem Druck ausgesetzt ist. Der Druck im äußeren Kern ist nicht hoch genug, um ihn fest werden zu lassen.

Eine erforderliche Bearbeitung, wie von Rob Jeffries angegeben :

Aus Wikipedia :

Der Mantel ist überwiegend fest , verhält sich aber in geologischer Zeit wie eine sehr viskose Flüssigkeit. Der Mantel umschließt den an Eisen und Nickel reichen heißen Kern, der etwa 15 % des Erdvolumens ausmacht.

Und mehr von Universe Today :

Aufgrund des Temperaturunterschieds zwischen Erdoberfläche und äußerem Erdkern [...] kommt es im Mantel zu einer konvektiven Stoffzirkulation. Diese besteht aus der langsamen, kriechenden Bewegung des Silikatmantels der Erde über die Oberfläche, der Wärme aus dem Erdinneren an die Oberfläche transportiert. Während heißes Material an die Oberfläche steigt, sinkt kühleres, schwereres Material nach unten.

Und dieses Bit aus verschiedenen Quellen :

Der Mantel besteht aus halbgeschmolzenem Gestein namens Magma. In den oberen Teilen des Mantels ist das Gestein hart, aber weiter unten ist das Gestein weich und beginnt zu schmelzen

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Kurze Antwort: Die wechselnde Zusammensetzung zwischen silikatreichem Mantel und eisenreichem Kern führt dazu, dass die Schmelztemperatur nicht ausreichend ansteigt, damit der Eisen/Nickel-Außenkern fest bleibt.

Die Fähigkeit von etwas, sich zu verfestigen, ist ein Wettbewerb zwischen der potenziellen Energie, die mit den Atomen verbunden ist, die ein festes Gitter besetzen würden, und der thermischen Energie, die sie bewegt.

Eine allgemeine Denkweise dazu besteht darin, die mit einer bestimmten festen Form verbundene Coulomb-Energie mit zu vergleichen$kT$. Übersteigt diese einen bestimmten Wert, verfestigt sich die flüssige Form.

Der Zähler dieses Verhältnisses hängt hauptsächlich von der Dichte des Stoffes ab, aber auch stark von der Zusammensetzung , während der Nenner nur von der Temperatur abhängt. Somit begünstigen hohe Dichten Feststoffe, aber hohe Temperaturen begünstigen Flüssigkeiten. Wir wissen aber auch, dass hochschmelzende Verbindungen wie Silizium, Magnesium, Aluminium etc. höhere Schmelztemperaturen haben als beispielsweise reine Metalle und die Materialzusammensetzung im Erdinneren stark mit der Tiefe variiert.

Im Mantel sind sowohl die Dichten als auch die Temperaturen niedriger als im Kern, aber das Material ist reich an Silikaten. Die Dichten sind dann hoch genug, um das Material nahezu zu verfestigen. Schwerere Elemente sinken während der Entstehung der Erde ab, sodass der Kern hauptsächlich aus Eisen und Nickel besteht (schwerere Elemente sind viel seltener).

Ich denke, das ist die wichtigste Antwort auf Ihre Frage. Die Kernzusammensetzung hat bei gleicher Dichte einen niedrigeren Schmelzpunkt, und obwohl die Dichte im äußeren Kern höher wird, ist die Temperatur ausreichend hoch, um Eisen zu schmelzen. Im inneren Kern nimmt die Dichte wieder um den Faktor 100 zu, aber die Temperatur steigt nur wenig an und das Eisen kann kristallisieren.

Um zu verstehen, warum sich Temperatur und Dichte auf diese Weise verhalten, muss man die Zustandsgleichung verstehen, die Druck mit Dichte und Temperatur in Beziehung setzt. Das hydrostatische Gleichgewicht – das Gleichgewicht zwischen lokaler Schwerkraft und dem Druckgradienten an diesem Punkt – erfordert, dass mit zunehmender Tiefe ein zunehmender Druck vorhanden ist.

Der Druck steigt sowohl mit der Dichte als auch mit der Temperatur, aber Temperaturerhöhungen werden durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Kerns und die Konvektion im Mantel begrenzt. Dies führt zu Größenordnungszunahmen der Dichte, während die Temperatur langsam ansteigt.

Einfache Antworten wie "Druck hält Substanzen im festen Zustand" sind grobe Vereinfachungen.

Wenn Sie sich irgendeine wissenschaftliche Quelle ansehen, zeigt sich oft ein Phasendiagramm$p$Und$T$(Druck und Temperatur) auf den Achsen. Denn bei unterschiedlichen Temperaturen, aber gleichen Drücken können Stoffe unterschiedliche Zustände haben und umgekehrt bei unterschiedlichen Drücken und Temperaturen.

Ein einfaches Beispiel: Wasser wird bei ca. 100°C bei Umgebungsdruck, aber bei Raumtemperatur (ca. 20°C), wenn der Druck niedrig genug ist. Wenn Sie also mehr wissen wollen, müssen Sie sich die gesamten Phasendiagramme der jeweiligen Substanzen ansehen.

Leichte Radioaktivität im Erdinneren erzeugt weiterhin Wärme – und angesichts der Größe der Erde kann diese Wärme nicht ohne weiteres nach außen gelangen. Infolgedessen sind die tieferen Teile der Erde sehr, sehr heiß (denken Sie an Vulkane) - und die meisten Phasendiagramme werden Ihnen sagen, dass bei ausreichend hohen Temperaturen die meisten Dinge flüssig sind. Entropie begünstigt es.