Thermodynamics in Earth and Planetary Sciences pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Ganguly, Jibamitra

出品人:

页数:501

译者:

出版时间:

价格:$ 123.17

装帧:

isbn号码:9783540773054

丛书系列:

图书标签:

• 科学
• 物理
• 地球科学
• Thermodynamics
• Geochemistry
• Planetary Science
• Earth Science
• Geophysics
• Mineralogy
• Petrology
• High Pressure
• Phase Equilibria
• Chemical Thermodynamics

《地球与行星科学中的热力学》 简介 本书深入探讨了热力学原理在地球与行星科学领域中的核心应用。聚焦于从深部地幔到行星大气层的多尺度、多相变系统，本书旨在为地质学家、行星科学家、地球物理学家以及相关领域的学生提供一个全面且严谨的理论框架。我们旨在超越传统的宏观热力学描述，将统计力学、相变动力学以及非平衡态过程纳入考量，以解释地球和行星系统的演化与现状。 第一部分：基础与框架的构建 本书的开篇部分首先奠定了坚实的理论基础。我们详细回顾了热力学的基本定律（零、一、二、三定律），并将其与统计力学中的熵、自由能概念紧密联系起来。特别强调了吉布斯自由能与化学势在描述多相、多组分系统中的关键作用。我们不仅仅停留在公式的推导，而是重点阐述了如何将这些抽象的数学工具转化为对自然现象的直观理解。 相变动力学与平衡态 在地球科学中，平衡态假设往往是一个理想化的起点。本书随后深入讨论了相变动力学，包括成核、生长机制，以及在高温高压下矿物相变的速率限制。我们将岩石圈物质的塑性流变视为一种宏观的热力学过程，探讨了扩散、位错运动等微观机制如何影响宏观粘滞系数的温度和压力依赖性。 地球物质的方程状态（EoS） 理解地球内部的物理性质，离不开精确的物质方程状态。本部分系统地介绍了用于描述固态、液态和气态物质在极端条件下的EoS模型，如Grüneisen-Debye模型、Birch-Murnaghan EoS以及更复杂的量子统计力学模型。我们详细分析了这些模型在计算地幔和地核物质的密度、体积模量和热膨胀系数时的适用性与局限性。特别关注了过渡金属氧化物在深部地幔相变过程中体积和焓变的精确量化。 第二部分：地球内部的热力学过程 本书的核心内容聚焦于地球深部热力学过程的驱动力与响应。 地幔对流与热输运 地幔对流是地球内部物质循环和板块构造的根本驱动力。我们从热力学第二定律出发，分析了驱动对流的温差和浮力机制。详细讨论了扩散、辐射和对流这三种主要热输运模式在不同深度（从岩石圈到外核边界）的主导地位。我们使用热力学框架来量化地幔物质的有效热导率、普朗特数（Prandtl number）以及雷利数（Rayleigh number），并解释了这些无量纲参数如何决定地幔的动力学行为。 熔融与结晶：岩浆作用的热力学 岩浆的生成、运移和结晶是地质学中的核心问题。本书运用化学热力学，特别是溶液热力学和多相平衡计算，来预测岩浆的生成温度、熔融范围以及矿物分异的序列。我们深入探讨了压力和挥发分（如水、二氧化碳）对岩浆平衡相图的影响，并利用范特霍夫（Van’t Hoff）方程和克劳修斯-克拉佩龙（Clausius-Clapeyron）方程来量化固液相变边界的斜率。 下地幔与核的热力学挑战 面对超高压环境，物质行为的预测充满挑战。我们讨论了下地幔中主要矿物（如硅酸盐和氧化物）在高压下的晶格振动、热容量变化，以及其对地球整体热预算的贡献。在内核部分，我们利用第一性原理计算的结果，结合热力学函数，来分析固态铁的熔点、结构转变压力，并探讨了从液态外核向固态内核结晶释放的潜热对地球磁场发电机的影响。 第三部分：行星与大气系统的热力学 将地球科学的原理推广至其他行星，是现代行星科学的必然要求。 行星大气结构与辐射传输 对于类地行星和气态巨行星，大气层是一个复杂的流体系统。本书应用热力学和气体动力学，推导了静力学平衡方程（Hydrostatic Balance）和绝热冷却率。我们详细阐述了大气中水汽、二氧化碳等温室气体的辐射加热/冷却过程，以及由此导致的热力学不稳定性（如对流）。特别分析了金星的超临界流体大气与木星、土星的大气分异过程中的热力学驱动力。 系外行星与宜居带的热力学边界 本书的最后部分将视野投向系外行星。我们运用热力学平衡模型来估算不同轨道距离下行星表面的“有效温度”和“平衡温度”。通过比较行星大气层中的能量输入和输出，我们探讨了行星是否能够维持液态水存在的宜居性热力学条件。涉及到的概念包括行星的反照率（albedo）如何影响其吸收的太阳能，以及不同大气组分下的气候敏感性分析。 结论：非平衡态与时间之矢 最后，我们强调了热力学在地球演化中的时间依赖性。地球和行星系统本质上是开放的、非平衡态的系统。本书总结了如何利用耗散结构理论和统计力学原理来理解地质时间尺度上的不可逆过程，例如风化、变质作用的宏观热力学效应，以及驱动整个行星系统远离热寂（Heat Death）的持续能量输入。 本书特点： 严谨性与应用并重： 在严谨的理论推导基础上，紧密结合具体的地球物理和行星科学案例。 跨学科整合： 涵盖了固体地球物理学、岩石学、行星大气科学的热力学基础。 数据驱动： 引用和分析了大量来自高压实验、数值模拟和现场观测的热力学数据。 本书旨在为研究生和专业研究人员提供一个不可或缺的参考工具，使读者能够利用热力学这一基本物理工具，解析地球和行星世界中从微观晶格到宏观循环的复杂现象。

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