bài giảng Các nguồn năng lượng

Chương 2: Các nguồn năng lượngChương 2: Các nguồn năng lượng
•• Vỏ cảnh quan xuất hiện đồng thời với vỏ Vỏ cảnh quan xuất hiện đồng thời với vỏ
Trái đất và chúng có sự phân dị theo đai, Trái đất và chúng có sự phân dị theo đai,
theo đới địa lý. Nguyên nhân gây ra sự theo đới địa lý. Nguyên nhân gây ra sự
phân dị này là các nguồn năng lượng bên phân dị này là các nguồn năng lượng bên
trong và bên ngoài Trái đất bao gồm: trong và bên ngoài Trái đất bao gồm:
•• 1) nội nhiệt của Trái đất, 1) nội nhiệt của Trái đất,
•• 2) mặt trời, 2) mặt trời,
•• 3) trọng lực, 3) trọng lực,
•• 4) tác động của các vật thể ngoài Trái đất.4) tác động của các vật thể ngoài Trái đất.
•• Năng lượng chứa bên trong Trái đất liên Năng lượng chứa bên trong Trái đất liên
tục phun lên bề mặt (còn gọi là tục phun lên bề mặt (còn gọi là những lực những lực
xây dựngxây dựng), tùy theo qui mô và thời gian ), tùy theo qui mô và thời gian
hoạt động các lực này tạo nên các cấp hoạt động các lực này tạo nên các cấp
cảnh quan khác nhau: cảnh quan khác nhau:
•• Trong những khoảng thời gian ngắn năng Trong những khoảng thời gian ngắn năng
lượng bên trong được tập trung tạo ra núi lượng bên trong được tập trung tạo ra núi
lửa , động đất tạo nên các thung lũng. lửa , động đất tạo nên các thung lũng.
•• Trong những khoảng thời gian địa chất Trong những khoảng thời gian địa chất
dài hơn, nó tạo ra các lục địa, đại dương, dài hơn, nó tạo ra các lục địa, đại dương,
và khí quyển. và khí quyển.
•• Ở qui mô hành tinh, dòng phun ra ngoài Ở qui mô hành tinh, dòng phun ra ngoài
của nội nhiệt làm cho lục địa trôi dạt, va của nội nhiệt làm cho lục địa trôi dạt, va
chạm và tạo nên các dải núi và cao chạm và tạo nên các dải núi và cao
nguyên.nguyên.
Những lực xây dựng lục địa công suất lớn Những lực xây dựng lục địa công suất lớn
bên trong nói trên bị ngoại lực của mặt bên trong nói trên bị ngoại lực của mặt
trời cộng với trọng lực kháng lại.trời cộng với trọng lực kháng lại.
•• Khoảng ¼ năng lượng mặt trời đến Trái Khoảng ¼ năng lượng mặt trời đến Trái
đất làm bay hơi nước vào khí quyển. đất làm bay hơi nước vào khí quyển.
•• Sức hút liên tục của trọng lực giúp mang Sức hút liên tục của trọng lực giúp mang

độ ẩm khí quyển trở lại mặt đất như nước độ ẩm khí quyển trở lại mặt đất như nước
và tuyết. và tuyết.
•• Trọng lực cung cấp năng lượng cho các Trọng lực cung cấp năng lượng cho các
nhân tố xâm thực nhân tố xâm thực –– băng hà, các dòng băng hà, các dòng
chảy, nước ngầm, sóng đại dương, dòng chảy, nước ngầm, sóng đại dương, dòng
biển và thời tiết (phong hóa) đã làm xói biển và thời tiết (phong hóa) đã làm xói
mòn các lục địa, phân hủy các tàn tích và mòn các lục địa, phân hủy các tàn tích và
vận chuyển các mảnh vỡ của chúng vào vận chuyển các mảnh vỡ của chúng vào
biển.biển.
•• Một nguồn năng lượng khác đến từ Một nguồn năng lượng khác đến từ
không giankhông gian các thiên thể và sao chổicác thiên thể và sao chổi
tác động đến Vỏ cảnh quan. Mặc dầu tác động đến Vỏ cảnh quan. Mặc dầu
các vụ va chạm với các vật thể lớn các vụ va chạm với các vật thể lớn
không thường xuyên, ảnh hưởng của không thường xuyên, ảnh hưởng của
chúng đến sự sống có thể là toàn chúng đến sự sống có thể là toàn
cầu. cầu.
••
Xung đột lâu dài giữa các lực nội sinh xây Xung đột lâu dài giữa các lực nội sinh xây
dựng hình thành và nâng cao khối đất dựng hình thành và nâng cao khối đất
đồng thời các lực ngoại sinh phá hủy xói đồng thời các lực ngoại sinh phá hủy xói
mòn lục địa và vận chuyển các mảnh vỡ mòn lục địa và vận chuyển các mảnh vỡ
lục địa vào các bồn đại dương. lục địa vào các bồn đại dương.
••
Nếu tất cả các công trình núi và sự nâng Nếu tất cả các công trình núi và sự nâng
lên dừng lại. Lực kết hợp của các nhân tố lên dừng lại. Lực kết hợp của các nhân tố
xâm thực sẽ đủ để hạ thấp lục địa tới mực xâm thực sẽ đủ để hạ thấp lục địa tới mực
nước biển chỉ trong 45 triệu năm. nước biển chỉ trong 45 triệu năm.
••
Điều này tưởng như thời gian kéo dài vô Điều này tưởng như thời gian kéo dài vô
cùng, nhưng nhớ rằng trong 4.5 tỉ năm cùng, nhưng nhớ rằng trong 4.5 tỉ năm

tuổi Trái đất, nghĩa là xâm thực đủ mạnh tuổi Trái đất, nghĩa là xâm thực đủ mạnh
để san phẳng lục địa khoảng 100 lần nếu để san phẳng lục địa khoảng 100 lần nếu
nội lực không duy trì nâng cao lục địa cổ nội lực không duy trì nâng cao lục địa cổ
và bổ sung các khối đất mới. và bổ sung các khối đất mới.
2.1 Nguồn năng lượng bên trong2.1 Nguồn năng lượng bên trong
•• Để hiểu nguồn gốc và đặc điểm năng Để hiểu nguồn gốc và đặc điểm năng
lượng bên trong Trái đất, chúng ta cần lượng bên trong Trái đất, chúng ta cần
tìm hiểu lịch sử sơ khai của hành tinh tìm hiểu lịch sử sơ khai của hành tinh
chúng ta. chúng ta.
1) Trái đất là hành tinh động; nó tái sinh 1) Trái đất là hành tinh động; nó tái sinh
các đá và loại bỏ nhiều dữ liệu của lịch sử các đá và loại bỏ nhiều dữ liệu của lịch sử
sơ khai. sơ khai.
2) Các đá càng cổ, thời gian dài hơn càng 2) Các đá càng cổ, thời gian dài hơn càng
bị phá hủy nhiều hơn. bị phá hủy nhiều hơn.
••
TT

đấtđất
xuấtxuất
hiệnhiện
lúclúc
đầuđầu
nhưnhư
làlà
khốikhối
bồibồi
kếtkết
củacủa cáccác hạthạt vàvà khíkhí từtừ cáccác đámđám mâymây quayquay
trongtrong vũvũ trụtrụ cáchcách ngàyngày naynay khoảngkhoảng 44 55 tỷtỷ
nămnăm

•• CácCác miếngmiếng vàvà mẩumẩu tíchtích tụtụ ởở thờithời kỳkỳ đầuđầu
củacủa TráiTrái đấtđất gồmgồm cáccác hạthạt giầugiầu kimkim loạiloại
(như(như cáccác thiênthiên thạchthạch giầugiầu sắt),sắt), cáccác đáđá
(các(các thiênthiên thạchthạch đá),đá), vàvà băngbăng (nước,(nước,
cacbornic,cacbornic, vàvà cáccác thànhthành phầnphần khác)khác)
•• KhiKhi quảquả cầucầu củacủa cáccác hạthạt kếtkết thànhthành khốikhối
tăngtăng lên,lên, lựclực trọngtrọng lựclực cócó thểthể đãđã húthút nhiềunhiều
mẩumẩu kimkim loạiloại vàovào trungtrung tâm,tâm, trongtrong khikhi
mộtmột sốsố vậtvật liệuliệu nhẹnhẹ hơnhơn cócó thểthể tậptập trungtrung
rara gầngần bênbên ngoàingoài TráiTrái đấtđất trongtrong thờithời thơthơ
ấuấu củacủa nónó đượcđược xemxem làlà cáccác vậtvật liệuliệu tươngtương
đốiđối đồngđồng nhấtnhất
Trái đất không duy trì sự đồng nhất lâu
dài: Các quá trình hình thành hành tinh
(Hình 2.1) tạo ra lượng nhiệt rất lớn, đã
làm thay đổi cơ bản hành tinh trẻ từ quả
cầu gần như đồng nhất thành một khối
phân tầng theo tỷ trọng với các vật liệu
nặng hơn ở tâm và các vật liệu nhẹ hơn
dần ra phía ngoài. Nhiệt làm biến đổi
Trái đất do:
1) năng lượng va chạm,
2) năng lượng trọng lực và
3) sự phân rã các nguyên tố phóng xạ.
Hình 2.1 Các quá trình sinh nhiệt trong nhiều năm hình
thành Trái đất gồm: 1) va chạm của các tiểu hành tinh, 2)
phân rã các nguyên tố phóng xạ, 3) sự co trọng lực
2.1.1 Năng lượng va chạm2.1.1 Năng lượng va chạm
•• Năng lượng va chạm của các hạt đập vào Năng lượng va chạm của các hạt đập vào
nhau khi Trái đất lớn dần đã tạo ra nhiệt. nhau khi Trái đất lớn dần đã tạo ra nhiệt.

•• Số lượng rất lớn các các thiên thể lớn nhỏ, Số lượng rất lớn các các thiên thể lớn nhỏ,
thiên thạch và sao chổi dụng vào trái đất, thiên thạch và sao chổi dụng vào trái đất,
với năng lượng di chuyển của nó chuyển với năng lượng di chuyển của nó chuyển
thànhthành nhiệt trong tác động.nhiệt trong tác động.
2.1.2 Năng lượng trọng lực2.1.2 Năng lượng trọng lực
• Năng lượng trọng lực được giải
phóng khi Trái đất sơ khai bị hút
thành một khối đậm đặc tăng lên.
• Sự chôn vùi sâu hơn của vật liệu khi
khối Trái đất lớn dần gây ra sức hút
trọng lực gia tăng nhiều hơn rồi
được nén vào bên trong.
• Năng lượng trọng lực này đã được chuyển
thành nhiệt mà không thoát ra được một
cách dễ dàng do sự dẫn nhiệt rất chậm
qua các đá.
•• Nhiệt độ bên trong Trái đất quá 1,000oC, Nhiệt độ bên trong Trái đất quá 1,000oC,
vượt qua điểm nóng chảy của sắt tại các vượt qua điểm nóng chảy của sắt tại các
độ sâu khác nhau.độ sâu khác nhau.
•• Sắt hình thành khoảng 1/3 khối lượng Sắt hình thành khoảng 1/3 khối lượng
Trái đất, mặc dầu nó có tỷ trọng lớn hơn Trái đất, mặc dầu nó có tỷ trọng lớn hơn
nhiều các đá thông thường, nhưng nó nhiều các đá thông thường, nhưng nó
chảy ở nhiệt độ thấp hơn nhiều.chảy ở nhiệt độ thấp hơn nhiều.
•• Sự tích lũy nhiệt làm cho các khối thiên Sự tích lũy nhiệt làm cho các khối thiên
thạch giầu sắt nóng chảy. Sắt lỏng tỷ thạch giầu sắt nóng chảy. Sắt lỏng tỷ
trọng cao bị hút bởi trọng lực vào tâm trọng cao bị hút bởi trọng lực vào tâm
Trái đất. Trái đất.
•• Khi các khối lượng sắt lỏng khổng lồ này Khi các khối lượng sắt lỏng khổng lồ này
di chuyển vào trong để tạo thành Nhân di chuyển vào trong để tạo thành Nhân
Trái đất, chúng giải phóng một khối Trái đất, chúng giải phóng một khối

lượng năng lượng trọng lực mà được lượng năng lượng trọng lực mà được
chuyển thành nhiệt và nâng nhiệt độ bên chuyển thành nhiệt và nâng nhiệt độ bên
trong Trái đất tới 2000oC.trong Trái đất tới 2000oC.
•• Sự giải phóng khối lượng lớn nhiệt này sẽ Sự giải phóng khối lượng lớn nhiệt này sẽ
tạo ra sự nóng chảy tràn lan làm cho các tạo ra sự nóng chảy tràn lan làm cho các
vật liệu tỉ trọng thấp nổi lên cao và hình vật liệu tỉ trọng thấp nổi lên cao và hình
thành: thành:
•• 1) Vỏ nguyên thủy của các đá tỉ trọng 1) Vỏ nguyên thủy của các đá tỉ trọng
thấp ở bề mặt của Trái đấtthấp ở bề mặt của Trái đất
•• 2) Các đại dương lớn2) Các đại dương lớn
•• 3) Khí quyển. 3) Khí quyển.
Sự hình thành nhân giầu sắt là sự kiện Sự hình thành nhân giầu sắt là sự kiện
duy nhất trong lịch sử Trái đất.duy nhất trong lịch sử Trái đất.
2.1.3 Năng lượng từ các nguyên tố phóng xạ2.1.3 Năng lượng từ các nguyên tố phóng xạ
•• Năng lượng được giải phóng từ các Năng lượng được giải phóng từ các
nguyên tố phóng xạ khi các nguyên tử mẹ nguyên tố phóng xạ khi các nguyên tử mẹ
phóng xạ không bền vững ném ra các hạt phóng xạ không bền vững ném ra các hạt
dưới nguyên tử, giảm kích thước của dưới nguyên tử, giảm kích thước của
chúng và trở nên nhỏ hơn, các nguyên tử chúng và trở nên nhỏ hơn, các nguyên tử
con không phóng xạ con không phóng xạ
Các nguyên tử phóng xạ phát ra:
• 1) Các hạt alpha gồm hai proton và hai neutron
(hạt nhân của nguyên tử helium);
• 2) Các hạt beta là các điện tử được giải phóng
trong lúc phân chia neutron và
• 3) Bức xạ gamma tương tự như các tia X nhưng
với bước sóng ngắn hơn.
•• Vì các hạt bật ra nhanh bị chậm lại và bị hấp thu Vì các hạt bật ra nhanh bị chậm lại và bị hấp thu
bởi vật chất bao quanh, năng lượng di động của bởi vật chất bao quanh, năng lượng di động của
chúng được chuyển đổi thành nhiệt.chúng được chuyển đổi thành nhiệt.

•• Quá trình phân rã được đo bằng chu kỳ bán Quá trình phân rã được đo bằng chu kỳ bán
phân rã (half life), là khoảng thời gian cần thiết phân rã (half life), là khoảng thời gian cần thiết
để một nửa khối lượng nguyên tố phóng xạ mẹ để một nửa khối lượng nguyên tố phóng xạ mẹ
(parent) phân rã thành sản phẩm phân rã(parent) phân rã thành sản phẩm phân rã
NhNhư vậy:ư vậy:
••
Tổng năng lượng bên trong từ các va Tổng năng lượng bên trong từ các va
chchạmạm, trọng lực, và các nguyên tố phóng , trọng lực, và các nguyên tố phóng
xạ, cộng với năng lượng bổ sung tạo bởi xạ, cộng với năng lượng bổ sung tạo bởi
ma sát thủy triều là rất lớn. ma sát thủy triều là rất lớn.
••
Một lượng lớn hơn của các nguyên tố Một lượng lớn hơn của các nguyên tố
phóng xạ tại lúc khởi đầu của trái đất phóng xạ tại lúc khởi đầu của trái đất
được kết hợp với lực hấp dẫn sơ khai và được kết hợp với lực hấp dẫn sơ khai và
các tác động thiên thạch xảy ra thường các tác động thiên thạch xảy ra thường
xuyên hơn để nâng cao nhiệt độ bên xuyên hơn để nâng cao nhiệt độ bên
trong Trái đất trong suốt thời kỳ tiền sử trong Trái đất trong suốt thời kỳ tiền sử
của nó.của nó.
••
Chú ý rằng sự tích lũy nhiệt bên trong trái Chú ý rằng sự tích lũy nhiệt bên trong trái
đất đã đạt cực đại ngay thời kỳ đầu của đất đã đạt cực đại ngay thời kỳ đầu của
lịch sử trái đất và sau đó giảm đáng kể.lịch sử trái đất và sau đó giảm đáng kể.
••
Tuy nhiên, ngày nay dòng nhiệt bên trong Tuy nhiên, ngày nay dòng nhiệt bên trong
hướng lên mặt Trái đất thì vẫn đủ lớn để hướng lên mặt Trái đất thì vẫn đủ lớn để
cung cấp năng lượng cho các lục địa trôi cung cấp năng lượng cho các lục địa trôi
dạt, các núi lửa phún xuất và động đất dạt, các núi lửa phún xuất và động đất
rung chuyển.rung chuyển.
2.2 Tuối và các sự kiện của lịch sử Trái đất2.2 Tuối và các sự kiện của lịch sử Trái đất
2.2.1 Tuổi của Trái đất2.2.1 Tuổi của Trái đất

•• Trái đất có tuổi 4.55 tỉ nămđược đo bằng Trái đất có tuổi 4.55 tỉ nămđược đo bằng
các nguyên tố phóng xạ và các sản phẩm các nguyên tố phóng xạ và các sản phẩm
phân rã của nó thu thập từ các đá Mặt phân rã của nó thu thập từ các đá Mặt
trăng và thiên thạch (meteorite). trăng và thiên thạch (meteorite).
•• Đá trái đất cổ nhất tìm thấy ở tây bắc Đá trái đất cổ nhất tìm thấy ở tây bắc
Canađa được định tuổi là 3.96 tỉ năm và Canađa được định tuổi là 3.96 tỉ năm và
3.9 tỉ năm ở Greenland. 3.9 tỉ năm ở Greenland.
•• Các đá này thuộc thành phần vỏ, nghĩa là Các đá này thuộc thành phần vỏ, nghĩa là
chúng được tái sinh và được hình thành chúng được tái sinh và được hình thành
từ các đá cổ hơn (tuổi cổ nhất thu được từ các đá cổ hơn (tuổi cổ nhất thu được
trên các vật liệu Trái đất là 4.2 tỉ năm, đo trên các vật liệu Trái đất là 4.2 tỉ năm, đo
được trên các hạt cát zircon từ đá cát kết được trên các hạt cát zircon từ đá cát kết
3.1 tỉ năm ở Tây Úc).3.1 tỉ năm ở Tây Úc).
••
Tuổi khoảng 4.55 tỉ năm dựa vào giả Tuổi khoảng 4.55 tỉ năm dựa vào giả
thiết nguồn gốc phổ biến đối với Trái thiết nguồn gốc phổ biến đối với Trái
đất, Mặt trăng, các thiên thạch và đất, Mặt trăng, các thiên thạch và
phần còn lại của Hệ Mặt trời.phần còn lại của Hệ Mặt trời.
•• Tuổi 4.55 tỉ năm đo được từ các đá Tuổi 4.55 tỉ năm đo được từ các đá
Mặt trăng và các thiên thạch được sử Mặt trăng và các thiên thạch được sử
dụng tuổi cho tất cả. dụng tuổi cho tất cả.
•• Như thế, chúng ta có thể kết luận từ Như thế, chúng ta có thể kết luận từ
bằng chứng trực tiếp rằng Trái đất có bằng chứng trực tiếp rằng Trái đất có
tuổi từ 4 đến 4.2 tỉ năm cộng với tuổi từ 4 đến 4.2 tỉ năm cộng với
khoảng 0.35 đến 0.55 khi xem trái khoảng 0.35 đến 0.55 khi xem trái
đất có tuổi tương đương với mặt đất có tuổi tương đương với mặt
trăng và các thiên thạch. trăng và các thiên thạch.
2.2.2 Lịch sử Trái đất2.2.2 Lịch sử Trái đất
•• Hiểu biết của chúng ta hiện nay về nguồn Hiểu biết của chúng ta hiện nay về nguồn
gốc Trái đất là khối bụi bồi kết và các hạt gốc Trái đất là khối bụi bồi kết và các hạt

lớn hơn di chuyển theo qũy đạo Mặt Trời lớn hơn di chuyển theo qũy đạo Mặt Trời
cách nay trên 4.5 tỉ năm. cách nay trên 4.5 tỉ năm.
•• Nhiệt bên trong đã lên cao trong suốt vài Nhiệt bên trong đã lên cao trong suốt vài
trăm triệu năm đầu sau khi bồi dần các trăm triệu năm đầu sau khi bồi dần các
hạt này do các va chạm của thiên thạch, hạt này do các va chạm của thiên thạch,
sự co rút hấp dẫn, và phân rã các nguyên sự co rút hấp dẫn, và phân rã các nguyên
tố phóng xạ. Trong suốt thời gian này, tố phóng xạ. Trong suốt thời gian này,
Trái đất giống như bình nước sôi Trái đất giống như bình nước sôi
(simmering pot). (simmering pot).
•• Nhiệt độ đã liên tục tăng cho tới khi đạt Nhiệt độ đã liên tục tăng cho tới khi đạt
được nhiệt độ tới hạn, tại nhiệt độ này sắt được nhiệt độ tới hạn, tại nhiệt độ này sắt
bị nóng chảy. Sau đó trọng lực đã đẩy sắt bị nóng chảy. Sau đó trọng lực đã đẩy sắt
lỏng vào trong để tạo ra nhân sắt. lỏng vào trong để tạo ra nhân sắt.
•• Quá trình hình thành nhân sắt đã giải Quá trình hình thành nhân sắt đã giải
phóng năng lượng hấp dẫn và nhiệt độ, đã phóng năng lượng hấp dẫn và nhiệt độ, đã
gây ra sự nóng chảy tràn lan.gây ra sự nóng chảy tràn lan.
•• Các vật liệu mật độ thấp (magma, nước Các vật liệu mật độ thấp (magma, nước
và khí) giải phóng do nóng chảy tăng lên và khí) giải phóng do nóng chảy tăng lên
và được tích tụ ở mặt ngoài Trái đất như và được tích tụ ở mặt ngoài Trái đất như
các lục địa, các đại dương, và khí quyển.các lục địa, các đại dương, và khí quyển.
•• Các đại dương lớn và các lục địa nhỏ tồn Các đại dương lớn và các lục địa nhỏ tồn
tại cách nay 3.9 tỉ năm, sự sống hiện tại cách nay 3.9 tỉ năm, sự sống hiện
diện là các vi khuẩn quang hợp cách nay diện là các vi khuẩn quang hợp cách nay
3.5 tỉ năm, 3.5 tỉ năm,
•• Các lục địa lớn hiện diện cách nay 2.5 tỉ Các lục địa lớn hiện diện cách nay 2.5 tỉ
năm, và các lớp ngoài cùng của trái đất là năm, và các lớp ngoài cùng của trái đất là
các lớp hoạt động trong quá trình kiến các lớp hoạt động trong quá trình kiến
tạo mảng cách nay ít nhất là 1.5 tỉ năm. tạo mảng cách nay ít nhất là 1.5 tỉ năm.