Теплофизические параметры веществ и методы их измерения

 

Тепловое состояние земных недр является первопричиной многих геологических процессов. Его изучение включает теоретическое и экспериментальные исследования параметров теплового поля.

Распределение температур на поверхности Земли и в ее недрах, то есть естественное тепловое поле Земли – определяется:

1. пространственным распределением и мощностью источников тепла. Этими источниками являются солнце, атмосферные осадки, радиоактивные элементы, химические реакции, кристаллизация, уплотнение и другие процессы.

2. способностью пород к теплообмену – передаче тепловой энергии;

3. пространственным распределением пород с различной теплопроводностью.

Основные теплофизические параметры горных пород – это теплопроводность, тепловой поток, удельная теплоемкость, температурапроводность, коэффициента теплового линейного и объемного расширения.

Сведения о тепловых свойствах минералов и горных пород используют при решении следующих геологических задач:

· изучение тектоники, режимные наблюдения в пределах гидрогеологических бассейнов, областей вулканической деятельности, крупных городов, промышленных застроек;

· контроль за разработкой нефтяных и газовых месторождений;

· изучение геологического разреза и технического состояния скважин.

Теплопроводность – процесс распределения теплоты от более нагретых к менее нагретым объемам неравномернонагретого вещества, способствующий выравниванию температуры среды.

Передача тепла в однородных твердых телах происходит либо за счет обмена кинетической энергии при столкновении электронов (электронная теплопроводность), либо путем последовательной передаче колебаний кристаллической решетки от одного узла к другому (фононная теплопроводность).

В 1822 году Жан Батист Фурье установил связь градиента температуры с плотностью теплового потока. Эта связь стала называться Законом Фурье, который формулируется, как количество переносимой энергии определяется как плотность теплового потока, пропорциональное градиенту температуры:

q=λ·grad T,

где q – плотность теплового потока, grad T – температурный градиент, λ - коэффициент пропорциональности, названый коэффициентом теплопроводности или просто теплопроводность.

Иными словами теплопроводность λ – это физический параметр, характеризующий интенсивность процесса теплопроводности в веществе, численно равный плотности теплового потока q, при градиенте температуры grad T, равном единице. Формула коэффициента пропорциональности:

.

Плотность теплового потока q - это вектор направленный в сторону, противоположную градиенту температуры и, численно равный количеству теплоты, проходящий через единицу площади изометрической поверхности в единицу времени.

Единица измерения теплопроводности в системе СИ Вт/(м·К), в системе СГС кал/(см·°С).

Теплоемкость – количество теплоты, которое необходимо подвести к телу, чтобы повысить его температуру на 1 К. Теплоемкость единицы массы вещества называется удельной теплоемкостью. Единица измерения в системе СИ Дж/кг·К, в системе СГС кал/г°С.

Формула:

c= Q/m (T₂-T₁),

где Q – количество теплоты, m – масса тела; T₂-T₁ разность температур на которую изменилась температура тела массой m при проведении к нему количества теплоты Q.

Температуропроводность – это величина, характеризующая скорость изменения (выравнивания) температуры. Численно равна отношению теплопроводности к теплоемкости единицы объема вещества. Выражается в единицах м²/с. Вычисляется:

a=λ/cσ,

где cσ – объемная теплоемкость.

Наиболее распространенный способ изучения термических свойств – метод стационарного режима и динамического разогрева. Термические свойства обычно определяется в лабораторных условиях. В полевых условиях с помощью термокаротажа измеряют температуру в скважинах. Зная термические параметры, изученные на образцах, и распределение температуры в вышестоящей скважине, можно определить тепловой поток

Теплофизические параметры элементов и минералов.

 

Тепловой режим земной коры зависит главным образом от теплопроводности минерального вещества. Самая высокая теплопроводность наблюдается у самородных элементов. Значения их λ мало отличаются от соответствующих чистых элементов. Наибольшее значение λ наблюдается у серебра и численно равна 418-420 Вт/(м·К). Высокая теплопроводность (до 30 Вт/(м·К)) наблюдается у золота, меди некоторых других самородных элементов, таких как графит (268-389 Вт/(м·К)), алмаз (121-163 Вт/(м·К)), за исключением серы (0,85 Вт/(м·К)). Высокая теплопроводность (от 100 до 200 Вт/(м·К)) наблюдается у минеральных соединений с металлами: алюминий, калий, натрий, магний, кальций.

Однако некоторые из самородных металлов, а также другие элементы, встречающиеся и не встречающиеся в свободном состоянии, имеют:

- средние [от 10 до 50 Вт/(м·К) для свинца, сурьмы, марганца, тория, урана, цинка];

- пониженные [от 1,5 до 10 Вт/(м·К) для ртути, висмута, кадмия];

- низкие [0,5 до 1,5 Вт/(м·К) для бора];

- очень низкие [<0,5 Вт/(м·К) для водорода, фтора, хлора, кислорода]

значения коэффициента теплопроводности.

Высокая теплопроводность самородных элементов связана с тем, что тепловая энергия в них передается через твердую фазу непосредственным соприкосновением молекул, атомов и ионов, находящихся в тепловом движении, или диффузией свободных электронов (в самородных металлах).

Существует тесная связь между электропроводностью и теплопроводностью. Отношение считается примерно постоянным.

Присутствие в составе минералов элементов с высокой теплопроводностью (от 50 до 300 Вт/(м·К)) нередко повышает минеральную теплопроводность. Неодинаковая плотность упаковки тоже влияет на теплопроводность. Чем больше межатомное расстояние, тем меньше теплопроводность.

Большинство минералов, слагающих горные породы обладают значительно меньшей теплопроводностью. Теплопроводность породообразующих минералов изверженных пород ниже, чем акцессорных и рудных. Породообразующие минералы метаморфических пород (сподумен, андалузит, кианит и др) по сравнению с породообразующими минералами интрузивных образований имеют значительно большую теплопроводность.

Теплоемкость минералов изменяется от 0,125 до 2-4 кДж/кг·К и зависит, в основном от их состава и структуры.

По среднему значению теплоемкости основные классы минералов можно расположить в следующий ряд:

самородные металлы (от 0,13-0,2 для Pt, Au, Bi, Pb до 0,35-0,45 для Cu, Fe, Zn) < ↓

сульфиды и их аналоги (от 0,21-0,22 для галенита, киновари до 0,5-0,6 для ковелина, вюрцита) <↓

окислы (от 0,22-0,24 для лимонита, пиролюзита, уранита до 2-4 льда и воды) < ↓

сульфаты (0,35 для англезита) < ↓

карбонаты (1-1,5 для гипса, эпсомита) <↓

силикаты (от 0,5-0,6 для турмалина до 0,9-0,98 для сподумена, циркона).

Рудные минералы, как правило, имеют низкую теплоемкость.

Наблюдается тесная связь между удельной массовой теплоемкостью минералов и плотностью: с уменьшением плотности минералов их теплоемкость возрастает.

Теплофизические параметры горных пород

 

Тепловые свойства горных пород в значительной мере определяются особенностями их внутреннего строения:

· свойствами и соотношением слагающих минералов;

· соотношением различных фаз (твердой, жидкой и газообразной);

· текстурой породы, ее анизотропией;

· структурой порового пространства, формой и размерами пор;

· свойствами цемента.

С увеличением глубины по вертикальному разрезу земной коры теплопроводность возрастает.

Значения коэффициента теплопроводности осадочных, магматических и метаморфических пород во многом перекрывается. Величина этого параметра осадочных пород меняется в диапазоне от 0,14 до 6,5 Вт/(м·К); магматических – от 0,25 до 5,08 Вт/(м·К); метаморфических от 0,44 до 7,6 Вт/(м·К).

Наличие в горных породах порового пространства, заполненного флюидом, резко снижает процент переноса тепла, складывающегося из кондуктивной теплопередачи внутри отдельной твердой частицы, в местах соприкосновения частиц.

Анализ данных показал, теплопроводность λ возрастает в ряду глины→ аргиллиты→ пески→ алевролиты→ известняки→ доломиты→ каменная соль.

В этот ряд не входят песчаники. Диапазон изменения теплопроводности у песчаника очень большой и варьирует в пределах от 0,24-7,41 Вт/(м·К). При этом рассматривается тенденция понижения теплопроводности от мерзлых к влажным и далее к нефтенасыщенным и сухим.

Для интрузивных магматических пород наблюдается снижение теплопроводности с повышением их основности. Главная причина – уменьшение концентрации кварца, обладающего относительно высокой теплопроводностью. Эффузивные породы, как правило, характеризуются более низкими значениями коэффициента теплопроводности, чем их интрузивные аналоги.

Метаморфические породы отличаются широкими пределами изменения коэффициента теплопроводности. Причем особенно они значительны у роговиков и кварцитов. Исключение составляют некоторые кристаллические сланцы серпентиниты и эклогиты.

Теплоемкость пород варьирует от 0,42 (известняк) до 4,65 (каменная соль) Дж/кг·К.

Для отдельных же групп пород теплоемкость изменяется следующим образом:

· от 0,42 до 4,65 Дж/кг·К (осадочные породы)

· от 0,45 до 2,13 Дж/кг·К (магматические породы)

· от 0,3 до 1,72 Дж/кг·К (метаморфические породы).

Наибольший диапазон теплоемкости среди осадочных пород имеют каменная соль, песчаники, мел, известняки и глины, а наиболее узкий – ангидриты, гипсы, аргиллиты. Для большинства осадочных пород вариации теплоемкости связаны с коэффициентом пористости и влажности. Чем больше их значения, тем выше теплоемкость. Вариации теплоемкости магматических и метаморфических пород также связаны с влажностью. Теплоемкость пород не зависят от их зернистости, слоистости, состояния (аморфности или кристалличности) минералов.

 

Магнитные свойства минералов и горных пород