Определение теплофизических свойств

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

 

Естественное тепловое поле Земли, которое определяется распределением температур, в горных породах на поверхности и в недрах, обусловлено, по крайней мере, тремя факторами:

1) наличием мощных источников тепла - солнца, радиоактивных превращений элементов и других экзотермических процессов ЗК;

2) способностью горных пород к теплообмену;

3) объемным распределением горных пород с разными теплофизическими свойствами в пределах ЗК.

Основные теплофизические параметры горных пород это теплопроводность, тепловой поток, удельная теплоемкость, температуропроводность, коэффициенты теплового линейного и объемного расширения.

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

- изучение тектоники;

- режимные наблюдения гидрогеологических бассейнов, областей вулканической деятельности, крупных городов и промышленных застроек;

- контроль эксплуатации нефтяных и газовых месторождений;

- изучение геологических разрезов и технического состояния скважин.

В пределах ЗК преобладают три вида теплообмена: теплопроводность, конвективный и лучистый (радиационный) теплообмен (с преобладанием теплообмена).

Под теплопроводностью понимают направленный процесс распространения теплоты от более к менее нагретым объемам геологического пространства, приводящий к выравниванию температуры среды.

Передача тепла в твердых телах осуществляется двумя способами: - за счет обмена кинетической энергии при столкновении электронов – это электронная теплопроводность, а также путем последовательной передачи колебаний кристаллической решетки от одного ее узла к другому– фотонная теплопроводность (фононами здесь условно считают кванты поля гармонических упругих колебаний кристаллической решетки).

При температуре 300°С в 1 см³ породы находится около 19²⁰ фононов. Каждый фонон имеет энергию, равную hf, где h- 1,0546×10^-34 Дж×с; f-частота тепловых колебаний. Средняя величина энергии фонона составляет 6,6×10^-21 Дж.

Основные параметры

 

Коэффициент теплопроводности определяется уравнением Фурье, которое гласит: плотность теплового потока q прямо пропорциональна градиенту температуры, т.е.

= λ× T (6.1)

где l - коэффициент теплопроводности -размерность Вт/(м×К); – плотность теплового потока – размерность кал/м²×ч или Вт/м².

Таблица 6.1 Теплофизические свойства минералов и горных пород

 

Порода	Коэффициент теплопроводности l, Вт/(м×К)	Удельная теплоемкость сm, Дж/(кг-К)	Коэффициент температуропроводности а, 10-7 м2/с
Минералы, полезные ископаемые
Кварц Альбит Лабрадор Оливин Пироксен Диопсид Флогопит Галит Гипс Флюорит Барит Пирит Гематит Магнетит Медь самородная Золото Торф Уголь Нефть Графит Алмаз Сера	6,5-13,2 2,31 1,5 5,0 4,38 5,76 2,29 5,3-6,5 1,30 4,3 1,7 38,9 10,4-14,7 5,3 396,0 310,0 0,07 0,13-2,24 0,14 1,16-17,4 121,0-163,0 0,21-0,48	- 711,0 837,0 795,3 748,8 711,0 879,0 879,0 - - 460,5 - - 384,6 125,6 418,0 -	- - - - - - 11,2-17,7 - - - - - - - - - 16,9 2,19 0,7-0,9 - - -
Осадки и осадочные породы
Глина сухая Глина влажная Песок Алевролит Песчаник Доломит Известняк Мергель	0,14-0,24 0,38-3,03 0,18-4,75 0,41-3,58 0,24-4,41 1,63-6,50 0,64-4,37 0,50-3,61	- 753-3596 - 322-1466 544-1629 648-1465 623-1273 586-3100	- 0,51-11,56 - 4,30-1610 2,00-19,72 8,26-16,80 3,55-13,89 3,14-13,89
Магматические и метаморфические породы
Гранит	1,12-3,85	257-1548	3,33-16,50
Диорит	1,38-2,89	1118-1168	3,32-8,64
Габбро	2,41	897-1130	9,32-12,17
Перидотит	3,78-4,85	921-1088	11,97-14,10
Пироксенит	3,48-5,02	879-1214	9,44-14,86
Сиенит	1,74-2,97	-	5,40-7,90
Альбитофир, порфир	1,17-3,37	710-1087	6,59-18,80
Андезит	1,42-2,79	808-826	6,17-6,44
Базальт	1,30	544-2135	3,44-13,45
Сланец	0,65-4,76	699-1643	2,87-22,5
Гнейс	0,94-4,86	754-1176	6,30-8,26
Амфиболит	1,57-2,89	1063-1201	5,25-8,14
Кварцит	3,68-7,60	718-1331	13,60-20,90
Роговик	2,12-6,10	1478-1482	13,44-15,64
Мрамор	1,59-4,0	753-879	7,8-12,0

Величина коэффициента теплопроводности меняется от (0,5-2,5)×10^-7 м²/с для рудных минералов с электронной теплопроводностью до (2-20) ×10^-7 м²/с для разных типсв горных пород (см. табл. 5.1).

Горные породы, поглощая тепло, расходуют его не только на нагревание, но и на тепловое расширение.

Количественно связь между повышением температуры DT и увеличением объема нагревающейся горной породы DV отражают формулы

 

DV/ V= b DT; DL/ L = a DT, (6.2)

 

где b - коэффициент объемного теплового расширения; a - коэффициент линейного теплового расширения; V объем тела, L - длина тела. Размерность коэффициентов теплового расширения одинакова, (С^-1) К^-1, т.е. в обратных величинах градусов шкалы Цельсия или Кельвина.

 

Определение теплофизических свойств

 

Измерения теплофизических свойств горных пород и минералов в лабораторных условиях выполняют с помощью большого числа разных способов.

В качестве примера разберем так называемый бесконтактный способ. Это один из современных квазистационарных методов измерения тепловых свойств пород, разработанный на кафедре физики МГГА Ю.А.Поповым. Способ заключается в нагреве поверхности движущегося образца горной породы с помощью лазера с последующей регистрацией температуры ИК-радиометром. Лазер и ИК-радиометр закреплены неподвижно относительно друг друга, подвижная платформа с закрепленными образцами горной породы перемещается с постоянной скоростью от 0,3 до 1,0 см/с. Это обеспечивает непрерывное измерение на движущемся образце предельной температуры зоны равномерного нагрева Т_пр:

 

T_пр = q/(2plx) (5.3)

 

где q - мощность источника тепловой энергии; х - расстояние от поверхности нагрева до дистанционного датчика температуры.

Измеряемая теплопроводность образца l_oб равна:

(5.4)

где l_об - коэффициент теплопроводности эталонного образца; Т_пр.э и Т_пр.об - предельные температуры эталона и исследуемого образца.

Малая мощность источника энергии и очень ограниченная область разогрева благоприятны для изучения этим способом влагонасыщенных грунтов. Производительность установки весьма высокая и составляет 250-300 измерений в смену.