Глава 4 Теплофізичні властивості мінералів і гірських порід
4.1 Теплофізичні параметри речовин і методи їх вимірювання
Тепловий стан земних надр є першопричиною багатьох геологічних процесів. Його вивчення включає теоретичне та експериментальні дослідження параметрів теплового поля / 4,6,8 /.
Розподіл температур на поверхні Землі і в її надрах, тобто природне теплове поле Землі - визначається:
просторовим розподілом і потужністю джерел тепла. Цими джерелами є сонце, атмосферні опади, радіоактивні елементи, хімічні реакції, кристалізація, ущільнення та інші процеси.
здатністю порід до теплообміну - передачі теплової енергії;
просторовим розподілом порід з різною теплопровідністю.
Теплопровідність - процес розподілу теплоти від більш нагрітих до менш нагрітих обсягами неравномернонагретого речовини, що сприяє вирівнюванню температури середовища.
У 1822 році Жан Батист Фур'є встановив зв'язок градієнта температури з щільністю теплового потоку. Цей зв'язок стала називатися Законом Фур'є, який формулюється, як кількість переносної енергії визначається як щільність теплового потоку, пропорційне градієнту температури:
де q - щільність теплового потоку, gradT - температурний градієнт, λ - коефіцієнт пропорційності, названий коефіцієнтом теплопровідності або просто теплопровідність.
Іншими словами теплопровідність λ - це фізичний параметр, що характеризує інтенсивність процесу теплопровідності в речовині, чисельно рівний щільності теплового потоку q, при градієнті температури gradT. рівному одиниці. Формула коефіцієнта пропорційності:
Щільність теплового потоку q - це вектор спрямований в бік, протилежний градієнту температури і, чисельно дорівнює кількості теплоти, що проходить через одиницю площі ізометричної поверхні в одиницю часу.
Одиниця виміру теплопровідності в системі СІ Вт / (м · К), в системі СГС кал / (см · ° С).
Теплоємність - кількість теплоти, яку необхідно підвести до тіла, щоб підвищити його температуру на 1 К. теплоємність одиниці маси речовини називається питомою теплоємністю. Одиниця виміру в системі СІ Дж / кг · К, в системі СГС кал / г ° С.
де Q - кількість теплоти, m - маса тіла; T2-T1 різниця температур на яку змінилася температура тіла масою m при проведенні до нього кількості теплоти Q.
Температуропроводності - це величина, що характеризує швидкість зміни (вирівнювання) температури. Чисельно дорівнює відношенню теплопровідності до теплоємності одиниці об'єму речовини. Виражається в одиницях м 2 / с. обчислюється:
де cσ- об'ємна теплоємність.
Найбільш поширений спосіб вивчення термічних властивостей -метод стаціонарного режиму і динамічного розігріву. Термічні властивості зазвичай визначається в лабораторних умовах. У польових умовах за допомогою термокаротажа вимірюють температуру в свердловинах. Знаючи термічні параметри, вивчені на зразках, і розподіл температури в вищестоящої свердловині, можна визначити тепловий потік
Теплофізичні параметри елементів і мінералів.
Тепловий режим земної кори залежить головним чином від теплопровідності мінеральної речовини. Найвища теплопровідність спостерігається у самородних елементів. Значення їх λ мало відрізняються від відповідних чистих елементів. Найбільше значення λ спостерігається у срібла і чисельно дорівнює 418-420 Вт / (м · К). Висока теплопровідність (до 30 Вт / (м · К)) спостерігається у золота, міді деяких інших самородних елементів, таких як графіт (268-389 Вт / (м · К)), алмаз (121-163 Вт / (м · К )), за винятком сірки (0,85 Вт / (м · К)). Висока теплопровідність (від 100 до 200 Вт / (м · К)) спостерігається у мінеральних сполук з металами: алюміній, калій, натрій, магній, кальцій.
Однак деякі з самородних металів, а також інші елементи, що зустрічаються і не зустрічаються у вільному стані, мають:
середні [від 10 до 50 Вт / (м · К) для свинцю, сурми, марганцю, торію, урану, цинку];
знижені [від 1,5 до 10 Вт / (м · К) для ртуті, вісмуту, кадмію];
низькі [0,5 до 1,5 Вт / (м · К) для бору];
дуже низькі [<0,5 Вт/(м·К) для водорода, фтора, хлора, кислорода]
значення коефіцієнта теплопровідності (Кобранова В.Н. 1986).
Існує тісний зв'язок між електропровідністю і теплопровідністю. Ставлення вважається приблизно постійним.
Присутність у складі мінералів елементів з високою теплопровідністю (від 50 до 300 Вт / (м · К)) нерідко підвищує мінеральну теплопровідність. Неоднакова щільність упаковки теж впливає на теплопровідність. Чим більше міжатомних відстань, тим менше теплопровідність.
Більшість мінералів, що складають гірські породи мають значно меншу теплопровідність. Теплопровідність породоутворюючих мінералів вивержених порід нижче, ніж акцесорних і рудних. Породообразующие мінерали метаморфічних порід (сподумен, андалузит, кіаніт і ін) в порівнянні з породообразующими мінералами інтрузивних утворень мають значно більшу теплопровідність.
Найголовніші вивчені класи мінералів за величиною теплопровідності розташовуються в такий спосіб в порядку убування:
самородні метали, а також графіт алмаз (> 120 Вт / (м · К));