Твердая фаза - Основные понятия и сведения о физических показателях горных пород

Коэффициент теплопроводности зависит от минерального состава, формы, размеров и пространственных ориентации кристаллов или зерен, а также температуры и давления.

Различают 2 типа теплопроводности:

    1) электронная - за счет кинетической энергии при столкновении электронов характерна для токопроводящих сред - проводников и полупроводников; 2) фононная - особый вид упругих колебаний частиц кристаллической решетки (квазичастицы называются фононами, по аналогии с фотонами электромагнитного поля).

Коэффициент теплопроводности минералов изменяется в пределах 0,3 (сера) 420 (серебро) Вт/(м-К). У некоторых угольных минералов составляет 0,15 Вт/(мК), а у самородных металлов порядка 100 Вт/(мК). Для последних прослеживается тесная связь с электропроводностью (э) (рис. 95).

взаимозависимость тепло- и электропроводности у самородных металлов

Рис. 95. Взаимозависимость тепло - и электропроводности у самородных металлов

Сравнительно большие для графита, алмаза, кварца за счет небольших дефектов в кристаллической решетке.

Коэффициент теплопроводности минералов уменьшается с увеличением межатомного расстояния, а следовательно, с уменьшением. Однако тесная связь отсутствует. Кроме того, уменьшается при увеличении дефектов кристаллической структуры минералов.

Примерный ряд убывания для минералов:

Группы минералов, Вт/мК

Графит, алмаз 120

Сульфиды 20

Оксиды 10

Хлориды 6

Карбонаты 4

Силикаты 4

Сульфаты 3,5

Нитраты 2

Сера, селен 0,8

Теплоемкость С минералов изменяется в пределах 0,1252-4 кДж/(кгК). Параметр С зависит от химического состава и структуры. Так как также определяется составом и структурой, то наблюдается тесная связь С и (рис.96).

взаимозависимость показателей с и у минералов

Рис. 96. Взаимозависимость показателей С и у минералов

Теплоемкость С возрастает в ряду:

Самородные минералы

Сульфиды

Оксиды

Сульфаты

Карбонаты

Силикаты

Общая тенденция изменения теплофизических характеристик твердой фазы следующая (рис. 97):

тенденция изменения теплофизических характеристик минералов

Рис. 97. Тенденция изменения теплофизических характеристик минералов

Жидкая фаза

В условиях жидкой фазы коэффициент теплопроводности пропорционален удельной теплоемкости Сm, плотности, среднему молекулярному расстоянию L и скорости перемещения молекул от горячего слоя к менее нагретому:

.

Для воды и нефти основные показатели и Сm составляют:

Вода 0,6 Вт/(мМК), Сm 4000 Дж/(кгМК);

Нефть 0,14 Вт/(мМК), Сm 2000 Дж/(кгМК).

На рис. 98 приведены зависимости теплопроводности и теплоемкости воды от температуры.

зависимость теплопроводности и теплоемкости воды от температуры и давления (по в.с.чиркину). шифр кривых - р10-5 па

Рис. 98. Зависимость теплопроводности и теплоемкости воды от температуры и давления (по В. С.Чиркину). Шифр кривых - Р10-5 Па

Как следует из рис. 98, уменьшение теплопроводности воды начинается примерно после 420 К. Это связано с уменьшением притяжения между молекулами жидкости. Теплоемкость воды уменьшается с ростом давления. Присутствие нефти в породах снижает их теплопроводность, поскольку коэффициент теплопроводности равен 0,13-0,14 Вт/(мК).

Газовая фаза

Средние показатели и Сm следующие:

Воздух 0,24 Вт/(мК), Сm 1000 Дж/(кгК);

Газ (метан, этан) 0,30 Вт/(мК), Сm 3000 Дж/(кгК).

Теплопроводность можно оценить по формуле

Где s и r - средние коэффициенты теплопроводности, зависящие от теплопроводности, составляющих смеси, i и их молярных долей хi,

.

Для нормальных термодинамических условий, то есть при

Р = 0,1 мПа и Т = 0

Возд = 0,2441 Вт/(мК);

Метана = 0,34 Вт/(мК);

Этана = 0,21 Вт/(мМК).

С ростом температуры Т и давления Р возрастает. Например, при Т = 20 и изменении Р от 0,1 до 40 мПа, возд увеличивается в 2 раза.

Удельная теплоемкость Сm воздуха и природных газов увеличиваются с ростом температуры Т и давления Р. При этом, поскольку Сm воздуха значительно больше Сm газов, то поэтому зависимость этого показателя для последних выражена ярче.

Зависимость показателей и Сm воздуха от температуры при различном давлении показана на рис. 99.

зависимость теплопроводности и теплоемкости воздуха от температуры и давления(по в.с.чиркину). шифр кривых - р10-5 па

Рис. 99. Зависимость теплопроводности и теплоемкости воздуха от температуры и давления(по В. С.Чиркину). Шифр кривых - Р10-5 Па

Похожие статьи




Твердая фаза - Основные понятия и сведения о физических показателях горных пород

Предыдущая | Следующая