Лекции Физика горных пород 2021. Конспект лекций по дисциплине Физика горных пород
 Скачать 0.52 Mb.
|
Лекция № 8Тема : ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОДПлан лекции (с.85-95/1/): Распространение и накопление тепла. 1. Распространение и накопление тепла. Поглощение породами тепла всегда сопровождается повышением кинетической энергии молекул и атомов и фиксируется изменением температуры пород. Амплитуда колебаний молекул и ионов с ростом температуры увеличивается. При этом наблюдается прямо пропорциональная зависимость между количеством теплоты dQ, пере6ходящей во внутреннюю энергию тела, и приростом температуры dT: dQ = C dT где С –коэффициент пропорциональности – показатель, называемый теплоёмкостью тела и характеризующий изменение его тепловой энергии при изменении температуры на один градус. Величина С, отнесённая к единице массы m нагреваемого объёма, называется удельной теплоёмкостью породы с: с = С/ m или с = dQ /( m dT) Теплопроводность (передача тепла) может быть двух типов: 1 тип - электронная – передача тепла путём обмена кинетической энергии при столкновении электронов; 2 тип - фононная - передача тепла путём постепенной передачи колебаний кристаллической решётки от одной частицы к другой поскольку ме65жду ними имеются значительные силы связей. Фононы – это кванты поля колебаний кристаллической решётки. Количество тепла λ, проходящего в единицу времени через единицу сечения в направлении, перпендикулярном к сечению при перепаде температур, равном 1 К, на единицу расстояния называется коэффициентом теплопроводности. Температуропроводность характеризует скорость распространения изотермической поверхности в породе. Частный случай теплообмена через какую-то граничную поверхность от одной породы к другой, имеющей от первой отличные тепловые свойства, называется теплопередачей. Теплопередача происходит при распространении теплового потока перпендикулярно к слоистости и трещиноватости пород, на контактах вмещающих пород с полезным ископаемым и т.д. Она происходит также между породами и флюидами (газами, жидкостями), омывающими породу. В этом случае теплопередача называется теплоотдачей. Теплоотдачу важно знать, например, при расчётах проветривания и теплового режима глубоких шахт, в процессах термобурения и т.д. Коэффициент теплоотдачи является не только функцией свойств контактирующих веществ, но и их состояния (например, шероховатости поверхности породы), скорости относительного перемещения флюидов и т.д. Тепло, поглащённое горной породой, расходуется кроме её нагрева ещё и на внешнюю работу, связанную в основном с тепловым расширением. Относительное удлинение тела при нагреве его на 1 К называется коэффициентом линейного теплового расширения α. Удельная теплоёмкость - количество тепла, необходимое для повышения температуры 1кг вещества на 1К. Удельная теплоёмкость минералов и пород изменяется от 0,4 до 2 кДж/(кг К). Обычно она выше удельной теплоёмкости металлов. У минералов с уменьшением их плотности наблюдается повышение удельной теплоёмкости. Удельная теплоёмкость плотной породы зависит только от её минерального состава и может быть рассчитана по формуле арифметического средневзвешенного сср =Σ сimi где mi – относительное массовое содержание минерала с удельной теплоёмкостью сi. Рудные минералы, как правило, имеют низкую теплопроводность, поэтому в рудосодержащих породах теплоёмкость ниже, чем в безрудных породах. Лекция №9Тема :ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД(продолжение)План лекции (с.85-95/1/): Теплопроводность и температуропроводность пород. Тепловое расширение Термические напряжения в горных породах 1. Теплопроводность и температуропроводность. Минералы и горные породы, как правило, являются плохими проводниками тепла (λ = 0,1-7 Вт/(м К)). Большой теплопроводностью – до 30-40 Вт/(м К) обладают лишь некоторые рудные минералы, например, сфалерит. Исключительно большое значение коэффициента теплопроводности λ наблюдается у алмаза – до 200 Вт/(м К) вследствие небольшого количества дефектов в кристаллической решётке. Из породообразующих минералов большим значением теплопроводности обладает кварц λ = 7 – 12 Вт/(м К). Поэтому у плотных малопористых безрудных пород наблюдается повышение λ с увеличением содержания в них кварца. Теплопроводность пород определяется способностью минералов, слагающих породу, проводить тепло. В слоистых породах наблюдается бơльшая теплопроводность вдоль слоистости λ║, чем перпендикулярно слоистости λ┴. Коэффициент анизотропии теплопроводности слоистых пород в среднем представляет 1,1-1,5. Передача тепловой энергии в пористых породах может происходить как путём теплопроводности. Так и путём конвекции заполнителя порового пространства (теплоотдачи). Как известно, теплопроводность воздуха λв очень низка, поэтому λ сухих пористых пород всегда ниже теплопроводности непористых пород. Так, например, теплопроводность песка в 6-7 раз меньше, чем теплопроводность плотного песчаника. Исключительно большую роль играет форма пор в породе. Если поры в породе удлинённые (типа трещин), то теплопроводность значительно уменьшается при расположении пор перпендикулярно тепловому потоку. Существенен также состав газов, заполняющих поры. Так, водород обладает теплопроводностью в 7 раз большей, чем воздух, поэтому и теплопроводность пород, содержащих водород, больше при той же пористости. Как правило, происходит уменьшение теплопроводности пород с уменьшением размеров зёрен. Однако это влияние наиболее существенно только при небольших их размерах. Теплопроводности кристаллических и аморфных минералов значительно различаются, из чего можно заключить, что наличие стекловатой массы в породах понижает их теплопроводность. Пределы изменения температуропроводности пород – порядка 10-6 – 10-7 м2/с. С увеличением плотности температуропроводность пород незначительно уменьшается. Температуропроводность пород, как и теплопроводность, зависит от их строения. Пористость пород приводит к снижению их температуропроводности. 2. Тепловое расширение. Коэффициенты линейного и теплового расширения пород являются важнейшими теплофизическими характеристиками, обуславливающими способность пород трансформировать тепловую энергию в механическую, т.е. во внешнюю работу. Коэффициент линейного теплового расширения α минералов уменьшается с увеличеснием энергии кристаллической решётки и соответственно плотности минералов. α минералов – 10-6 – 10-4 К-1 α пород – 10-6 – 10-5 К-1 Коэффициент объёмного теплового расширения γт полиминеральной горной породы определяется значениями γтi, величинами модулей всестороннего сжатия Кi слагающих её минералов и относительным их объёмным содержанием Vi. Если порода при нагревании не разрушается, то γт = Σ γтi Кi Vi /(Σ Кi Vi) Обычно γт ≈ 3α. Кристаллы и слоистые горные породы имеют различное тепловое расширение в разных направлениях. Для них γт ≠ 3α.. Установлено влияние химического состава пород на их тепловое линейное расширение. Коэффициенты линейного теплового расширения минералов в аморфном состоянии ниже, чем в кристаллическом. Пористость, трещиноватость и пустоты в горной породе приводят к снижению её коэффициента теплового расширения. Термические напряжения в горных породах возникают за счёт либо неоднородного нагрева породы, либо различия в значениях коэффициентов теплового расширения и упругих свойств слагающих породу минералов и агрегатов. Так, если представить стержень длиной l, свободное расширение которого невозможно, то при его нагреве на ΔТ в нём возникнут термические напряжения σт, равные напряжениям, необходимым для сжатия удлинившегося стержня до первоначальных размеров, т.е. σт = ЕΔl/l = Еα ΔТ Аналогично можно рассчитать термические напряжения в некотором нагреваемом объёме, находящемся в массиве, когда возможности расширяться отсутствуют: σт́ = γт К ΔТ В этом случае нагреваемый объём испытывает напряжения сжатия, в то время, как окружающие его объёмы в зависимости от их расположения испытывают напряжения сжатия и напряжения. В связи с тем, что термические напряжения определяются произведением Еα или γт К, их зависимость от внутренних факторов обусловлена зависимостью модулей упругости и коэффициентов расширения от этих факторов. Например, с увеличением пористости пород термические напряжения уменьшаются. Если весь образец породы нагреть равномерно, то в нём возможны внутренние, межзеренные термонапряжения, обусловленные различиями в упругих свойствах и коэффициентах теплового расширения отдельных минеральных зёрен. |