39232

ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА

Лекция

Физика

Диагенез катагенез метаморфизм и метасоматизм пород образование всех видов полезных ископаемых тектонические и другие геологические процессы всё это связано с перераспределением тепла в земных недрах. Естественно что изучение тепловых процессов Земли тепловых свойств пород является весьма важной частью как в работах планетарного масштаба так и в прикладных исследованиях. Сведения о тепловых режимах земной коры в разное геологическое время широко используются при региональнозональном прогнозировании нефтегазоматеринских толщ зон...

Русский

2013-10-01

1.76 MB

20 чел.

ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА

Вариации температуры вещества Земли являются непременным условием многих преобразований в её геологической жизни.

Диагенез, катагенез, метаморфизм и метасоматизм пород, образование всех видов полезных ископаемых, тектонические и другие геологические процессы — всё это связано с перераспределением тепла в земных недрах. Естественно, что изучение тепловых процессов Земли, тепловых свойств пород является весьма важной частью как в работах планетарного масштаба, так и в прикладных исследованиях.

Сведения о тепловых режимах земной коры в разное геологическое время широко используются при регионально-зональном прогнозировании нефтегазоматеринских толщ, зон нефтегазонасыщения и состава генерированных углеводородов, при реконструкции процессов формирования тектонических структур, различных типов пород, образования рудных месторождений.

Температурные определения позволяют осуществлять контроль за разработкой нефтегазовых и угольных месторождений, изучать геологический разрез и техническое состояние скважин, вести режимные гидрогеологические исследования, наблюдать за вулканической деятельностью, оценивать экологическую ситуацию и т.д.

Основные параметры, характеризующие тепловые свойства

Коэффициент теплопроводности λ определяется из уравнения Фурье, которое гласит: плотность теплового потока q прямо пропорциональна градиенту температуры (grad Т), т.е.


где λ - коэффициент пропорциональности, получивший название коэффициента теплопроводности, или просто теплопроводности.

Плотность теплового потока q — это количество теплоты, передаваемое через единицу изотермической поверхности в единицу времени от более нагретой части тела к менее нагретой. Размерность q кал/м2ч или Вт/м2, с учётом этого размерность λ Вт/(м·К).

Удельная теплоёмкость С - количество теплоты, поглощаемое единицей массы вещества (кг), при нагревании тела на один градус, размерность С — Дж/кг·К.

Коэффициент температуропроводности (α) - параметр, характеризующий скорость изменения температуры вещества в нестационарных тепловых процессах. Он определяется как отношение теплопроводности λ к произведению удельной теплоёмкости С на плотность вещества σ, выражается в м2/с.

Коэффициенты теплового линейного (α) и объёмного (β) расширения определяются, соответственно, формулами:

ΔL/L = α·ΔT,   ΔV/V = β·ΔT

здесь L — длина тела, V — объём тела.

Из приведённых зависимостей следует, что размерность коэффициентов α и β одинакова (0C)-1, K-1, т.е. в обратных единицах шкалы Цельсия или Кельвина.

Механизмы теплопередачи

Механизм передачи тепловой энергии определяется характером взаимодействия частиц вещества - молекул, атомов, ионов, электронов -  в процессе их теплового движения. Теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температуры. Механизм переноса теплоты зависит от агрегатного состояния тела.

В жидкостях и твердых телах - диэлектриках - перенос теплоты осуществляется путем непосредственной передачи теплового движения молекул и атомов соседним частицам вещества (кондуктивный перенос); в газообразных телах - вследствие обмена энергией при соударении молекул, имеющих различные скорости теплового движения; в металлах — главным образом вследствие движения свободных электронов.

Явление конвективного переноса теплоты наблюдается лишь в жидкостях и газах.

Конвективный перенос - это распространение теплоты, обусловленное перемещением макроскопических элементов среды. Объемы жидкости или газа, перемещаясь из области с большей температурой в области с меньшей температурой, переносят теплоту.

Конвективный перенос может осуществляться в результате свободного или вынужденного движения теплоносителя. Свободное движение возникает тогда, когда частицы жидкости в различных участках системы находятся под воздействием массовых сил различной величины, т. е. когда поле массовых сил неоднородно. Если массовые силы обусловлены гравитационным полем, то в неизотермической системе неоднородность поля обусловлена изменением плотности, которое и вызывает свободное движение.

Теплообмен излучением (или радиационный теплообмен) состоит из испускания энергии излучения телом, распространения ее в пространстве и поглощения ее другими телами. В процессе испускания внутренняя энергия излучающего тела превращается в энергию электромагнитных волн, которые распространяются во всех направлениях. Тела, расположенные на пути распространения энергии излучения, поглощают часть падающих на них электромагнитных волн, и таким образом энергия излучения превращается во внутреннюю энергию поглощающего тела.

Всякая молекула в энергетическом отношении представляет собой электромагнитную систему. Внутреннюю энергию молекулы (поля кристаллической решетки) в первом приближении можно представить в виде трех аддитивных составляющих:

     энергия движения электронов в молекуле;

     энергия колебаний, образующих молекулу атомов;

     энергия вращения молекулы как целого.

Каждому виду внутренней энергии молекулы соответствует определенная спектральная область, причем колебательной и вращательной формам движения соответствует инфракрасная область спектра, простирающаяся от границы видимого света до радиодиапазона. Практически всегда одновременно с изменением колебательного состояния молекулы изменяется и вращательная энергия молекулы как целого, что приводит к образованию вращательно-колебательных молекулярных спектров.

При прохождении через вещество инфракрасных лучей (ИК) происходит возбуждение колебательно-вращательных уровней молекул. Если частота ИК излучения совпадает с частотой колебания молекулы, то происходит резонансное поглощение энергии с образованием полосы. Полоса поглощения характеризуется частотой или длиной волны, формой и интенсивностью. При этом положение полосы в спектре используется для качественной оценки состава исследуемого вещества, в то время как интенсивность полосы характеризует количественное содержание исследуемого компонента в составе анализируемого вещества. Для количественного анализа используется закон Бугера — Ламберта — Беера, связывающий интенсивность прошедшего через пробу исследуемого образца излучения в заданном диапазоне длины волн с концентрацией компонент:

J (λ) = J0 (λ) ехр [ -ε(λ)·Cd],

где J (λ), J0 (λ) —интенсивность прошедшего и падающего излучения с длиной волны λ; ε(λ) —коэффициент экстинкции; С — концентрация исследуемого компонента; d— толщина пробы.

Уравнение теплопроводности

Процесс распространения тепла в пространстве может быть охарактеризован температурой Т (r, t), являющейся функцией координат r и времени t. Уравнение неразрывности теплового потока можно записать в виде

где Q -  количество тепла в единице объема вещества, равное произведению объемной теплоемкости на температуру Т (с - молярная теплоемкость, σ - плотность);  - вектор плотности теплового потока. Тепловой поток определяется законом Фурье

где λ — коэффициент теплопроводности, для изотропной среды являющийся скаляром.

Подставляя это выражение в ранее показанное уравнение, получаем дифференциальное уравнение в частных производных второго порядка параболического типа (уравнение теплопроводности), выражающее закон сохранения тепла в единице объема:

Физический смысл этого уравнения: изменение количества тепла в единице объема в единицу времени обусловлено пространственным переносом тепла (а также тепловыделением в единице объема в результате действия источников тепла S).

В однородной изотропной среде в областях пространства, свободных от источников тепла, нестационарное поле температур определяется уравнением

∂T/∂t = αΔЕ,

где Δ - дифференциальный оператор Лапласа; α - коэффициент температуропроводности.

Закон Фурье является частным («тепловым») аналогом закона переноса вещества в различных его формах.

Теплофизические явления в горных породах

Горная порода представляет собой сложную термодинамическую систему, обладающую внутренней энергией теплового (хаотического) движения молекул, атомов, электронов, ядер, фотонов и т.п. и энергией их взаимодействия.

Внутренняя энергия системы и её физические свойства могут изменяться в результате сообщения (изъятия) теплоты путём теплообмена. При этом в породе происходит ряд физических явлений.

В твёрдом скелете породы изменение температуры у электропроводящих минералов (главным образом акцессориев) увеличивает или уменьшает кинетическую энергию электронов, а у основной части минералов, являющихся изоляторами электрического тока, — фононов.

Фононами по аналогии с фотонами электромагнитной энергии условно считают кванты (порции) поля гармонических упругих колебаний кристаллической решётки. Атомы, молекулы или ионы в узлах решётки диэлектриков находятся в постоянном колебательном движении; колебания частиц решётки не изолированы, в породе постоянно распространяются волны тепловых колебаний. Согласно квантовой теории, число таких колебаний - фононов — в породе тем больше, чем интенсивнее тепловое движение связанных элементарных частиц, т.е. чем выше температура.

Из сказанного следует, что распространение тепла в скелете горных пород происходит двумя путями: за счёт передачи кинетической энергии электронами «горячих» участков электронам «холодных» участков (электронная теплопроводность) и интенсивности теплового колебательного процесса связанных элементарных частиц узлов кристаллической решётки (фононная или решёточная теплопроводность). Интенсивность переноса тепла фононами в кристаллах в основном определяется их химическим составом и плотностью.

При повышении температуры породы частота колебания узлов решётки минералов возрастает относительно плавно до некоторого предела - до температуры Дебая, выше которой наступает агармоничность в колебательном процессе, что влечёт за собой изменение тепловых свойств.

Температура Дебая отделяет низкотемпературную область, где проявляются квантовые эффекты, от высокотемпературной, где справедливы законы классической статистической механики. Эта температура зависит от упругих постоянных кристаллов, она варьирует в весьма широких пределах, например у NaCl температура Дебая составляет 47 0С, а у алмаза — 1577 °С.

С вариациями температуры в минеральном составе породы наступает ряд изменений: при определённых температурах некоторые минералы переходят от одной кристаллической модификации к другой (например, кварц α-тригональный при повышении температуры выше 573 °С переходит в β-гексагональный), часть минералов диссоциирует (разлагается) и, наконец, плавится, т.е. переходит в жидкое состояние.

Температура плавления минералов различна. У большинства минералов она выше 1000 °С. Наиболее тугоплавким является периклаз, у него температура плавления 2800 °С. А такие минералы, как озокерит, сера становятся жидкими при температуре в несколько десятков градусов Цельсия.

Все эти фазовые переходы в минеральном скелете породы делятся на две группы: фазовые переходы 1 рода и фазовые переходы II рода.

При фазовых переходах I рода, например от кристаллического состояния в жидкое, процесс идёт с поглощением тепла при постоянной температуре. Поступающее тепло расходуется не на нагрев породы, а на разрыв межатомных связей, на деформацию и полное разрушение кристаллической решётки. Если переход происходит в обратном направлении (кристаллизация расплава), то порода выделяет (отдаёт) теплоту.

Фазовые переходы, не связанные с поглощением или выделением теплоты, но с резким изменением физических свойств, при определённых температурах, называются фазовыми переходами II рода. Примерами фазового перехода II рода являются: переход ферромагнитных минералов в парамагнитное состояние (в температурной точке Кюри) и переход металлов и некоторых их соединений в сверхпроводящее состояние при температуре, близкой к 0°К, характеризуемое уменьшением электрического сопротивления до нуля.

Согласно современным представлениям, фазовые переходы II рода связаны с трансформациями симметрии кристаллической решётки минералов. Выше точки перехода система, как правило, обладает более высокой симметрией. Весьма примечательное свойство в этих процессах - все фазовые переходы II рода сопровождаются скачкообразным изменением теплоёмкости тела, она чаще всего возрастает на переходе от более низких к более высоким температурам.

Критические физические явления наблюдаются и в газах. На границе определённых температур наступает такое состояние газа, при котором он не может быть превращен в жидкость при любом давлении.

С повышением температуры горные породы увеличиваются в объёме. Расширение породы обусловлено смещением центров равновесия колеблющихся атомов. Поскольку сила связи элементарных частиц зависит от направления их смещения, причём атомы легче смещаются в сторону удаления друг от друга, чем сближения, то нагревание приводит именно к расширению породы.

Газовая фаза

Теплопроводность. Перенос энергии молекулами газа тесно связан со средней длиной l их свободного пробега (среднее расстояние, которое проходит молекула в газе до ее столкновения с другой молекулой). Коэффициент теплопроводности газовых смесей  λг=0,5(λsr), где λs и λr - средние коэффициенты теплопроводности, рассчитываемые по формулам

,   

Здесь λi - коэффициенты теплопроводности составляющих смеси; xi - их молярные доли.

По этим данным λ воздуха равен 0,2441 Вт/(м·К) при р = 0,1 МПа и Т = 0. С ростом температуры значения этой величины в Вт/(м·К) возрастают.

Теплопроводность воздуха зависит от давления. При 20 0С и изменении р от 0,1 до 40 МПа его коэффициент λ возрастает почти в 2 раза. При более высоких температурах λ растет с давлением все менее интенсивно.

Теплоемкость. При обычных достигаемых при бурении не очень высоких температурах (немного более 200 °С) имеет место поступательное и вращательное тепловое движения молекул газа. Этим объясняется независимость теплоемкости от температуры при сравнительно небольших значениях последней и обусловленность теплоемкости строением молекул газа.

Теплоемкость воздуха гораздо меньше, чем метана и этана, поэтому для пластового газа она гораздо выше, чем для воздуха, и изменяется от 2,6 до 3,6 кДж/(кг·К) при изменении Т от 40 до 80°С и р от 0,1 до 30 МПа.

Итак, λтжг . Самая же высокая теплоемкость наблюдается у жидкой фазы пород, ниже она у газовой и еще ниже у твердой фазы, если значительная доля последней не состоит из льда или минералов с большим содержанием кристаллизационной или конституционной воды.

Жидкая фаза

Теплопроводность. Коэффициент теплопроводности жидкости пропорционален ее теплоемкости срm, плотности δ, среднему межмолекулярному расстоянию L и скорости v перемещения молекул от горячего слоя к менее нагретому. Последняя тождественна скорости звука в этой среде и превышает скорость теплового молекулярного движения частиц. Эти допущения позволяют записать

λ = δ·сpm·v·L

где L = Δ—d (Δ — расстояние между центрами молекул диаметра d).

Расхождение значений λ, полученных по формуле, с экспериментальными обычно заключается в пределах 5—15%, но иногда доходит до 50%.

Коэффициент λв теплопроводности дистиллированной воды при нулевой температуре и атмосферном давлении равен 0,582 Вт/(м·К). С ростом температуры его значения сначала возрастают (λв = 0,589 при 20°С и 0,67 Вт/(м·К) при 75 0С), а затем, примерно со 120 °С, падают, так как при этом уменьшается притяжение между молекулами жидкости. При р < З÷4 МПа влияние давления на λв очень мало.

При Т и p=const λв слабо увеличивается с ростом солености воды.

Сырая нефть характеризуется при 20 °С λн = 0,13÷0,14 Вт/(м·К), которое ниже λв более чем в 4 раза. Присутствие нефти в породах снижает их теплопроводность тем больше, чем выше их нефтенасыщенность.

Теплоемкость. Для воды сpm находится в пределах 4,18— 3,98 кДж/(кг·К) при температуре 20°С и изменении ее солености от 0 до 40%.

При заданной минерализации с увеличением температуры сpm снижается относительно слабо.

Теплоемкость нефти при изменении температуры от 40 до 80 °С и давления от 0,1 до 30 МПа находится в пределах 1,885 - 2,764 кДж/(кг·К).

Тепловые свойства минералов и горных пород

Теплопроводность. В сравнении с другими твёрдыми телами большая часть минералов и горных пород - плохие проводники тепла. Значение λ коэффициентов теплопроводности лежат в весьма узком диапазоне 0,1-10 Вт/(м·К).

Высокой теплопроводностью обладают лишь самородные металлы и некоторые рудные минералы: медь, золото, гематит, сфалерит. Очень большое значение коэффициента теплопроводности имеет алмаз. Причина этого - высокая энергия кристаллической решётки, и как следствие - большая длина свободного пробега фононов. Самая высокая теплопроводность, 500 Вт/(м·К), наблюдается у золота, меди, графита и некоторых других самородных минералов. Далее в порядке уменьшения средних значений коэффициента теплопроводности λ выстраиваются следующие классы минералов : сульфиды - 19, окислы - 12, фториды и хлориды - 6, карбонаты и силикаты - 4, сульфаты - 3,3, нитраты - 2,1, самородные неметаллические элементы (сера, селен) - 0,85 Вт/м·К).

Из числа породообразующих минералов сравнительно высокой теплопроводностью обладает кварц, для которого λ = 7 – 13 Вт/(м·К).

Гидрохимические осадки — каменная соль, сильвин, ангидрит - имеют повышенную по сравнению с другими неметаллическими полезными ископаемыми теплопроводность порядка 6 Вт/(м*К).

Коэффициенты теплопроводности углей и торфа невысокие - в пределах 0,07 - 2,24 Вт/(м·К).

Теплоёмкость. Это свойство минералов изучено ещё недостаточно. По имеющимся сведениям, значения удельной теплоёмкости С при постоянном давлении у минералов разных классов нарастают в такой последовательности: платина, золото, висмут, медь, железо и другие самородные металлы - 130—450; галенит, киноварь и другие сульфиды - 210-600; окислы - 220-1000 и даже до 2000-4000 (лёд, вода); силикаты - 500-980; сульфаты - 350-1500. Низкие пределы значений С для каждого из перечисленных классов минералов обусловлены высокой концентрацией в них тяжёлых элементов с низкой, не более 100 Дж/(кг·К), удельной теплоёмкостью, таких как висмут, ртуть, свинец, торий, уран и др. Повышенные значения коэффициента удельной теплоёмкости, наоборот, характерны для минералов с увеличенным содержанием в них элементов с малой плотностью, например бора, углерода, магния, натрия, кремния, кислорода, и со сравнительно большой удельной теплоёмкостью, не ниже 200 — 300 Дж/кг·К). Последнее особенно характерно для минералов, содержащих водород в своем составе (вода, лёд) либо в кристаллизационно-связанной воде (гипс, эпсолит, бура), поскольку средняя теплоёмкость водорода достигает 14240 Дж/кг·К).

Рудные минералы, как правило, имеют низкую теплоёмкость.Наблюдается достаточно тесная связь между теплоёмкостью минералов и плотностью с уменьшением плотности минералов их теплоёмкость возрастает.

Коэффициент линейного теплового расширения α. Он уменьшается с увеличением энергии кристаллической решётки и, соответственно, плотности минералов от 10-4 до 10-6 К-1. Высокими значениями характеризуются самородная сера, каменная соль, слюда, флюорит и кварц.

Некоторые кристаллы имеют различное тепловое расширение в разных кристаллографических направлениях, например диопсид, роговая обманка, кварц, кальцит. Монокристалл кальцита при нагревании удлиняется только в одном направлении, а в двух других сокращается. Кристаллы кварца расширяются в одном из направлений в два раза больше, чем в других.

Коэффициенты линейного расширения минералов в аморфном состоянии ниже, чем в кристаллическом.

Горные породы

Теплопроводность горных пород зависит от их минералогического состава, пористости, флюидного состава, структуры и текстуры, а также температуры и давления.

Значения коэффициента теплопроводности осадочных, магматических и метаморфических пород во многом перекрываются. Величина этого параметра осадочных пород меняется в диапазоне от 0,14 до 6,5; магматических — от 0,25 до 5,0; метаморфических — от 0,44 до 7,6 Вт/м·К). Теплопроводность разных типов осадочных образований возрастает в такой последовательности: глины, аргиллиты, пески, алевролиты, известняки, доломиты, каменная соль. Коэффициент теплопроводности песчаников варьирует в пределах 0,24 — 4,41 Вт/(м·К) с тенденцией к понижению от мёрзлых к влажным и далее к нефтенасыщенным и сухим. Фазовый состав флюидов существенно влияет на теплопроводность пород, поскольку их теплофизические характеристики различаются очень резко.

Как свидетельствуют материалы обобщения опубликованных данных по теплопроводности интрузивных пород, наибольшей теплопроводностью обладают ультраосновные породы. В ряду основные — среднекислые породы существенных отличий по теплопроводности не наблюдается, хотя содержание кварца, минерала с относительно высокой теплопроводностью, в них различно. Очевидно, вариации теплопроводности у этих образований обусловливаются, главным образом, не изменениями минералогического состава, а структурно-текстурными факторами.

Эффузивные породы, как правило, характеризуются более низкими значениями коэффициента теплопроводности, чем их интрузивные аналоги. Это обусловлено тем, что теплопроводность кристаллических минералов обычно выше, чем у аморфных, причём λ последних меньше 1,9 Вт/(м·К). Поэтому присутствие в породе стекловатой массы понижает её теплопроводность. В качестве примера можно сравнить значения коэффициентов теплопроводности габбро и базальта.

Зернистость пород влияет на их теплопроводность достаточно закономерно. С уменьшением размера зёрен значения коэффициента теплопроводности уменьшаются.

Особенно чётко эта закономерность прослеживается у осадочных пород.

Слоистые осадочные и сланцеватые метаморфические породы нередко характеризуются анизотропией теплопроводности: вдоль сланцеватости и слоистости теплопроводность выше, чем в перпендикулярном направлении.

Коэффициент линейного расширения горных пород в отличие от минералов изменяются в заметно более узких пределах.

Коэффициент объёмного расширения горных пород обычно в три раза больше, чем соответствующие значения коэффициента линейного расширения. Пористость, кавернозность, трещиноватость горной породы понижают её способность к расширению.

Зависимости тепловых свойств минералов и горных пород от температуры и давления

Горные породы в земной коре находятся в различных термобарических условиях, которые существенно влияют на тепловые свойства пород.

Тепловые свойства их по-разному изменяются с изменением температуры. Теплопроводность у одних пород с ростом температуры снижается, у других — повышается, у третьих она практически не изменяется.

К первой группе относятся породы, имеющие преимущественно кристаллическую структуру. У таких образований снижение теплопроводности с повышением температуры определяется в основном ростом агармоничности колебаний элементарных частиц кристаллической решётки. При температуре выше температуры Дебая рассеяние фононов друг на друге приводит к зависимости, описываемой уравнением

На этот процесс накладываются изменения, связанные с рассеянием фононов на кристаллических зёрнах и различных дефектах кристаллической структуры, а также изменениями теплопроводности жидкой, газовой фаз породы и льда, существенно отличных от характера изменения теплопроводности кристаллического скелета.

Для горных пород с аморфной структурой, например для обсидиана, анортозита теплопроводность с ростом температуры увеличивается. В этом случае теплопроводность связана с температурой в первом приближении прямой пропорциональной зависимостью:

λ = k·T

Процесс передачи тепла в таких породах подчиняется законам классической статистической механики.

Механизм теплопроводности пород третьей группы, таких как диабаз, порфирит, в которых содержится много стекла и которые вследствие этого имеют кристалло-аморфную структуру, определяется соотношением этих структур. В результате наложения взаимно противоположных процессов теплопроводность у них изменяется сложным образом или совсем не зависит от изменения температуры.

Теплоёмкость как кристаллических пород, так и пород с аморфной структурой с ростом температуры возрастает. Однако повышение её у пород с аморфной структурой происходит более равномерно, чем у образований со смешанной или кристаллической структурой. При этом эффузивные породы характеризуются более высокими значениями теплоёмкости при температурах 20-500 °С, чем интрузивные.

Температуропроводность минералов и горных пород уменьшается с повышением температуры. Наиболее резкое снижение характерно для пород с кристаллической структурой. Температуропроводность пород с аморфной структурой слабо зависит от изменений температуры. Повышение давления на породу приводит, в общем, к росту теплопроводности и температуропроводности, но снижает теплоёмкость.

Определение тепловых свойств

В настоящее время используется три метода лабораторного определения тепловых параметров горных пород и минералов: контактные методы стационарного или нестационарного теплового потока, бесконтактные сканирования теплового потока и калориметрический. Кроме этого для определения плотности теплового потока и геотермического градиента проводятся специальные измерения в скважинах.

Методы стационарного потока определения теплопроводности λ0 образца основаны на измерении перепада температуры на образце ΔT0, через который проходит известной величины тепловой поток q, определяемый, в свою очередь, по эталонному образцу с известной теплопроводностью λэт по формуле

Зная величину теплового потока, по такой же зависимости определяется λ0

здесь Lэт, L0 — длина эталонного и испытуемого образца между изотермическими поверхностями, нормальными к тепловому потоку.

Образцу породы при такой методике придаётся правильная геометрическая форма. Для примера на рисунке показана схема установки «КОМПАРАД», разработанной в Башкирском госуниверситете.

Принцип контактного теплового потока используется и в приборах, реализующих метод двухточечного зондирования образца. В этих установках требования к форме образца значительно упрощены: у образца достаточно иметь одну плоскую поверхность, на которую устанавливаются два медных наконечника, являющихся нижними частями термозондов, между верхними концами которых в процессе измерения поддерживается постоянная разность температуры в несколько десятков градусов Цельсия. Испытуемый образец через наконечники «закорачивает» термозонды, по нему из-за разности температур, проходит поток тепла, величину которого оценивают по перепаду температур между контактными наконечниками. Перед измерениями прибор предварительно градуируется с помощью эталонных образцов.

Принцип определения тепловых свойств бесконтактными устройствами заключается в следующем. С помощью точечного источника тепла (лазер или лампа накаливания с фокусирующим отражателем) производится локальный нагрев движущегося образца. Тепловое «пятно» по образцу перемещается с постоянной скоростью. Вслед за «пятном» или параллельно линии нагрева двигаются бесконтактные датчики температуры (регистрируется электромагнитное излучение специальными радиометрами).

Для определения тепловых свойств образцов измерения могут выполняться и в точках неподвижных относительно образца. Такие установки позволяют производить комплексное определение тепловых свойств пород. Установки эталонируются. Технология измерений предусматривает использование эталонных образцов.

Калориметрический метод применяется для определения удельной теплоёмкости образцов. Испытуемый образец с известной температурой Т0 и массой m0 помещается в калориметрическую жидкость с известной теплоёмкостью Сж, массой mж и температурой Тж, которая вследствие теплообмена изменяется на величину ±ΔТж. По этим параметрам вычисляется теплоёмкость образца:

Оценка плотности теплового потока q какого-либо разреза производится по совокупности данных скважинных и лабораторных измерений. В скважинах измеряется температура пород. Для её индикации используют различные термометры и наземные пульты регистрации с одно- или трёхжильным кабелем. Запись температуры ведётся непрерывно по стволу скважины. Полученные данные позволяют определить геотермический градиент как по отдельным скважинам, так и обобщённый для некоторой площади. Теплопроводность пород разреза λ измеряется на лабораторных установках по керновому материалу. Вычисление плотности теплового потока производится по формуле q = λ·grad(T).

PAGE  5


EMBED Equation.3  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

49076. Расчет термической обработки стали марки 5ХНМ 275.5 KB
  Если обрабатывается мягкий материал (дерево, пластмассы, цветные металлы) или при обработке стали и чугуна применяются малые скорости резания и стружка имеет малое сечение, то в единицу времени на процесс резания затрачивается мало энергии. Если обработка происходит при больших скоростях резания, обрабатываются твердые металлы и стружка имеет большое сечение
49077. ИССЛЕДОВАНИЕ ОРГАНА КОНТРОЛЯ ПОГАСАНИЯ ДУГИ 136.5 KB
  Исследуемая модель линии При угле передачи 0 и переходном сопротивлении Rпер=30 Ом напряжение на зажимах реактора относительно земли в фазе А где первый график модуль напряжения а второй угол. Используя значения напряжения после t=0.02 с изменяя место короткого замыкания а также значение угла передачи можно получить зависимости: Рисунок 2 Зависимость напряжения на реакторе от места повреждения при угле передачи 30 Рисунок 3 Зависимость напряжения на реакторе от места повреждения при...
49080. ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ 248.5 KB
  Описание физической величины Описание и выбор метода измерения влажности Метод высушивания Дистилляционный метод Экстракционные методы Химический метод Метод СВЧ-влагометрии Нейтронный метод Инфракрасные влагомеры Кондуктометрические датчики Выбор метода Выбор и описание датчика Влагомер ВП4 Влагомер для порошкообразных материалов Датчик влажности для формовочной смеси Датчик влажности для зерна Автоматическая...
49081. Разработка рациональной системы применения удобрений в конкретных почвенно-климатических условиях хозяйства 1.06 MB
  Производственные показатели для составления системы применения удобрений Выход навоза заготовка хранение и технология внесения органических удобрений Составление системы применения удобрений в расчете на планируемый урожай при освоении севооборота Составление системы применения удобрений на планируемый урожай в освоенном севообороте
49083. Шестипольный полевой севооборот в отделении совхоза Калининской области 1.31 MB
  Производственные показатели для составления системы применения удобрений. Выход навоза заготовка хранение и технология внесения органических удобрений. Технология внесения органических удобрений на примере одного поля. Составление системы применения удобрений на планируемый урожай при освоении севооборота18 4.
49084. Сущность демократической формы организации и осуществления власти 64 KB
  Проблема понимания демократии сейчас по-настоящему актуальна. В связи с провозглашением большинства политических систем современных государств демократическими, данным словом постоянно оперируют лица, связанные с политикой