Теплопроводность горных пород и минералов, их плотность и теплоемкость — таблицы

Тепловые свойства горных пород характеризуются, в основном, удельной теплоёмкостью, коэффициентом температуропроводности и коэффициентом теплопроводности.

Удельная (массовая) теплоёмкость (при постоянном давлении) характеризуется количеством теплоты, необходимым для нагрева единицы массы породы на 1°С:

Теплопроводность горных пород и минералов, их плотность и теплоемкость - таблицы

  • где
  • Cр — удельная изобарическая теплоемкость, Дж/(кг·°С);
  • М — масса породы, кг;
  • Q — количество теплоты, Дж;
  • T — температура, °С.

Этот параметр необходимо учитывать при тепловом воздействии на пласт. Чем меньше плотность пород, тем выше величина удельной теплоёмкости. Удельная теплоёмкость зависит от минералогического состава, дисперсности, температуры, давления и насыщенности горных пород.

Теплоёмкость пород зависит от минералогического состава пород и не зависит от строения и структуры минералов. Удельная теплоёмкость увеличивается при уменьшении плотности породы и растёт с увеличение температуры и водонасыщенности в пределах 400 — 2000 Дж/(кг×°С).

Коэффициент теплопроводности (удельного теплового сопротивления) l характеризует количество теплоты dQ, переносимой в породе через единицу площади S в единицу времени t при градиенте температуры dT/dx:

Теплопроводность горных пород и минералов, их плотность и теплоемкость - таблицы

  1. где
  2. λ — коэффициент теплопроводности, Вт/(м·°С);
  3. S — площадь, м2;
  4. Q — количество теплоты, Дж;
  5. t — время, сек;
  6. x — расстояние, м
  7. T — температура, °С.
  8. Коэффициент температуропроводности (α) характеризует скорость прогрева пород или скорость распространения изотермических границ.
  9. Взаимосвязь тепловых свойств горных пород выражается соотношением:

Теплопроводность горных пород и минералов, их плотность и теплоемкость - таблицы

  • где
  • a — коэффициент температуропроводности, м2/с;
  • λ — коэффициент теплопроводности, Вт/(м·°С);
  • Cр — удельная изобарическая теплоемкость, Дж/(кг·°С);
  • Ρпороды — плотность породы, кг/м3.

Теплопроводность и температуропроводность пород значительно ниже по сравнению с металлами. Поэтому для прогрева призабойных зон требуется очень большая мощность нагревателей.

Таблица — Тепловые свойства некоторых пород и флюидов

Наименование Ср, Дж/(кг×°С) l, Вт/(м×°С) a, 10-6 м2/с
глина 755 0,99 0.97
глинистые сланцы 772 154-218 0.97
доломит 930 1,1-4,98 0.86
известняк 1100 2,18 0.91
кварц 692 2,49 1.36
песок 800 0,347 0.2
нефть 2100 0,139 0.069-0.086
вода 4150 0,582 0.14

Источник: http://www.neftepro.ru/publ/15-1-0-35

Добыча нефти и газа

Контрольные, курсовые и дипломные работы! От лучших авторов!

Рейтинг:   / 6

Тепловые свойства горных пород характеризуются удельной теплоёмкостью, коэффициентом температуропроводности и коэффициентом теплопроводности.

Удельная (массовая) теплоёмкость характеризуется количеством теплоты, необходимым для нагрева единицы массы породы на 1°С:

.                   (2.1)

Этот параметр необходимо учитывать при тепловом воздействии на пласт.

Коэффициент теплопроводности (удельного теплового сопротивления) l характеризует количество теплоты dQ, переносимой в породе через единицу площади S в единицу времени t при градиенте температуры dT/dx:

Теплопроводность горных пород и минералов, их плотность и теплоемкость - таблицы.           (2.2)

Коэффициент температуропроводности (α) характеризует скорость прогрева пород (или скорость распространения изотермических границ).

Коэффициенты линейного (aL) и объёмного (aV) расширения характеризуют изменение размеров породы при нагревании:

Теплопроводность горных пород и минералов, их плотность и теплоемкость - таблицы.                  (2.3)

         Взаимосвязь тепловых свойств горных пород выражается соотношением (2.4):

.            (2.4)

Теплоёмкость пород зависит от минералогического состава пород и не зависит от строения и структуры минералов. Удельная теплоёмкость увеличивается при уменьшении плотности породы и растёт с увеличение температуры и влажности в пределах 0,4-2 кДж/(кг×К).

Теплопроводность и температуропроводность пород очень низки по сравнению с металлами. Поэтому для прогрева призабойных зон требуется очень большая мощность нагревателей. Вдоль напластования теплопроводность выше, чем поперёк напластования на 10-50%.

Коэффициенты линейного и объёмного расширения изменяются в зависимости от плотности породы аналогично теплоёмкости. Наибольшим значением коэффициентов расширения обладает кварцевый песок и другие крупнозернистые породы.

Коэффициент линейного расширения пород уменьшается с ростом плотности минералов.

Тепловых свойства некоторых горных пород и пластовых флюидов

Таблица 2.1.

Горная порода с, кДж/(кг×К) l, Вт/(м×К) a×103, м2/с aL×105, 1/К
глина 0,755 0,99 0,97
глинистые сланцы 0,772 154-218 0,97 0,9
доломит 0,93 1,1-4,98 0,86
известняк 1,1 2,18 0,91 0,5-0,89
кварц 0,692 2,49 1,36 1,36
песок 0,8 0,347 0,2 0,5
Пластовые флюиды с, кДж/(кг×К) l, Вт/(м×К) a×103, м2/с aL×105, 1/К
нефть 2,1 0,139 0,069-0,086
вода 4,15 0,582 0,14

Калькулятор расчета монолитного плитного фундамента тут obystroy.com Как снять комнату в коммунальной квартире здесь Дренажная система водоотвода вокруг фундамента — stroidom-shop.ru

Источник: http://oilloot.ru/77-geologiya-geofizika-razrabotka-neftyanykh-i-gazovykh-mestorozhdenij/235-teplovye-svojstva-gornykh-porod

Тепловые свойства горных пород

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 22Следующая ⇒

  • Тепловые свойства горных пород характеризуются следующими физическими параметрами:
  • удельной теплоёмкостью;
  • • коэффициентом температуропроводности;
  • • коэффициентом теплопроводности.
  • Эти параметры необходимо учитывать при тепловом воздействии на пласт и решении термодинамических вопросов, связанных с прогнозированием температуры флюидов на устьях добывающих скважин, оценкой фильтрационных параметров пласта, термической обработкой продуктивных горизонтов.
  • Свойство горных пород поглощать тепловую энергию при теплообмене характеризуется удельной теплоёмкостью пород.
  • Удельная теплоёмкость оценивается количеством теплоты, необходимым для нагрева единицы массы породы на 1°:

где M – масса породы; dT – прирост температуры от количества теплоты (dQ), переданной породе.

Теплоёмкость пород зависит от условий их нагревания – при постоянном объеме или при постоянном давлении. При нагревании породы при постоянном объеме все тепло расходуется на увеличение внутренней энергии тела. При нагревании породы при постоянном давлении часть тепла расходуется на увеличение внутренней энергии тела, а часть идет на расширение породы.

Удельная теплоёмкость зависит от минералогического состава, дисперсности, температуры, давления и влажности горных пород. Причём, теплоёмкость пород зависит от минералогического состава пород и не зависит от строения и структуры минералов.

  1. Чем больше пористость, температура и влажность горных пород, тем выше их теплоёмкость, особенно при слабой минерализации пластовой воды.
  2. Чем меньше плотность пород, тем выше величина удельной теплоёмкости.
  3. Удельная теплоёмкость для горных пород, слагающих нефтяные залежи изменяется в пределах 0,4 – 1,5 кДж/(кг·К).
  4. Коэффициент теплопроводности (λ) или удельного теплового сопротивления, характеризует количество теплоты (dQ), переносимой в породе через единицу площади (S) в единицу времени (t) при градиенте температуры (dT/dx), равном единице:

Теплопроводность горных пород и минералов, их плотность и теплоемкость - таблицы

К о э ф ф и ц и е н т т е п л о п р о в о д н о с т и (табл.) возрастает с увеличением плотности пород и их влажности.

С ростом пористости пород теплопроводность их уменьшается.

При свободном движении вод, способствующем дополнительному переносу тепла, коэффициент теплопроводности пород возрастает с увеличением проницаемости.

С увеличением нефтенасыщенности пород коэффициент теплопроводности также уменьшается. Он мало зависит от минерализации пластовых вод.

  • Породам также присуща анизотропия тепловых свойств — в направлении напластования теплопроводность выше, чем в направлении, перпендикулярном напластованию.
  • Рост газонасыщенностипород, также как и уменьшение влажности, сопровождается уменьшением теплопроводности.
  • Коэффициент температуропроводности (α) горных пород характеризует скорость прогрева пород, изменения температуры пород вследствие поглощения или отдачи тепла, или скорость распространения изотермических границ.

Температуропроводность горных пород повышается с уменьшением пористости и с увеличением влажности.

В нефтенасыщенных породах она более низкая, чем в водонасыщенных, так как теплопроводность нефти меньше, чем воды. Температуропроводность пород почти не зависит от минерализации пластовых вод.

Вдоль напластования температуропроводность пород выше, чем поперек напластования.

При нагреве породы расширяются. Способность пород к расширению характеризуется коэффициентами линейного (αL) и объёмного (αV) теплового расширения.

Теплопроводность горных пород и минералов, их плотность и теплоемкость - таблицы .(1.40)

Величины теплопроводности и температуропроводности горных пород очень низки по сравнению с металлами (табл.). Поэтому для прогрева призабойных зон требуется очень большая мощность нагревателей.

Теплопроводность горных пород, заполненных нефтью и водой, значительно повышается за счёт конвективного переноса тепла жидкой средой. По этой причине для усиления прогрева пород пласта и увеличения глубины прогрева забой скважины одновременно подвергают ультразвуковой обработке.

Вследствие упругих колебаний среды ускоряется процесс передачи тепла за счёт конвекции.

Наибольшими значениями коэффициентов расширения обладает кварцевый песок и другие крупнозернистые породы.

Горная порода с, кДж/кг×К l, Вт/м×К a×103, м2/с aL×105, 1/К
Глина 0,755 0,99 0,97
Глинистые сланцы 0,772 154–218 0,97 0,9
Доломит 0,93 1,1–4,98 0,86
Известняк кристаллический 1,1 2,18 0,5-1,2 0,5–0,89
Известняк доломитизиро­ванный 1,51
Кварц 0,692 2,49 1,36 1,36
Мергель 0,92–2,18
Песок (сухой) 0,8 0,347 0,2 0,5
Песок с влажностью 20–25 % 3,42
Песчаник плотный 1,27–3,01 0,838 1,39 0,5
Пластовые флюиды: Нефть 2,1 0,139 0,069–0,086
Вода 4,15 0,582 0,14

Коэффициенты линейного и объёмного расширения изменяются в зависимости от плотности породы аналогично теплоёмкости, то есть взаимосвязь обратно пропорциональная.

Коэффициент линейного расширения пород уменьшается с ростом плотности минералов.

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Рекомендуемые страницы:

Источник: https://lektsia.com/2×2856.html

Теплоемкость материалов — таблица

В строительстве очень важной характеристикой является теплоемкость строительных материалов.

От нее зависят теплоизоляционные характеристики стен постройки, а соответственно, и возможность комфортного пребывания внутри здания.

Прежде, чем приступить к ознакомлению с теплоизоляционными характеристиками отдельных строительных материалов, необходимо понять, что собой представляет теплоемкость и как она определяется.

Удельная теплоемкость материалов

Теплоемкость – это физическая величина, описывающая способность того или иного материала накапливать в себе температуру от нагретой окружающей среды.

Количественно удельная теплоемкость равна количеству энергии, измеряемой в Дж, необходимой для того, чтобы нагреть тело массой 1 кг на 1 градус.

Ниже представлена таблица удельной теплоемкости наиболее распространенных в строительстве материалов.

Для того, чтобы рассчитать теплоемкость того или иного материала, необходимо обладать такими данными, как:

  • вид и объем нагреваемого материала (V);
  • показатель удельной теплоемкости этого материала (Суд);
  • удельный вес (mуд);
  • начальную и конечную температуры материала.

Теплоемкость строительных материалов

Теплоемкость материалов, таблица по которой приведена выше, зависит от плотности и коэффициента теплопроводности материала.

А коэффициент теплопроводности, в свою очередь, зависит от крупности и замкнутости пор. Мелкопористый материал, имеющий замкнутую систему пор, обладает большей теплоизоляцией и, соответственно, меньшей теплопроводностью, нежели крупнопористый.

Это очень легко проследить на примере наиболее распространенных в строительстве материалов. На рисунке, представленном ниже, показано каким образом влияет коэффициент теплопроводности и толщина материала на теплозащитные качества наружных ограждений.

Из рисунка видно, что строительные материалы с меньшей плотностью обладают меньшим коэффициентом теплопроводности.

Однако так бывает не всегда. Например, существуют волокнистые виды теплоизоляции, для которых действует противоположная закономерность: чем меньше плотность материала, тем выше будет коэффициент теплопроводности.

Читайте также:  Какие обои поклеить в коридоре (11 фото)

Поэтому нельзя доверять исключительно показателю относительной плотности материала, а стоит учитывать и другие его характеристики.

Сравнительная характеристика теплоемкости основных строительных материалов

Для того, чтобы сравнить теплоемкость наиболее популярных строительных материалов, таких дерево, кирпич и бетон, необходимо рассчитать величину теплоемкости для каждого из них.

В первую очередь нужно определиться с удельной массой дерева, кирпича и бетона. Известно, что 1 м3 дерева весит 500 кг, кирпича – 1700 кг, а бетона – 2300 кг. Если мы берем стенку, толщина которой составляет 35 см, то путем нехитрых расчетов получим, что удельная масса 1 кв.

м дерева составит 175 кг, кирпича – 595 кг, а бетона – 805 кг. Далее выберем значение температуры, при которой будет происходить накопление тепловой энергии в стенах. Например, это будет происходить в жаркий летний день с температурой воздуха 270С.

Для выбранных условий рассчитываем теплоемкость выбранных материалов:

  1.  Стена из дерева: С=СудхmудхΔТ; Сдер=2,3х175х27=10867,5 (кДж);
  2.  Стена из бетона: С=СудхmудхΔТ; Сбет=0,84х805х27= 18257,4 (кДж);
  3.  Стена из кирпича: С=СудхmудхΔТ; Скирп=0,88х595х27= 14137,2 (кДж).

Из произведенных расчетов видно, что при одинаковой толщине стены наибольшим показателем теплоемкости обладает бетон, а наименьшим – дерево. О чем это говорит? Это говорит о том, что в жаркий летний день максимальное количество тепла будет накапливаться в доме, выполненном из бетона, а наименьшее – из дерева.

Этим объясняет тот факт, что в деревянном доме в жаркую погоду прохладно, а в холодную погоду тепло. Кирпич и бетон легко накапливают в себе достаточно большое количество тепла из окружающей среды, но так же легко и расстаются с ним.

Теплоемкость и теплопроводность материалов

Теплопроводность – это физическая величина материалов, описывающая способность проникновения температуры с одной поверхности стены на другую.

Для создания комфортных условий в помещении необходимо, чтобы стены обладали высоким показателем теплоемкости и низким коэффициентом теплопроводности. В этом случае стены дома будут в состоянии накапливать тепловую энергию окружающей среды, но при этом препятствовать проникновению теплового излучения внутрь помещения.

Теплопроводность горных пород и минералов, их плотность и теплоемкость - таблицы

Источник: https://stroydetali.com/teploemkost-materialov-tablica_/

Лекция 10(4 часа)

  • Поглощение породами тепла сопровождается
    повышением кинетической энергии молекул
    и атомов и фиксируется изменением
    температуры породы.
  • Тепловые свойства пород характеризуют
    способность пород передавать и поглощать
    тепло и изменять свои размеры при
    повышении температуры.
  • Основными тепловыми
    свойствами горных пород являются
    теплопроводность, теплоемкость, тепловое
    линейное расширение, тепловое объемное
    расширение.

Передача тепла (теплопроводность) в горных породах происходит в результате
непосредственного взаимодействием
молекул, атомов и ионов, находящихся в
тепловом движении. Амплитуда колебаний
молекул и ионов с ростом температуры
увеличивается. При этом наблюдается
прямо пропорциональная зависимость
между количеством теплоты dQ,
переходящей во внутреннюю энергию тела,
и приростом температурыdT:

  1. 3- 8
  2. где С– коэффициент пропорциональности
    – показатель, называемыйтеплоемкостью
    телаи характеризующий изменение его
    тепловой энергии при изменении температуры
    на один градус.
  3. Величина С, отнесенная к единице
    массыmнагреваемого
    объема,называется
    удельной теплоемкостью породы
    с

3- 9

Количество теплоты dQ,переходящей из одной части образца с
температурой T1к другой части
образца с температурой T2через
площадку ΔS за определенный промежуток
времениdt.В случае стационарного
потока тепла ()определяется по формуле:

3- 10

где λ – коэффициент теплопроводности
данной породы;

Выражение dQ/Sdt=q,
показывающее какое количество теплоты
протекает в единицу времени через
площадкуΔS,называется
удельным тепловым потоком.

С учетом этих преобразований коэффициент
теплопроводности для горной породыпримет видили λ =q/gradT

Горные породы являются плохими
проводниками тепла. Обычно их
теплопроводность зависит от минерального
состава, плотности, влажности и
температуры. Увеличение плотности
осадочных пород на 15-20% повышает
коэффициент теплопроводности примерно
в 2 раза.

3.8.1. Теплоемкость и теплопроводность горных пород и массивов

Количество тепла,
отдаваемое в нагреваемую породу единицей
поверхности тела в единицу времени, при
градиенте температур, равном единице,называется
коэффициентом теплоотдачи. Теплоотдачу
горных пород надо знать при расчетах
проветривания и теплового режима
глубоких шахт, в процессе термобурения,
замораживании горных пород.

Количество тепла,
необходимое для повышения температуры
на 1 градус одного килограмма породы,называется
теплоемкостью породы.

3- 11

С– теплоемкость породы;Q– количество переданного породе тепла;G– вес породы;Δt –
изменение температуры.

Теплоемкость горной породы может быть
определена калориметрическим способом:

  • 3-12
  • где А– тепловое значение калориметра
    (количество тепла, необходимое для
    нагрева его на один градус);
  • tтемпература
    калориметра до опускания в него породы;
  • t1температура
    образца до помещение его в калориметр;
  • t2– установившаяся
    температура образца и калориметра;
  • G– вес образца породы;
  • q – потери тепла при опыте.

Удельная теплоемкость пород изменяется
в интервале от 0,4 до 2 кДж.(кг*К). Удельная
теплоемкость плотных пород зависит
только от её минерального состава и
рассчитывается по формуле арифметического
средневзвешенного

  1. 3-13
  2. где mi– относительное
    массовое содержание минерала с удельной
    теплоемкостьюci
  3. Рудные
    минералы, как правило, имеют низкую
    теплоемкость, поэтому в рудосодержащих
    породах теплоемкость ниже, чем в безрудных
    породах

Теплоемкость
не зависит от того, в каком состоянии
находится порода – в аморфном или
кристаллическом. Например, теплоемкости
кристаллического и плавленого кварца
одинаковы. Теплоемкость не зависит от
зернистости, слоистости.

Зависимость теплоемкости от пористости
обусловлена значениями величин
тепоемкости воздуха и минералов.

Объемная теплоемкость пористой породы
cρ определяется также как
арифметическое средневзвешенное. Так
как объемная теплоемкость воздуха равна
только 1,29 кДж/(м3К),

3-14

где сиρсоответственно
удельные теплоемкость и плотность
минеральной фазы породы.

Минералы и горные породы являются
плохими проводниками тепла. Из
породообразующих минералов наибольшей
теплопроводностью обладает кварц.
Поэтому у плотных малопористых безрудных
пород наблюдается повышение теплопроводности
с увеличением содержания в них кварца.

Теплопроводность
породопределяется способностью
минералов, слагающих породу, проводить
тепло. В слоистых породах теплопроводность
вдоль слоистости λ||больше чем
теплопроводность перпендикулярно
слоистости λ,;
т.е. λ||λ,.

  • Коэффициент анизотропии теплопроводности
    слоистых горных пород в среднем составляет
    1,1-1,5.
  • В таблице 3-1 приведены показатели
    анизотропии теплопроводности для
    некоторых горных пород.
  • Таблица
    3- 1-Анизотропия теплопроводности пород
Порода Коэффициент теплопроводностиλ = q/gradT, Вт/(мК) Коэффициентанизотропии kан
Вдоль слоистости λ|| Перпендикулярно слоистости λ
Кварцевый песчаник 5,7 5,5 1,06
Гнейс 3,1 2,2 1,44
Мрамор 3,1 3,0 1,02
Известняк 3,4 2,6 1,35

Теплопроводность пористых пород является
сложной функцией всех их составляющих
фаз – жидкой, газообразной и твердой.

Таблица
3-2-Тепловые свойства фаз, входящих в
состав породы

Фаза Коэффициент теплопроводности λ = q/gradTВт/(мК)
Лед 2.33 2,09
Вода 0,58 4,18
Воздух 0,023 1,00

Передача тепла в пористых породах может
происходить как путем теплопроводности,
так и путем конвекции заполнителя
порового пространства (теплоотдачи).

Однако если размеры пор по сравнению с
исследуемым объектом малы, то явление
конвекции можно не учитывать. Например
, доля конвективного теплового потока
в порах с радиусом 3 мм составляет 0,13%
от общего теплового потока.

Можно не
учитывать явление передачи тепла
излучением, если температура нагрева
породы не превышает 1000К.

В
трещиноватых породах теплопроводность
существенно снижается при расположении
трещин перпендикулярно тепловому
потоку. Существенен также состав газов,
заполняющих поры. Водород обладает
теплопроводностью в 7 раз большей, чем
воздух, поэтому и теплопроводность
пород, содержащих водород больше при
одинаковой пористости.

Способность
пород изменять свои размеры при изменении
температуры характеризуется коэффициентом
линейного (α) или объемного расширения
(γТ)
расширения.

Коэффициент
объемного расширения
(γТ)
горной породы определяется
значениямиγТi, величинами модулей
всестороннего сжатия Кi слагающих
минералов и относительным их объемным
содержанием Vi. Если порода при
нагревании не разрушается, то

3-15

Для
горных пород коэффициент линейного
расширения с точностью до бесконечно
малых величин γТ
= 3. Кристаллы
и слоистые породы являются анизотропными
в отношении теплового расширения, т.к.
имеют различное тепловое расширение в
разных направлениях, т.е.

Тепловые
свойства горных пород определяются
методами стационарных и нестационарных
потоков. Установлено влияние химического
состава пород на их тепловое линейное
расширение. Пористость, трещиноватость,
пустоты в горной породе приводят к
снижению коэффициента теплового
расширения.

Зависимость коэффициента теплового
расширения от пористости имеет вид:

3-16

где
γТ.0– коэффициент объемного
теплового расширения минеральной фазы
породы.

Термические
напряжения в горных породах

Термические напряжения в горных породах
возникают за счет неоднородного нагрева
или различия в значениях коэффициента
теплового расширения и упругих свойств
слагающих породу минералов и агрегатов.

В качестве примера. Представим стержень
длиной ,
свободное расширение которого невозможно,
то при его нагреве до температуры Т, при
этом температура всего стержня изменится
на ΔТ, в этом стержне возникнут термические
напряжения σТ, равные напряжениям,
необходимым для сжатия удлинившегося
стержня до первоначальных размеров,
т.е.

  1. 3-17
  2. Ε– модуль деформации;
  3. α– коэффициент теплового расширения.
  4. Аналогично можно рассчитать термические
    напряжения в некотором объеме породы,
    находящемся в массиве, когда возможности
    расширяться отсутствуют:
  • 3-18
  • γТ– коэффициент объемного
    теплового расширения.
  • В этом случае нагреваемый объем испытывает
    напряжения сжатия, в то время как
    окружающие его объемы в зависимости от
    их расположения испытывают напряжения
    сжатия и растяжения.

В связи с тем, что термические напряжения
зависят от модуля линейной (или объемной)
деформации и линейного (или объемного)
коэффициента теплового расширения, их
зависимость от внутренних факторов
обусловлена зависимость модулей
упругости от этих факторов.

Например,
с увеличением пористости пород термические
напряжения уменьшаются.

Если весь
образец породы нагреть равномерно, то
в нем возможны внутренние, межзеренные
термонапряжения, обусловленные различием в упругих свойствах и коэффициентах
теплового расширения отдельных
минеральных зерен.

Источник: https://studfile.net/preview/4451381/page:14/

Теплопроводность и теплоемкость материалов

Теплопроводность – способность материала проводить тепловой поток через свою толщину при наличии разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Показателем теплопроводности является коэффициент теплопроводности λ. Иногда теплопроводность выражают величиной, обратной λ,— термическим сопротивлением (R = 1 / λ).

Читайте также:  Медленно набирается вода в бачок унитаза что делать

Коэффициент теплопроводности зависит от природы материала, его строения, пористости и влажности. Материал кристаллического строения обычно более теплопроводен по сравнению с материалом аморфного строения.

Коэффициент теплопроводности слоистых (слоистые пластики) и волокнистых (древесина) материалов существенно зависит от направления теплового потока по отношению к слоям или волокнам.

Так, у древесины вдоль волокон он примерно вдвое больше, чем поперек.

Величина λ тем больше, чем крупнее поры в материалах. Коэффициент снижается с уменьшением средней плотности однородных материалов, причем наименьшую теплопроводность имеют материалы с развитой пористостью и небольшой влажностью.

При увлажнений материала теплопроводность его увеличивается, так как коэффициент теплопроводности воды примерно в 25 раз больше, чем воздуха.

Ниже приводятся коэффициенты теплопроводности различных материалов, Вт / (м · °С); для сравнения даются значения λ воды и воздуха:

  • медь……………………. 403,00
  • сталь……………………. 58,00
  • гранит……………………. 2,92
  • бетон тяжелый…………. 1,28—1,55
  • кирпич глиняный………. 0,70—0,85

туф……………………….. 0,35—0,45

  1. сосна:
  2. вдоль волокон 0,30
  3. поперек волокон    0,17
  4. минеральная вата   0,06—0,09

бетон теплоизоляционный . .0,03—0,08

вода… … 0,599

воздух           0,023

Теплопроводность имеет практическое значение при выборе материалов для наружных стен, перекрытий и покрытий зданий, изоляции теплосетей, холодильников, котлов и т. п.

Теплоемкость

Теплоемкость – свойство материала поглощать тепло при нагревании и отдавать при охлаждении. Отношение теплоемкости к единице количества материала (по массе или объему) называется удельной теплоемкостью, которая численно равна количеству тепла (в Дж), необходимому для нагревания I кг материала на I °С. Удельная теплоемкость, кДж / (кг -°С), приведенных ниже материалов составляет:

Читайте так же:  Защита древесины от порчи и возгорания

  • медь 0,38
  • сталь      0,46—0,48
  • алюминиевые сплавы     0,90
  • природные каменные материалы    0,75—0,93
  • бетон тяжелый 0,80—0,92
  • кирпич    0,74

сосна . .        2,51

Теплоемкость учитывают при определении теплоустойчивости наружных ограждений отапливаемых зданий (требуются материалы с наиболее высокой удельной теплоемкостью), при расчете подогрева составляющих бетона и раствора, также мастик для работ в зимнее время и т. п.

Тепловое расширение

Тепловое расширение – свойство материала изменять объем и размеры при нагревании. Количественно характеризуется коэффициентами объемного и линейного расширения.

Коэффициент объемного расширения равен относительному увеличению объема материала, а коэффициент линейного расширения – относительному увеличению его длины при нагревании на 1 °С.

Жесткое соединение нескольких материалов с разными коэффициентами теплового расширения может вызвать в конструктивном элементе значительные по величине напряжения, которые приведут к его короблению и растрескиванию. При большом изменении размеров материала из-за колебаний температуры может произойти его разрушение.

Огнестойкость – способность материала противостоять действию огня и высоких температур во время пожара. По степени огнестойкости все материалы делят на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Под действием огня или высокой температуры материалы ведут себя по-разному: несгораемые (природные каменные материалы, бетон, кирпич, сталь и т. п.

) не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются; трудносгораемые (фибролит, асфальтовый бетон, древесина, пропитанная огнезащитными составами) с трудом воспламеняются, тлеют или обугливаются в присутствии источника огня; сгораемые (незащищенная древесина, войлок, рубероид, большинство полимерных материалов) воспламеняются и продолжают гореть после удаления источника огня.

Причем из числа несгораемых одни материалы (кирпич глиняный, черепица, большинство бетонов) практически не деформируются и не растрескиваются, другие – значительно деформируются (сталь), а некоторые разрушаются (гранит, мрамор, известняк).

При оценке огнестойкости материалов необходимо также учитывать совместное действие высокой температуры, воды и других жидкостей, используемых при тушении пожара, а также химических веществ и газов, выделяющихся из некоторых материалов (особенно полимерных).

Читайте так же:  Маркировка, транспортировка и хранение готовой продукции

Огнеупорность – свойство материала выдерживать, не расплавляясь и не деформируясь, длительное воздействие высоких температур.

По степени огнеупорности материалы подразделяют на огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавкие: огнеупорные (например, шамотный кирпич) выдерживают продолжительное воздействие температуры свыше 1580 °C (используют для внутренней облицовки промышленных печей), тугоплавкие (гжельский кирпич) выдерживают температуру 1350—1580 °С, легкоплавкие (кирпич глиняный обыкновенный) противостоят температуре ниже 1350 °С.

Электропроводность – способность материала проводить электрический ток. Она зависит от обратного электропроводности свойства – электрического сопротивления. Очевидно, что чем меньше удельное электрическое сопротивление материала, тем лучше он проводит электрический ток.

В зависимости от этого показателя все материалы подразделяют на проводники, полупроводники и изоляторы. К проводникам относятся серебро, медь и ее сплавы, алюминий, сталь. Хорошими изоляторами являются резина, асбест, фарфор, стекло, пластические массы.

Полупроводники (кремний, мышьяк и др.) занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами; в обычных условиях они слабо проводят электрический ток.

Полупроводники широко применяются в различных отраслях народного хозяйства, в частности для регулирования силы тока и напряжения, преобразования одного вида энергии в другой.

Электропроводность и соответственно электрическое сопротивление материалов учитывают при оценке качества и выборе шнуров, проводов, кабелей, электроустановочных и других изделий.

Цвет материалов – это определенное зрительное ощущение, вызываемое в результате воздействия на глаз потоков электромагнитного излучения в диапазоне видимой части спектра. В общем случае цвет материала связан с его окраской, свойствами поверхности и оптическими свойствами источников света. Цвет играет большую роль при выборе облицовочных и отделочных материалов.

Структура – строение материала, определенное сочетание его составных частей. В структуре материалов различают структуру горной породы, структуру металла и др.

Фактура (от латинского фактура – обработка, строение) – видимое строение поверхности материала. Различают две группы фактур: рельефные (с разной высотой и разнообразным характером рельефа) и гладкие (от зеркально-блестящих до шероховато-ровных).

Читайте так же:  Текстура горных пород

Цвет, структура и фактура различных материалов более подробно рассмотрены при их характеристике в соответствующих главах книги.

Источник: https://arxipedia.ru/materialy-i-svojstva/teploprovodnost-i-teploemkost-materialov.html

Теплоаккумулирующая способность материалов

Способность материала удерживать тепло оценивается его удельной теплоемкостью, т.е. количеством тепла (в кДж), необходимым для повышения температуры одного килограмма материала на один градус. Например, вода имеет удельную теплоемкость, равную 4,19 кДж/(кг*K). Это значит, например, что для повышения температуры 1 кг воды на 1°K требуется 4,19  кДж.

Таблица 1. Сравнение некоторых теплоаккумулирующих материалов

Ма­те­ри­ал
Плот­ность, кг/м3
Теп­ло­ем­кость, кДж/(кг*K)
Ко­эф­фи­ци­ент те­пло­про­вод­нос­ти, Вт/(м*K)
Мас­са ТАМ для те­пло­ак­ку­му­ли­ро­ва­ния 1 ГДж те­пло­ты при Δ= 20 K, кг
От­но­си­тель­ная мас­са ТАМ по от­но­ше­нию к мас­се во­ды, кг/кг
Объем ТАМ для те­пло­ак­ку­му­ли­ро­ва­ния 1 ГДж те­пло­ты при Δ= 20 K, м3
От­но­си­тель­ный объем ТАМ по от­но­ше­нию к объему во­ды, м3/м3
Гранит, галька 1600 0,84 0,45 59500 5 49,6* 4,2
Вода 1000 4,2 0,6 11900 1 11,9 1
Глауберова соль (декагидрат сульфата натрия)* 14600т1300ж 1,92т3,26ж 1,85т1,714ж 3300 0,28 2,26 0,19
Парафин* 786т 2,89т 0,498т 3750 0,32 4,77 0,4

Для водонагревательных установок и жидкостных систем отопления лучше всего в качестве теплоаккумулирующего материала применять воду, а для воздушных гелиосистем — гальку, гравий и т.п.

Следует иметь в виду, что галечный теплоаккумулятор при одинаковой энергоемкости по сравнению с водяным теплоаккумулятором имеет в 3 раза больший объем и занимает в 1,6 раза большую площадь.

Например, водяной теплоаккумулятор диаметром 1,5 м и высотой 1,4 м имеет объем 4,3 м3, в то время как галечный теплоаккумулятор в форме куба со стороной 2,4 м имеет объем 13,8 м3.

Плотность аккумулирования теплоты в значительной степени зависит от метода аккумулирования и рода теплоаккумулирующего материала. Она может быть аккумулирована в химически связанном виде в топливе. При этом плотность аккумулирования соответствует теплоте сгорания, кВт*ч/кг:

  • нефть — 11,3;
  • уголь (условное топливо) — 8,1;
  • водород — 33,6;
  • древесина — 4,2.

При термохимическом аккумулировании теплоты в цеолите (процессы адсорбции — десорбции) может аккумулироваться 286 Вт*ч/кг теплоты при разности температур 55°C.

Плотность аккумулирования теплоты в твердых материалах (скальная порода, галька, гранит, бетон, кирпич) при разности температур 60°C составляет 14…17 Вт*ч/кг, а в воде — 70 Вт*ч/кг.

При фазовых переходах вещества (плавление — затвердевание) плотность аккумулирования значительно выше, Вт*ч/кг:

  • лед (таяние) — 93;
  • парафин — 47;
  • гидраты солей неорганических кислот — 40…130.
Таблица 2. Сравнение удельной теплоемкости и плотности различных материалов на основе равных объемов

Материал
Удельная теплоемкость, кДж/(кг*K)
Плотность, кг/м3
Теплоемкость, кДж/(м3*K)
Вода 4,19 1000 4187
Металлоконструкции 0,46 7833 3437
Бетон 1,13 2242 2375
Кирпич 0,84 2242 1750
Магнетит, железная руда 0,68 5125 3312
Базальт, каменная порода 0,82 2880 2250
Мрамор 0,86 2880 2375

К сожалению, лучший из приведенных в таблице 2 строительных материалов — бетон, удельная теплоемкость которого составляет 1,1 кДж/(кг*K), удерживает лишь ¼ того количества тепла, которое хранит вода того же веса. Однако плотность бетона (кг/м3) значительно превышает плотность воды.

Во втором столбце таблицы 2 приведены плотности этих материалов. Умножив удельную теплоемкость на плотность материала, получим теплоемкость на кубический метр. Эти величины приведены в третьем столбце таблицы 2.

Следует отметить, что вода, несмотря на то, что обладает наименьшей плотностью из всех приведенных материалов, имеет теплоемкость на 1 м3 выше (2328,8 кДж/м3), чем остальные материалы таблицы, в силу ее значительно большей удельной теплоемкости.

Низкая удельная теплоемкость бетона в значительной степени компенсируется его большой массой, благодаря которой он удерживает значительное количество тепла (1415,9 кДж/м3).

Источник: http://www.mensh.ru/articles/teploakkumuliruyushchaya-sposobnost-materialov

Учебное пособие (курс лекций)

^

5.1 Основные петрофизические параметры

Распределение температур на поверхности Земли и в ее недрах  естественное тепловое поле Земли – определяется:1) пространственным распределением и мощностью источников тепла (солнце, атмосферные осадки, радиоактивные элементы, химические реакции, кристаллизация, полиморфные превращения, уплотнение и другие процессы); 2) способностью пород к теплообмену  передаче тепловой энергии; 3) пространственным распределением пород с различной теплопроводностью. Различают такие виды теплопередачи, как теплопроводность, конвективный и лучистый (радиационный) теплообмен. В пределах земной коры первый из них играет превалирующую роль.

Теплопроводность – направленный перенос внутренней тепловой энергии  процесс распространения теплоты от более к менее нагретым объемам неравномерно нагретого вещества (без конвекции и излучения), способствующий выравниванию температуры этой среды.

Внутренняя тепловая энергия у диэлектриков возникает в результате тепловых колебаний их кристаллических решеток, а у проводников и полупроводников, кроме того, и вследствие теплового движения электронов.

Читайте также:  Высота от уровня чистого пола до отверстия вывода отвода общего стояка

В узлах решеток диэлектриков размещаются взаимодействующие атомы, молекулы или ионы, находящиеся в тепловом движении, а так как колебания частиц кристаллической структуры не изолированы, в веществе распространяются волны тепловых колебаний.

Передачу энергии связанных колебаний узлов решетки представляют себе как распространение в веществе гармонических упругих звуковых волн различной частоты vi.

Звуковые волны высоких частот vmах являются также согласно квантовой теории газом квантов звука, названных фононами. Ангармоничность колебаний узлов решетки приводит к рассеянию фононов и мешает передаче энергии путем теплопроводности.

Этот эффект возрастает при увеличении температуры, поэтому решеточная теплопроводность диэлектриков в данном случае уменьшается.

Таким образом, перенос тепла в диэлектриках рассматривается как передача микроскопическими волнами кинетической энергии в направлении ее уменьшения.

У проводников и полупроводников перенос тепловой энергии осуществляется в основном диффузией свободных электронов  передачей тепловой энергии электронами проводимости, решеточная теплопроводность проводников значительно меньше электронной.

Основными теплофизическими характеристиками среды являются коэффициент теплопроводности (или удельное тепловое сопротивление ), теплоемкость С и теплопроводность а.

Процесс теплопроводности описывается известным уравнением Фурье:

(5.1)

характеризующим передачу количества тепла dQза время dчерез элементы среды с поперечным сечением dS, длиной dl при температуре dt.

Коэффициент пропорциональности является теп­лопроводностью. Он характеризует свойство среды передавать кинетическую (тепловую) энергию ее молекул. В системе СИ имеет размерность Вт/мград. В геофизической практике иногда используются внесистемные единицы измерения : ккал/мчград, кал/смсград:

1 Вт/мград=0,86 ккал/мчград = 2,3910 3 кал/смсград.

Параметр характеризующий количество теплоты, протекающей в единицу времени через поперечное сечение dS, называется удельным тепловым потоком q. В этом случае:

. (5.2)

Величина, обратная теплопроводности, в значительной мере определяющая характер естественного теплового поля, называ­ется тепловым сопротивлением .

Количество теплоты Q, необходимое для повышения температуры образца на один градус при посто­янном давлении и объеме, определяет его теплоемкость С:

(5.3)

где – изменение температуры тела массой т при подведении к нему количества теплоты Q.

Теплоемкость С измеряется в Дж/К.

Величина ^ , отнесенная к единице массы т нагре­ваемого тела, называется удельной массовой теплоемкостью Ст (Дж/кгК).

Под удельной объемной СV (Дж/м3К) и удельной молярной С (Дж/кмольК) теплоемкостями понимают количе­ство теплоты, которое необходимо сообщить единице объема или молярного количества образца вещества для изменения его тем­пературы на 1 градус. Молярная теплоемкость для всех веществ постоянна и равна 2510-3 Дж/кмольК.

Для многокомпонентных сред удельная массовая теплоемкость определяется как сумма:

, (5.4)

где тiотносительное массовое содержание i-го компонента с удельной массовой теплоемкостью Стi.

Температуропроводность. Скорость распространения изотермической поверхности в процессе выравнивания температуры при нестационарном тепловом процессе характеризуется коэффициентом температуропроводности а. Температуропроводность является комплексным параметром, определяемым значениями коэффициента теплопроводности , теплоемкости С и плотности :

. (5.5)

Измеряется в м2/с.

Пределы изменения температуропроводности для различных типов горных пород составляют (2–20)10-7 м2/с.

Тепловое расширение. Поглощение тепла веществом сопровождается не только его нагревом, но и тепловым расширением, отражающим способность вещества трансформировать тепловую энергию в механическую. Для характеристики этого процесса используются коэффициенты теплового линейного и объемного расширения, определяемые соотношением:

, (5.6)

где LTи L0 –длина тела при температуре соответственно Т и0 С;

VTи V0 –объем тела при температуре соответственно Т и 0° С.

^

Теплопроводность. В сравнении с другими твердыми телами минералы и горные породы  плохие проводники тепла. Значения их коэффициентов теплопроводности лежат в весьма узком диапазоне 0,120Вт/(мК).

Высокой теплопроводностью характеризуются самородные и некоторые рудные минералы: медь, золото, гематит, сфалерит. Очень большое значение коэффициента теплопроводности имеет алмаз. Причина этого  высокая энергия кристаллической решетки и как следствие  большая длина свободного пробега фононов.

Самая высокая теплопроводность, до 500 Вт/(мК), наблюдается у золота, меди, графита и некоторых других самородных минералов.

Далее в порядке уменьшения средних значений коэффициента теплопроводности 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 =713 Вт/(мК). По этой причине теплопроводность кристаллических интрузивных и метаморфических пород повышается с увеличением их кислотности и содержания кварца.

Гидрохимические осадки  каменная соль, сильвин, ангидрид  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).

Теплоемкость. Это свойство минералов изучено еще недостаточно.

По имеющимся сведениям, значения удельной массовой теплоемкости при постоянном давлении Срm в Дж/(кгК) 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 (лед, вода); силикаты  500980; сульфаты  3501500. Низкие пределы зна­чений Срmдля каждого из перечисленных классов минералов обусловлены высокой концентрацией в них тяжелых элементов с низкой, не более 100 Дж/(кгК), удельной теплоемкостью, таких как висмут, ртуть, свинец, торий, уран и др. Повышенные значения коэффициента удельной теплоемкости, 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 массовой теплоемкостью, не ниже 200300 Дж/(кгК). Последнее особенно характерно для минералов, содержащих водород в своем составе (вода, лед) либо в кристаллизационно связанной воде (гипс, энеолит, бура), поскольку средняя теплоемкость водорода достигает 14240 Дж/(кгК).

Рудные минералы, как правило, имеют низкую теплоем­кость. Наблюдается достаточно тесная связь между удельной массовой теплоемкостью минералов и плотностью – c уменьшением плотности минералов их теплоемкость возрастает. Таблица 5.

1 – Тепловые свойства самородных элементов и минералов

Элемент , Вт/(мК) с, Дж/(кг К) Элемент , Вт/(мК) с, Дж/(кг К)
Самородные элементы Минералы
Медь 396,0 384,6 Ангидрит 4,91-5,75
Золото 310,0 125,6 Гипс 1,22-1,30
Серебро 418,0 228,4 Кальцит 3,13-3,25
Платина 71,15 125,6 Кварц (монокрист.) 10,8 6,1
Железо 78 459,8 -кварц 7,99
Графит 268,0 720,0 Магнетит 5,3 586,1
Алмаз 121,0-163,0 418,0 Микроклин 2,42 669
Сера 0,21-0,48 Оливин 5 795,3
Ртуть 8,0 138,1 Ортоклаз 2,11-2,31 628
Хлорит 3,77

Коэффициент линейного теплового расширения . Он уменьшается с увеличением энергии кристаллической решетки и, соответственно, плотности минералов от 10-4 до 10-6 К-1. Высокими значениями характеризуются самородная сера 810-5 К-1, каменная соль 410-5 К-1, слюда, флюорит и кварц 1,310-5 К-1.

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.

^

Теплопроводность горных пород определяющим образом зависит от их минералогического состава, иными словами, от способности проводить тепло слагающих их минералов.Кроме этого, на нее влияют пористость пород, флюидный и фазовый состав, структура и текстура, а также температура и давление.

С увеличением глубины по вертикальному разрезу земной коры теплопроводность проявляет тенденцию к возрастанию (табл. 5.2). Таблица 5.

2 – Средние значения  основных петрофизических структурно-вещественных комплексов

Структурно-вещественный комплекс , Вт/(мК)
Осадочный 1,9
Гранитно-метаморфический 2,3
Диоритовый 2,2
Базальтовый 3,4

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7,41 Вт/(мК) с тенденцией к понижению от мерзлых к влажным и далее к нефтенасыщенным и сухим (табл. 5.3). Фазовый состав флюидов существенно влияет на теплопроводность пород, поскольку их теплофизические характеристики различаются очень резко (табл. 5.4).Таблица 5.3 – Теплофизические свойства горных пород

Порода , Вт/(мК) С, Дж/(кгК) Порода , Вт/(мК) С, Дж/(кгК)
Осадочные породы Магматические и метаморфические породы
Глина сухая 0,14–0,24 Гранит 1,12–3,85 257–1548
Глина влажная 0,38–3,03 753–3596 Диорит 1,38–2,89 1118–1168
Песок 0,18–4,75 Габбро 2,41 897–1130
Алевролит 0,41–3,58 322–1466 Перидотит 3,78–4,85 921–1088
Песчаник 0,24–4,41 544–1629 Пироксенит 3,48–5,02 879–1214
Доломит 1,63–6,50 648–1465 Сиенит 1,74–2,97
Известняк 0,64–4,37 623–1273 Кварцит 3,68–7,60 718–1331
Мергель 0,50–3,61 586–3100 Гнейс 0,94–4,86 754–1176
Мрамор 1,59–4,0 753–879

Таблица 5.4 – Теплофизические свойства флюидов

Тип флюида , Вт/(мК) С, Дж/(кг К)
Лед 2,33 2090
Вода 0,58 4180
Нефть 0,14 2093
Воздух 0,023 1000

Для интрузивных магматических пород характерно понижение теплопроводности с повышением их основности в ряду «граниты – диориты – габбро – перидотиты». Главная причина – уменьшение концентрации кварца, обладающего относительно высокой теплопроводностью.

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, причем последних меньше 1,9 Вт/(мК). Поэтому присутствие в породе стекловатой массы понижает ее теплопроводность.

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

Особенно четко 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.

Источник: https://userdocs.ru/geografiya/29291/index.html?page=11

Ссылка на основную публикацию