5.2. Тепловые свойства химических элементов и минералов

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20 Вт/(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 С_рm 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 С_рm для 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.