礦物熱學(xué)性質(zhì)(heat natures of mineral)

礦物在加熱過(guò)程中表現(xiàn)出的行為和狀態(tài)。如生成熱、熱容量、比熱、熔點(diǎn)、相轉(zhuǎn)變點(diǎn)、熱分解、熱導(dǎo)性、熱膨脹性等。礦物的熱學(xué)性質(zhì)在地質(zhì)、冶金、陶瓷、化工等工業(yè)部門和現(xiàn)代軍事技術(shù)、空間技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域?qū)ΦV物的研究和應(yīng)用方面都有重要意義。

比熱1kg物質(zhì)溫度升高1℃(K)時(shí)所需要的熱量(J)。比熱的單位是J／(kg•K)。它取決于礦物的化學(xué)成分及結(jié)晶構(gòu)造。不同礦物的比熱一般是不相同的，同種礦物的比熱是相對(duì)穩(wěn)定的，但受雜質(zhì)含量和晶體缺陷等的影響。

熱容量物體溫度升高所需要的熱量。簡(jiǎn)稱熱容。礦物的熱容量C等于其質(zhì)量m和比熱c的乘積，即C=mc，J／K。顯然，礦物的熱容量與其比熱是密切相關(guān)的。

熔點(diǎn)固體在加熱過(guò)程中，從固相轉(zhuǎn)變成液相時(shí)的溫度。晶質(zhì)固體礦物熔化時(shí)，溫度保持不變。礦物的熔點(diǎn)與其晶體鍵型有關(guān)：共價(jià)鍵與離子鍵的礦物晶體熔點(diǎn)高；分子鍵晶體熔點(diǎn)低。金屬礦物和鹽類礦物的熔點(diǎn)可用熱分析儀測(cè)得的加熱或冷卻曲線求得；大多數(shù)的硅酸鹽類礦物的熔點(diǎn)常用淬火法測(cè)定。礦物的熔點(diǎn)常用于熱工儀表標(biāo)定和校驗(yàn)；高熔點(diǎn)礦物，如紅柱石、矽線石等廣泛用冶金工業(yè)的耐火材料以及宇宙空間技術(shù)中。

導(dǎo)熱性礦物傳導(dǎo)熱量的能力。礦物的導(dǎo)熱性用熱導(dǎo)率λ表征，它表明礦物晶體中溫度沿OX軸向變化，傳導(dǎo)的距離△x(m)，穿過(guò)垂直于該軸的△S平面(m²)，在△t(s)時(shí)間內(nèi)的熱量△Q(J)與溫度梯度△T／△x成正比；式中的負(fù)號(hào)表示熱量向溫度低的方向流動(dòng)。熱導(dǎo)率的單位為J／(m•s•K)。礦物的熱導(dǎo)率與雜質(zhì)含量、晶體缺陷、晶體結(jié)構(gòu)類型，同型結(jié)構(gòu)中的離子類型等有關(guān)：在非等軸晶系中熱導(dǎo)率具有明顯的異向性；金屬礦物比非金屬礦物，晶質(zhì)礦物比非晶質(zhì)礦物的熱導(dǎo)性強(qiáng)。一般認(rèn)為熱傳導(dǎo)主要是通過(guò)自由電子和光子進(jìn)行的，光子在所有的礦物中都存在，而自由電子主要存在于具有金屬鍵的金屬礦物中。在熱傳導(dǎo)過(guò)程中，非晶質(zhì)礦物中的光子受到更多的散射。通常熱傳導(dǎo)隨溫度的降低而逐漸增大到極大，然后減小，當(dāng)溫度降至絕對(duì)零度時(shí)，熱傳導(dǎo)等于零。熱導(dǎo)性差的礦物在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)和日用產(chǎn)品中廣泛用作隔熱保溫材料。

熱膨脹性礦物受熱時(shí)各個(gè)方向長(zhǎng)度和體積發(fā)生變化的能力。有線膨脹和體膨脹兩種。礦物的熱膨脹通常以線膨脹系數(shù)a表示，一般等軸晶系和非晶質(zhì)礦物只有一個(gè)膨脹系數(shù)；中級(jí)晶系晶體具有最大和最小兩個(gè)主要膨脹系數(shù)；低級(jí)晶系晶體具有三個(gè)主要膨脹系數(shù)。礦物熱膨脹的主要原因是溫度效應(yīng)。溫度增高，晶體結(jié)構(gòu)中的原子或離子間相互振動(dòng)增大，而產(chǎn)生熱膨脹，一般在化學(xué)鍵強(qiáng)的方向熱膨脹小，鍵力弱的方向熱膨脹大。熱膨脹在具有開闊空隙結(jié)構(gòu)的礦物中較為復(fù)雜，除溫度效應(yīng)外，還有非均一振動(dòng)效應(yīng)和品格配位多面體轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)。如鋰輝石，主要呈現(xiàn)非均一振動(dòng)效應(yīng)；石英主要呈現(xiàn)為(SiO₄)四面體的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)。體膨脹系數(shù)是三維線膨脹系數(shù)之和。一般來(lái)說(shuō)，溫度增高礦物體積膨脹系數(shù)增大。有些礦物，如β鋰霞石(LiAlSiO₄)的體積膨脹系數(shù)為負(fù)值(1．9×10^-6／K)，它是一種罕見的加熱后密度增大的物質(zhì)，這是由于在其c軸方向中占據(jù)4次和6次配位位置的Li，隨溫度增高Li的6次配位數(shù)目增多的緣故。

熱膨脹的異向性在鏈狀基型和層狀基型礦物中最為明顯，在平行于鏈和順沿層方向的熱膨脹系數(shù)小，與之垂直的方向熱膨脹系數(shù)較大，鍵力強(qiáng)、熔點(diǎn)高的礦物熱膨脹系數(shù)小。熱膨脹系數(shù)用熱膨脹儀測(cè)定。礦物的熱膨脹性在耐熱沖擊材料、熱工儀表及礦物學(xué)等領(lǐng)域的研究和應(yīng)用方面是重要的技術(shù)參數(shù)。